宣鋒 葉源新 鐘俊彬 夏鑫磊

（1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 200092；2.上海城投水務工程項目管理有限公司 201103）

引言

近年來，預應力鋼筒混凝土頂管（Jacking of Prestressed Concrete Cylinder Pipe，簡稱 JPCCP）作為一種將PCCP與頂進施工方式相結合的新型管材，在國內逐步應用［1，2］，但口徑較小，頂距較短，對于大口徑、長距離頂進的管材理論研究相對缺乏。JPCCP與PCCP結構形式的不同在于PCCP最外層采用砂漿保護層，而JPCCP由于頂力需要，外層為鋼筋混凝土保護層。參考PCCP的設計方法不難看出，對于JPCCP管道而言，在設計和使用的過程中，其在外荷載作用下管道各層材料的應力應變響應規(guī)律是影響結構設計方法的重要因素。由于外環(huán)筋的加入，對結構的抗裂性能和承載性能貢獻需要進行評估，為此，本文針對直徑3.6m的JPCCP管材，進行了三點法加載和內水壓加載的原型試驗和基于ABAQUS的數值分析，掌握了各結構層的受力特性，評估了各材料之間的協(xié)同工作性能和安全性能。

1 JPCCP試驗與數值模擬概況

1.1 試驗概況

原型試驗選用3.6m直徑的JPCCP管材作為試驗管材，其結構形式如圖1所示。其中管芯壁厚220mm，采用7mm直徑光面消除應力鋼絲，極限強度標準值為1570MPa，彈性模量 E＝205GPa，鋼絲螺距為15.5mm，張拉控制應力為1048MPa，為鋼絲屈服強度（1397MPa）的75%?；炷帘Ｗo層內設置構造鋼筋，縱筋為HRB335，直徑為10mm；鋼筋骨架環(huán)筋為CRB550，直徑為10mm，間距80mm。

管材三點法加載和內水壓加載如圖2所示，試驗前，部分參考了國內PCCP的設計方法［3］和美國 PCCP的設計規(guī)范［4，5］，根據《混凝土結構試驗方法標準》（GB／T 50152－2012）［6］，確定了加載方案，對加載值和加載特征點進行了預估，并確定主要考察的指標為：管材的開裂荷載，鋼絲、鋼筒、環(huán)筋達到屈服強度，各層材料發(fā)生分離，出現(xiàn)大面積裂縫，以及在內水壓試驗時，各混凝土達到相應的應變數值。加載方法通過管道頂部的鋼梁逐級加載，每級加載值為100kN，直至2600kN，每級特征點持荷時間為15min，其余荷載點為一般點，持荷時間為5min，待變形穩(wěn)定后，測量電阻應變片數據，用超聲波探傷儀對管道進行探傷。加載過程中，荷載加到1250kN時，進行一次卸載，然后再加載。對每一級荷載，均保持3min～5min荷載不變，待變形穩(wěn)定后，測量電阻應變片數據，用超聲波探傷儀對管道進行探傷。整個過程采用靜態(tài)應變測試儀進行不間斷數據采集，并且檢查管體是否出現(xiàn)失去承載能力、出現(xiàn)局部破壞或發(fā)生不適合繼續(xù)承載的變形，并記錄管體情況。

圖1 JPCCP結構形式示意Fig.1 Stucture type of JPCCP

圖2 試驗簡圖Fig.2 Test sketch

1.2 數值模擬概況

JPCCP的數值仿真采用ABAQUS有限元平臺進行，混凝土采用六面體減縮積分單元C3D8R，鋼筒采用殼單元，鋼筋采用線單元。各部件的尺寸與試驗保持一致，混凝土的本構關系采用《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010－2010）［7］中的混凝土損傷本構模型，其他材料采用彈性和理想彈塑性模型，圖3為三點法和內水壓的數值模型。鋼絲的預應力采用降溫法施加，為了保證外圈混凝土沒有初始壓應力的產生，采用了追蹤單元技術在建模時對于外筒進行單元原位復制，新生成的單元即為追蹤單元。追蹤單元的剛度遠小于實際單元剛度（此次模擬取值為實際單元剛度的10－5），因而不對計算結果產生實際影響，但由于其始終保持激活狀態(tài)并且與未激活單元共節(jié)點，因此可以帶動未激活單元節(jié)點移動，從而使未激活狀態(tài)的單元不致有初始變形。

圖3 模型示意Fig.3 Model diagram

2 三點法加載試驗與模擬結果分析

2.1 試驗結果

根據前述預估荷載和相應的結構性能指標，試驗實測的相關節(jié)點關鍵性能指標如表1和表2所示，現(xiàn)場測得，三點法外荷載試驗第一次加載過程中混凝土、鋼筒、鋼絲和鋼筋等應變隨荷載基本呈線性變化，可以得出整個加載過程中結構處于彈性狀態(tài)，卸載后基本能回到初始狀態(tài)。第二次加載過程中混凝土、鋼筒、鋼絲和鋼筋等應變在開始階段線性度很好，加載至2440kN以后大多數測點應變隨荷載顯著變化，現(xiàn)場目測的管頂、底的裂縫加速張開，管節(jié)承口的收斂變形也顯著變化，其中從2440kN加載到2540kN期間，承口斷面垂直變形達到29.26mm，水平變形為23.03mm。在加載至2650kN時，預應力鋼絲的應力值已經遠超過其設計值1100MPa，而鋼筒的應力還有一定的成長空間。且2650kN時，鋼筋已經接近屈服應力400MPa，由于試驗條件的限制和出于安全性考慮，沒有繼續(xù)加載。但不難看出，JPCCP在三點法下的后續(xù)結構響應模式為：在環(huán)向最不利截面，鋼絲首先達到屈服應力不再增長，鋼筒還能繼續(xù)提供拉抗力，直至受壓區(qū)混凝土壓碎，結構失去承載性能。

表1 三點法加載關鍵性能指標（第一次加載）Tab.1 The key performance indicators of three-point loadingmethod（first time load）

表2 三點法加載關鍵性能指標（第二次加載階段）Tab.2 The key performance indicators of three-point loadingmethod（second time load）

2.2 數值模擬結果

三點法加載的工況下，分別對比了JPCCP外圈為素混凝土和鋼筋混凝土的情況。外圈為素混凝土時，外圈混凝土在加載至約600kN時達到峰值拉應力，內圈混凝土在1500kN時達到峰值拉應力，鋼絲的屈服應力約為2500kN，外圈為鋼筋混凝土時，外圈混凝土在加載至約700kN時達到峰值應力，內圈混凝土在1500kN時達到峰值拉應力，預應力鋼絲在2700kN時達到屈服應力。

圖4給出了鋼絲屈服時鋼絲、鋼筒和鋼筋的環(huán)向應力分布以及加載過程中在管側的應力變化?？梢钥闯觯c試驗結果相比，數值模擬下管材各部分應力發(fā)展趨勢以及關鍵加載節(jié)點的結構響應吻合較好。對于管道外圈為素混凝土的情況，三點法加載試驗的關鍵加載節(jié)點主要由混凝土筒體環(huán)向拉應變控制，危險位置主要為外筒外側，總荷載加載600kN時，外圈混凝土兩側達到峰值拉應變；繼續(xù)加至1500kN時，內層混凝土頂部達到峰值拉應變；總荷載加至2500kN時鋼絲屈服；加至3600kN時鋼筒屈服，此時內層混凝土也已基本達到極限壓應變。外圈為鋼筋混凝土保護層的JPCCP三點法加載試驗數值模擬結果與外層為素混凝土時具有相似的發(fā)展歷程，外層有鋼筋時外圈混凝土達到峰值拉應力時的外荷載比素混凝土時高出約17%，說明鋼筋為限制外圈混凝土應變開展提供了較顯著的作用，但內層混凝土達到峰值拉應變及鋼絲屈服時的加載值在有無鋼筋兩種情況下差別較小。

圖4 三點法模擬結果Fig.4 FEA results of three-point loadingmethod

3 內水壓試驗與模擬結果分析

3.1 試驗結果

與三點法類似，根據相應的結構性能指標，在試驗中測得的關鍵節(jié)點參數如表3所示。由于加載的荷載值有限，在加載至預估荷載2.1MPa時，沒有相應的性能指標達到承載力極限狀態(tài)，表明在抗裂內水壓試驗加載過程中鋼筒、鋼絲和鋼筋等應變變化增量不大，內壁和中間層混凝土由受壓狀態(tài)接近達到受拉狀態(tài)，可以得出整個加載過程中構件處于彈性狀態(tài)，卸載后基本能回到初始狀態(tài)。但內水壓加至2MPa時，斷面收斂變形顯著增加，從2MPa增加到2.1MPa過程中，斷面變形增量達到1mm。

3.2 數值模擬結果

內水壓工況同樣采用了外圈為素混凝土和鋼筋混凝土兩種JPCCP管材進行數值分析。在外圈為素混凝土時，外層混凝土在內水壓為0.66MPa時達到峰值應力，此時內圈混凝土還處于鋼絲預應力作用下的受壓狀態(tài)，直到內水壓為2MPa時，內層混凝土發(fā)展至峰值應力。在2.27MPa時，鋼絲達到設計屈服應力1100MPa，2.68MPa時鋼筒屈服。當外圈為鋼筋混凝土時，鋼絲、鋼筒和鋼筋的應力分布如圖5所示，外層混凝土在內水壓為0.72MPa時達到峰值應力，內水壓為2.04MPa時，內層混凝土發(fā)展至峰值應力。在2.37MPa時，鋼絲達到設計屈服應力1100MPa。2.98MPa時，鋼筒屈服，隨之鋼筋達到屈服應力。

圖5 內水壓模擬結果Fig.5 FEA results of internal hydraulic pressuremethod

表3 內水壓試驗關鍵性能指標Tab.3 The key performance indicators of internal hydraulic pressuremethod

從模擬結果可以看出，內水壓工況的數值結果與試驗結果吻合較好，與外圈為素混凝土相比，外圈為鋼筋混凝土時，外圈混凝土達到峰值拉應力時的內水壓比素混凝土時高出約10%，在鋼絲屈服后，鋼筒和鋼筋承擔了截面上絕大部分的拉應力，與素混凝土時相比，鋼筒和鋼筋屈服時內水壓承載力有所增大，但鋼絲屈服時的內水壓基本沒有變化。

4 JPCCP管材環(huán)向結構性能

三點法的試驗和模擬結果表明，JPCCP管材的最不利截面位于管側，其破壞開始于預應力鋼絲的屈服，鋼筒和鋼筋可以繼續(xù)提高承載力然后相繼屈服，最后內圈混凝土被壓碎，表現(xiàn)出一定的延性，在此過程中，鋼絲、鋼筒和鋼筋能很好地發(fā)揮協(xié)同作用。內水壓的結果與之類似。兩種工況下，由于外環(huán)筋的加入，外圈混凝土的開裂荷載相比外圈為素混凝土時都有提高，其對抗裂性能的貢獻明顯。曲線結果表明鋼絲的屈服應力基本沒有變化，極限承載力有一定的提高，但幅度也不大，說明外環(huán)筋的加入并不能延緩預應力鋼絲的屈服，但能夠提高JPCCP管材的安全儲備，提高結構的延性。為了對比鋼絲配筋率的影響，本文繼續(xù)對外圈為鋼筋混凝土JPCCP管進行數值分析，將配筋從φ8＠100改為φ8＠200，則各部分環(huán)向應力的變化如圖6所示。

圖6 應力變化Fig.6 Changes in stress

當外圈配筋減小至構造配筋φ8＠200后，鋼筋會比φ8＠100時提前屈服，但鋼絲和鋼筒基本沒有變化，如果增大配筋率可能會使截面發(fā)生鋼筋鋼筒沒有屈服而混凝土先被壓碎的脆性破壞。由此表明，在一定配筋率作用下的外環(huán)筋，由于鋼筋的配筋面積有限，基本不能改善管材中鋼絲和鋼筒的變化趨勢，但對管材的抗裂和極限承載力有一定的提升，使結構的環(huán)向安全度更高，也能更好地保護鋼絲不受環(huán)境的侵蝕。

在試驗中，觀測到了加載至2500kN時，內圈混凝土和鋼筒有局部的脫離，外圈的混凝土和鋼絲在端部也有局部的脫開，但并未發(fā)展。此時已經達到了鋼絲的設計屈服應力，可以認為在加載過程中，各層材料的接觸狀態(tài)良好，不會發(fā)生層間脫離引起的破壞形式。

5 結論

1.JPCCP管材現(xiàn)場原型試驗測得的數據基本準確，采用追蹤單元技術的數值建模方法能真實反映管材的制作過程，模擬的結果與試驗數據吻合良好；

2.試驗和模擬結果表明，JPCCP管最不利截面（三點法位于管側，內水壓認為所有截面一致）的破壞模式為預應力鋼絲首先屈服，鋼筒和外環(huán)筋在此之后屈服，最后混凝土受壓破壞的有一定延性的破壞形式，在此過程中，各層材料間發(fā)生有局部脫離；

3.試驗參數下，配置有外環(huán)筋的JPCCP管相比外圈為素混凝土管而言，不論三點加載還是內壓加載下，對外圈混凝土的抗裂性能均有一定程度的改善，分別提高了17%和10%的開裂荷載。外環(huán)筋不能改變鋼絲和鋼筒的響應規(guī)律，沒有超筋的設計下，能提高一定的承載能力，并提高結構的延性。

致謝

本研究得到了上海城投水務工程項目管理有限公司、同濟大學、上?；A工程集團有限公司、上海萬朗管業(yè)有限公司及無錫華毅管道有限公司在試驗研究中給予的大力支持與幫助。

［1］趙利.細石混凝土在JPCCP保護層中的應用［J］.四川建材.2012（1）：19－20

［2］馬軍鋒.南水北調城市供水管道頂管施工技術及應用［J］.河南水利與南水北調，2014（21）：44－45

［3］CECS 140：2011給水排水工程埋地預應力混凝土管和預應力鋼筒混凝土管管道結構設計規(guī)程［S］.北京：中國計劃出版社，2011 CECS 140：2011 Specifiction for structural design of buried prestressed concrete pipeline and prestressed concrete cylinder pipeline ofwater supply and sewerage engineering［S］.Beijing：China Plianning press，2011

［4］AWWA－301，Prestressed Concrete Pressure Pipe，Steel-Cylinder Type［S］.AWWA Standard，2015

［5］AWWA－304，Design of Prestressed Concrete Cylinder Pipe［S］.AWWA Standard，2015

［6］GBT 50152－2012混凝土結構試驗方法標準［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012 GBT 50152－2012 Concrete structure testmethod standard［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2012

［7］GB 50010－2010（2015版）混凝土結構設計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015 GB 50010－2010（2015）Code for design of concrete structures［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2015