鋼-玄武巖混雜纖維混凝土壓力管道有限元分析

吳海林 陳 剛 劉 杰 周赟弢

(1.三峽大學 水利與環境學院, 湖北 宜昌 443002;2.衢州市柯城區水利局, 浙江 衢州 324000)

鋼襯鋼筋混凝土壓力管道是由鋼襯和外包鋼筋混凝土所構成的聯合受力構件,一般用于水頭較高以及無法在壩內埋管的工程.在相關專家對已建成的水電站工程的調查中發現[1-3],已經運行了多年的壓力管道結構,在其外包混凝土上均出現了不同程度的裂縫,這對壓力管道結構的穩定性和工程壽命造成了嚴重影響.因此,如何控制這些裂縫,從而提高鋼襯鋼筋混凝土壓力管道結構的應用年限,成為研究鋼襯鋼筋混凝土壓力管道結構需要解決的一個關鍵性問題.

國內外學者研究表明[4-6],在混凝土中加入適當的纖維,能夠在一定程度上較大提升混凝土的抗裂性能,而且隨著近些年對纖維混凝土[7-12]及鋼筋混凝土壓力管道不斷深入的研究,相比較單一纖維,發現不同類型纖維的混摻加入,混凝土的性能有了顯著的提升.隨著計算機技術的迅速發展,國內外學者越來越多地將有限元數值分析方法作為對壓力管道研究主要的結構分析手段,對于鋼襯鋼筋混凝土壓力管道的研究[13-16]正處于發展階段,與此同時,對于摻入混雜纖維的混凝土進行的有限元研究依然較少.

因此,本文以三峽水電站鋼襯鋼筋混凝土壓力管道為背景,對摻入鋼-玄武巖混雜纖維的混凝土試件進行試驗及數值模擬研究,建立鋼襯鋼筋混凝土壓力管道三維有限元模型,對普通混凝土壓力管道與鋼-玄武巖混雜纖維混凝土壓力管道進行非線性有限元分析,并結合三峽水電站壓力管道結構的大比尺模型試驗結果[17-18],分析鋼-玄武巖混雜纖維的加入對壓力管道外包混凝土的抗裂性能和鋼材應力的影響.

1 鋼-玄武巖混雜纖維混凝土試件軸向拉伸試驗

1.1 試驗概況

為探究鋼纖維與玄武巖纖維對混凝土基體抗拉峰值強度、峰值應變與彈性模量的影響,進行水電站壩下游面壓力管道三維非線性有限元分析.本次試驗以鋼纖維、玄武巖纖維體積摻量為變量,設計并制作了10組40個不同混雜纖維摻量的標準抗壓立方塊與40個變截面軸向拉伸試件,優化后的試件如圖1所示.

圖1 試件尺寸(單位:mm)

試件成型并在標準養護室養護28 d后,采用位移控制的加載方式,在具有100 k N 加載能力的電子萬能試驗機上開展軸向拉伸試驗,試驗裝置如圖2 所示.

圖2 軸向拉伸試驗裝置

軸向拉伸試驗組數為10組,其中配筋鋼-玄武巖混雜纖維混凝土9組,普通混凝土1組,混凝土強度等級為C25.每組試件個數結合《水工混凝土試驗規程》(SL325—2006)[19],澆筑4個軸向拉伸試件,試驗所得軸向抗拉強度、極限拉伸值、抗拉彈性模量均以4個試件測值的平均值作為試驗結果,若可用測值少于2個時,則重做試驗.具體試驗編組見表1,表中S10代表鋼纖維體積摻量為1%、B05代表玄武巖纖維體積摻量為0.05%、D14 代表鋼筋直徑14 mm,HFRC為混雜纖維混凝土.

表1 SB-HFRC軸向拉伸試件編組

1.2 試驗結果

根據鋼-玄武巖混雜纖維混凝土試件軸拉試驗結果,整理得到試件實測峰值強度、峰值應變及彈性模量結果見表2.

表2 鋼-玄武巖混雜纖維混凝土軸心受拉試驗結果

由表2中數據,計算得到不同摻量下的試件峰值強度與峰值應變平均值,見表3.

表3 不同摻量下的試件峰值強度與峰值應變平均值

纖維的加入同樣會對混凝土抗拉彈性模量產生影響,為進一步探究鋼纖維與玄武巖纖維對其抗拉彈性模量的影響,本文采取控制變量法對數據進行分析,以每組試件的抗拉彈性模量平均值作為分析對象,具體情況見表4.

表4 不同纖維摻量下的試件抗拉彈性模量平均值

根據鋼-玄武巖混雜纖維混凝土試件軸向拉伸試驗結果,可以得到不同摻量條件下混雜纖維混凝土的受拉應力-應變曲線,如圖3所示.

圖3 各組試件受拉應力-應變全曲線

2 有限元模型的建立

2.1 計算模型及參數獲取

原武漢水利電力大學以三峽水電站下游壩面壓力管道斜直段末端斷面為原型(其斷面示意圖如圖4所示),進行了室內大比尺模型試驗,對設計內水壓力下鋼襯鋼筋混凝土應力分布情況、外包混凝土初裂位置、初裂荷載、裂縫發展特征及裂縫寬度等做了詳細的研究[17-18].

圖4 管道平直段斷面圖(單位:mm)

模型采用1∶2大比尺,沿軸向管段長度為0.6 m,為了更加精確地模擬原型受力情況,模型鋼襯和配筋率與原型保持一致,鋼襯采用16Mn 鋼板,厚度為16 mm,管道內層配置3 根直徑為28 mm 的環向鋼筋,中層配置3根直徑為32 mm 的環向鋼筋,外層配置3根直徑為36 mm 的環向鋼筋.配筋時中層鋼筋靠近外層鋼筋布置,且內層、中層、外層鋼筋沿管軸線的布置間距與原型一致;壩體和管道中間設置厚度為15 mm 的PS泡沫塑料;模型壩體混凝土強度等級為C15,管道外包混凝土強度等級為C25,厚度為1 m.

本文以管道斜直段末端模型試驗為對象建立三維有限元模型,分別進行普通混凝土壓力管道以及鋼-玄武巖混雜纖維混凝土壓力管道非線性有限元分析,探究混雜纖維的加入對管道承載特性的影響.

2.2 材料參數

有限元計算中,各項材料力學性能參數的選取見表5,其中管道外包混雜纖維混凝土的相關參數依據前述試驗中鋼纖維2.0%,玄武巖纖維0.1%摻量組合下的試驗結果進行取值.

表5 材料參數

圖5為壓力管道有限元網格模型,整個模型剖分單元6 495個,本次數值模擬在壩體沿管軸線兩側施加沿Z方向的水平約束,模型底部施加沿Y向的豎向約束.數值模擬荷載加載初期以0.2 MPa的級差加載到0.6 MPa,再改為以0.1 MPa的級差加載,直到設計內水壓力1.21 MPa,最后施加一次校核內水壓力1.27 MPa,加載過程與模型試驗保持一致.

圖5 壓力管道有限元網格模型

根據上述鋼-玄武巖混雜纖維混凝土試件軸向拉伸的試驗結果,并參照《混凝土結構設計規范(GB50010—2010)》[20],有限元計算中采用的混雜纖維混凝土受拉軟化及拉伸損傷曲線如圖6所示.

3 數值模擬及結果分析

3.1 鋼-玄武巖混雜纖維對管道初裂荷載及裂縫擴展分析

在模型試驗中,當管道內水壓力達到0.70 MPa時,管道外包混凝土在管腰處就會產生裂縫,伴隨著內水壓力的上升,該處裂縫迅速擴展并形成貫穿裂縫.當試驗繼續推進,外包混凝土其它位置也開始產生裂縫,在達到設計內水壓力時,外包混凝土一共形成了20條貫穿裂縫,外包混凝土開裂最終結果如圖7所示.

圖7 模型試驗管道外包混凝土開裂圖

在普通混凝土壓力管道與混雜纖維混凝土壓力管道非線性有限元分析中,當混凝土受拉塑性損傷因子達到0.5即可認為混凝土單元失效,混凝土出現宏觀裂縫[21].從普通混凝土壓力管道非線性有限元分析結果可以看出,當內水壓力達到0.61 MPa時,在管腰處出現了裂縫,此時裂縫并未貫穿外包混凝土,但隨著內水壓力的增加,該處裂縫迅速擴展并形成貫穿裂縫.縱觀整個加載過程,不難發現裂縫的產生與擴展呈現出對稱分布的規律,當內水壓力增大到1.21 MPa時,管道外包混凝土共形成了39條裂縫,其中29條貫穿裂縫,其開裂結果如圖8所示.將普通混凝土壓力管道有限元模擬結果與模型試驗相對比可以發現,兩者外包混凝土初裂荷載、裂縫擴展規律與最終裂縫數量都比較相似.

圖8 普通混凝土壓力管道開裂圖

在鋼-玄武巖混雜纖維混凝土壓力管道非線性有限元分析中,當內水壓力達1.06 MPa時,在管腰處萌生了裂縫,但此時初裂荷載相較于普通混凝土壓力管道有了較大的提升,而隨著內水壓力的增加,可以發現混雜纖維混凝土壓力管道整體裂縫擴展速度明顯慢于普通混凝土壓力管道,當內水壓力增加到1.21 MPa時,管道外包鋼-玄武巖混雜纖維混凝土共形成對稱分布的18條裂縫,其中13條貫穿裂縫,其開裂結果如圖9所示.相比于普通混凝土壓力管道,鋼-玄武巖混雜纖維混凝土壓力管道初裂荷載有較大提升,且在設計內水壓力時產生的裂縫明顯少于普通混凝土壓力管道,還能發現普通混凝土壓力管道管腰以下部分存在少量裂縫,但鋼-玄武巖混雜纖維混凝土壓力管道管腰以下部分并無裂縫產生.

圖9 混雜纖維混凝土壓力管道開裂圖

從模擬結果可以看出,無論是普通混凝土壓力管道還是鋼-玄武巖混雜纖維混凝土壓力管道,其易裂位置均位于管腰.但鋼-玄武巖混雜纖維的加入,明顯提升了混凝土壓力管道的開裂荷載,并且有效延緩了混凝土裂縫的擴展,在設計內水壓力下,混雜纖維混凝土裂縫條數明顯少于普通混凝土,這說明混雜纖維的加入提升了壓力管道的抗裂性能.

3.2 鋼-玄武巖混雜纖維對管道裂縫寬度的影響

鋼襯鋼筋混凝土壓力管道是允許帶縫工作的,但是過寬的裂縫寬度影響著管道的安全運行.本次采用《水工混凝土結構設計規范》(DL/T5070—2009)[22]中最大裂縫寬度計算公式對普通混凝土壓力管道與鋼-玄武巖混雜纖維混凝土壓力管道開裂處裂縫寬度進行計算,探究混雜纖維的摻入對裂縫寬度的影響.

對普通混凝土壓力管道與鋼-玄武巖混雜纖維混凝土壓力管道進行設計內水壓力條件下管道外表面各特征點裂縫寬度值計算,結果統計見表6.

表6 混凝土壓力管道外表面裂縫寬度值 (單位:mm)

從表6可以看出,在設計內水壓力下,普通混凝土壓力管道裂縫最大處位于管腰位置,且最大裂縫寬度為0.184 mm,混雜纖維混凝土壓力管道裂縫最大處也位于管腰位置,但最大裂縫寬度僅為0.034 mm,混雜纖維的摻入明顯減小了裂縫的寬度,壓力管道限裂能力得到顯著提升.

3.3 鋼-玄武巖混雜纖維混凝土壓力管道鋼材應力分析

原武漢水利電力大學所做的模型試驗中[18],當內水壓力達到1.21 MPa時,壓力管道模型外包混凝土已出現裂縫,從鋼材應力大小可以看出,裂縫處鋼材應力明顯大于外包混凝土未開裂處應力,說明開裂處外包混凝土承載能力降低,鋼材發揮其良好的承載能力,也是鋼材與外包混凝土聯合承載內水壓力的體現.進一步觀察可以發現鋼材應力最大處位于管頂,應力最小處位于管底,總體看來,管道上半部分鋼材應力大小要明顯大于下半部分.

通過數值模擬計算,得到了普通混凝土壓力管道與鋼-玄武巖混雜纖維混凝土壓力管道,在設計內水壓力下不同特征點處的管道鋼材應力值,其對應的應力云圖如圖10所示.

圖10 普通混凝土和混雜纖維混凝土鋼襯及鋼筋應力云圖

從圖10可以看出,普通混凝土壓力管道鋼襯應力范圍在41.07～129.00 MPa之間,與模型試驗的鋼襯應力值較為接近,管腰以上部分的應力呈現增長趨勢,管腰以下部分應力呈現下降的趨勢,其應力大小基本對稱分布.內筋應力分布情況與鋼襯應力分布規律一致,而中筋與外筋則表現出管腰處應力最大,且應力隨著管腰兩側逐漸減小的情況,但管頂處應力仍然大于管底應力;鋼-玄武巖混雜纖維混凝土壓力管道鋼襯應力范圍為16.97～61.36 MPa之間,明顯低于普通混凝土壓力管道鋼襯所承受的應力,應力分布情況呈現出與普通混凝土試件一致的情況.

通過上述分析,鋼材應力分析呈現對稱分布的規律,因此本文只需選取鋼材上下兩部分幾個典型斷面(試驗模型開裂后0°、45°、90°、180°、225°、270°處的斷面)的應力大小作為分析對象,即可較好地反映出鋼材受力情況.將計算結果中所選取的典型斷面應力大小提取后繪制折線圖,進一步分析混雜纖維的摻入對于鋼材應力大小的影響.具體情況如圖11所示,其中PC代表普通混凝土,HRFC代表鋼-玄武巖混雜纖維混凝土.

圖11 普通混凝土和混雜纖維混凝土典型斷面鋼材應力圖

從圖11可以看出,鋼襯與內筋呈現出相同的應力規律關系,其應力最大值均出現在管頂,中筋與外筋呈現相同的應力關系,應力最大值均出現在管腰.鋼-玄武巖混雜纖維混凝土壓力管道在設計內水壓力下的鋼材應力明顯小于普通混凝土壓力管道,其最大值與最小值相差較小,整體受力更加均勻.這是由于在混凝土基體中摻入玄武巖纖維后,基體內亂向分布的玄武巖纖維間形成了致密的三維玄武巖纖維網絡,纖維良好的發揮其橋接作用,減少了管道應力集中問題,從而出現了混雜纖維混凝土壓力管道在設計內水壓力下鋼材應力低于普通混凝土且受力更加均勻的現象.綜上所述,鋼纖維與玄武巖纖維的加入能夠有效的降低鋼材應力,且使得鋼材受力均勻.

4 結 論

1)在設計內水壓力下,普通混凝土壓力管道與鋼-玄武巖混雜纖維混凝土壓力管道鋼襯與內筋的應力最大值均出現在管頂,中筋與外筋應力最大值均出現在管腰.整體來看混雜纖維混凝土壓力管道在設計內水壓力下作用的鋼材應力明顯小于普通混凝土壓力管道,且整體受力更加均勻.

2)無論是普通混凝土壓力管道還是混雜纖維混凝土壓力管道,其易裂位置均位于管腰,普通混凝土壓力管道開裂荷載為0.61 MPa,鋼-玄武巖混雜纖維混凝土壓力管道開裂荷載為1.06 MPa,且在設計內水壓力時,普通混凝土壓力管道產生了29條貫穿裂縫,鋼-玄武巖混雜纖維混凝土壓力管道產生了13條貫穿裂縫,混雜纖維的加入提高了壓力管道的開裂荷載,且抑制了裂縫數量的產生.

3)在設計內水壓力下,普通混凝土壓力管道與鋼-玄武巖混雜纖維混凝土壓力管道裂縫最大處均位于兩側管腰處,前者最大裂縫寬度為0.184 mm,后者最大裂縫寬度僅為0.034 mm,混雜纖維的摻入明顯減小了裂縫的寬度,壓力管道抗裂能力得到明顯提升.