Page 60 - 2024年第55卷第1期

图 １１ 塑性损伤模型的黏性系数对断口扩展幅度的影响
不同参数对断丝预应力损失的影响总结如表 １所示。其中，影响预应力损失初始范围的参数可先
根据规范 ［２５］ 确定。然而，影响预应力损失扩展时机和幅度的参数相互交织，不仅会影响模型收敛速
度，还会影响断丝区砂浆和外层管芯因应力集中导致初裂的时机。计算结果合理的前提下，收敛速度
通常非常重要，且直接关系到模型精细调整和不同工况下的对比分析。通常可根据试验确定内聚力模
型的起始损伤强度，然后根据计算精度需求选定针对砂浆的黏性系数。

表 １ 不同参数对断丝预应力损失的影响

项目 子项目 初始范围 扩展时机 扩展幅度
弹簧单元 极限拉力 √
内聚力模型 起始损伤强度 √
受拉本构关系下降段参数 √
塑性损伤模型
黏性系数 √ √
每个荷载步的断丝数量 √ √

４ 数值模拟方法验证与破坏规律分析

建立与恒定内压集中和离散断丝试验同尺寸的数值模型，并通过与试验结果对比分析来验证模拟
方法并分析断丝破坏规律。足尺数值模型因单元数量巨大而造成计算时间超长。在兼顾计算结果合理
和计算时长后，将内聚力模型的损伤起始强度取值为 ０．２６ＭＰａ，其余参数按参数敏感性分析中的默认
参数。
４．１ 断丝预应力损失规律的验证 断丝发生后，断丝在断点处张开，断点处的拉应力接近零，并沿环
向逐渐恢复至全预应力状态；随着断丝数量增多，断丝预应力损失先保持初始范围，之后砂浆损伤加
剧导致损失范围扩大，如图 １２（ａ）（ｂ）所示。对于恒定内压集中断丝，模拟结果与试验中观察的钢丝
断口形状和扩展规律基本一致，断口形状都是先为矩形，而后扩展成纺锤型。断丝预应力损失约为断
点左右 ７０°，与试验测量值一致；随着断丝增多，断丝预应力损失范围扩大，应力值降低。对于恒定
内压离散断丝，同样展现出相同的断丝预应力损失规律，如图 １２（ｃ）所示。
４．２ 模拟现象的验证 当开裂应变为 １‰时，拉伸裂缝宽度约为 ０．０５５ｍｍ（单元特征长度为 ５５．３ｍｍ），
此时受拉损伤变量约为 ０．９。当集中断丝 ２０根时，砂浆受拉损伤变量的云图如图 １３（ａ）所示。受拉损
伤变量超过 ０．９的形状和位置与试验中观察的砂浆斜拉裂缝形态基本一致。随后断丝增多，砂浆开裂
造成断丝预应力损失范围的扩展。当集中断丝 ３５和 ４０根时，管芯外表面在断丝区相继出现纵向裂缝
和环向裂缝。随后纵向裂缝数量增多，环向裂缝延长至整个管圈。如图 １３（ｂ）所示，断丝 ６０根时，模
拟结果与试验现象均包括一条环向裂缝和多条纵向裂缝。管芯内层的损伤滞后与管芯外侧。当断丝 ４５
根时，内层管芯已形成可见裂缝，并在随后的断丝过程中沿环向逐渐扩展。通常，在外层管芯环向或
纵向裂缝的两侧会出现内层管芯裂缝，断丝 ６０根时管芯内表面如图 １３（ｃ）所示。管芯内表面的模拟结

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