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RPC预应力混凝土给排水管道的数值模拟

摘要：本文中的给排水管道采用RPC新型材料，并使用预应力钢筋，按照规范要求进行了强度和裂缝控制分析。设计中采用通用软件ANSYS，取得了令人满意的计算结果。

关键词：预应力，混凝土，钢筋，Ansy s

引言

混凝土排水管，作为城市市政排水管道工程的主力管材，有低能耗、低污染、低造价和高适应性的特点。在混凝土排水管中加入预应力钢筋，一方面充分利用了高强度材料不至于浪费，另一方面延迟了构件裂缝的出现和开展，延长了排水管的使用寿命。因此，其在国民经济建设中，具有非常重要的和不可替代的作用。且排水管的口径越大，混凝土排水管的经济效益与社会效益的优势也在增加，也完全符合我国可持续发展战略要求[1]。

1.预应力钢筋的原理

在普通钢筋混凝土的结构中，由于混凝土极限拉应变低，在使用荷载作用下，构件中钢筋的应变大大超过了混凝土的极限拉应变。钢筋混凝土构件中的钢筋强度得不到充分利用。所以普通钢筋混凝土结构，采用高强度钢筋是不合理的。为了充分利用高强度材料，弥补混凝土与钢筋拉应变之间的差距，人们把预应力运用到钢筋混凝土结构中去。亦即在外荷载作用到构件上之前，预先用某种方法，在构件上（主要在受拉区）施加压，构成预应力钢筋混凝土结构。当构件承受由外荷载产生的拉力时，首先抵消混凝土中已有的预压力，然后随荷载增加，才能使混凝土受拉而后出现裂缝，因而延迟了构件裂缝的出现和开展[5]。

2.预应力钢筋混凝土管道的数值模拟

1、管道模型的建立及前处理

某管道长5m，内径520mm，外径600mm。

建模思路：采用自底向上建模，即首先建立一个solid45有限元单元，然后拉伸成体，预应力钢筋link8单元直接建立在solid45单元的节点上，这样钢筋和混凝土就可以共同受力和变形[2]。

×

×

2、对模型施加边界条件和加载

（1）边界条件简化分析：由于管道比较长，为简化起见，将埋于地下的管道看做简支。即左端加x，y方向约束，另一端加y方向约束。

（2）受力分析：内壁受水压作用（p=1.25pa），按照规范要求，管道外壁也要施加荷载。

（3）给钢筋施加预应力[2]：

方法一：给钢筋施加初始应变，首先确定要施加的预应力大小，按照计算得到预应力钢筋的

初始应变，本文中ε=0.00625.

方法二：降温法，即给钢筋施加等效温度荷载，,弹性模量E=2.0×MPa，线胀系数

,。

图1-1 混凝土模型图

图1-2 箍筋和纵筋的配置图

图2-1 施加约束条件后的模型

图2-3 施加荷载显示钢筋单元的剖面图（右端）3、计算结果及后处理

（1）变形分析

图3-1 预应力混凝土整体模型的变形图

图3-2 预应力钢筋整体变形图

图3-3 径向（x方向）位移云图图3-4 周向（y方向）位移云图

图3-5 轴向（z方向）位移云图

（2）应力分析

图3-6 径向（x）应力云图图3-7 周向（y）应力云图

图3-8 轴向（z）应力云图图3-9 第一主应力

图3-10 Misesy应力云图

4、结果分析：由图3-3至3-5可知径向最大位移为：0.199mm；周向最大位移为：0.11mm纵向最大位移：0.166mm.均符合要求，不会出现较大变形。由图3-6至3-10可知，最大径向应力为：9.93Mpa 最大周向应力：9.02Mpa，最大轴向方向应力：-5.93Mpa，第一主应力最大为：9.93Mpa，而且出现最大应力的区域均很小。给排水管道要求不能出现裂缝，因此本文的设计中要求不出现拉应力，因此我们关心的是周向的应力状况，由图3-7周向应力图我们可以看到，除小部分出现应力集中，管道绝大部分受压，所以满足设计要求。

3.小结与展望

在本次的学习和探索中，尤其是在钢筋混凝土建模的过程中遇到了很多困难，通过查阅资料和请教同学我初步掌握了钢筋混凝土结构的建模和计算的基本思路，预应力的施加方法（计算中采用了初始应变法和等效温度法进行比较，结果一致），荷载和约束的施加方法以及计算结果的分析处理。在PRC管道分析中，混凝土和钢筋均处在弹性阶段，因此，还没有对PRC管道进行非线性分析。今后可以对该管道进行非线性分析并与线性分析进行比较。

一些事实也证明，混凝土管抗外压性能好(是化学建材管材无法相比的)，维修费用少，使用寿命长，最少能使用50年。所以混凝土管道是比较理想的管材。选用钢筋混凝土排水管铺设管道对我国的可持续发展有着重要的意义[4]。

参考文献：

【1】王乃震，混凝土给排水管道及其应用中的问题探究，北京，2005.09

【2】祝效华，余志祥，Ansys高级工程有限元分析，北京，电子工业出版社，2004.10

【3】尚晓江，邱峰，Ansys结构有限元分析方法与范例第二版，北京，中国水利水电出版社，2008

【4】张树凯，选用钢筋混凝土管材铺设排水管道是经济合理的，混凝土世界01期，2009.07

【5】/view/1424807.htm?fr=ala0_1

附录

命令流：

/PREP7

ET,1,SOLID45

ET,2,LINK8

R,1,137.4e-6, ,

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA,EX,1,,4.5e10

MPDATA,PRXY,1,,0.25

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA,EX,2,,2.0e11

MPDATA,PRXY,2,,0.3

!!!!建立模型

CSYS,1

N,1,0.52,0,0,,,,

N,2,0.56,0,0,,,,

N,3,0.6,0,0,,,,

NGEN,2,3,all,,,,18,,1,

NGEN,2,6,all, , , , ,0.05,1,

type,1

e,1,2,5,4,7,8,11,10

e,2,3,6,5,8,9,12,11

ENGEN,40,40,12,all, , , , , , , , ,18, ,

nummrg,all

numcmp,all

ENGEN,4000,100,120,all, , , , , , , , , ,0.05,

nummrg,all

numcmp,all

!!!加箍筋

nsel,s,loc,x,0.56

nsel,r,loc,z,0.25

nplot,1

type,2

e,302,305

*repeat,19,3,3

e,359,302

nsel,all

nsel,s,loc,x,0.56 nsel,r,loc,z,0.55 e,662,665 *repeat,19,3,3

e,719,662

nsel,all nsel,s,loc,x,0.56 nsel,r,loc,z,0.85 e,1022,1025 *repeat,19,3,3 e,1079,1022

allsel,all nsel,s,loc,x,0.56 nsel,r,loc,z,1.15 e,1382,1385 *repeat,19,3,3 e,1439,1382

allsel,all nsel,s,loc,x,0.56 nsel,r,loc,z,1.45 e,1742,1745 *repeat,19,3,3 e,1799,1742

allsel,all nsel,s,loc,x,0.56 nsel,r,loc,z,1.75 e,2102,2105 *repeat,19,3,3 e,2159,2102

allsel,all nsel,s,loc,x,0.56 nsel,r,loc,z,2.05 e,2462,2465 *repeat,19,3,3 e,2519,2462

allsel,all nsel,s,loc,x,0.56 nsel,r,loc,z,2.35 e,2822,2825