预应力钢筒混凝土管(PCCP)设计方法探讨.pdf
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1、水利水电技术? 第 36卷? 2005年第 4期 W ater R esources and Hydropower Engineering Vol. 36 N o. 4 预应力钢筒混凝土管 ( PCCP)设计方法探讨 张社荣 1, 张彩秀1, 顾 ? 辉2 ( 1 . 天津大学 建筑工程学院,天津 ? 300072 ; 2 . 水利部 河北水利水电勘测设计研究院, 天津?300250) ?摘 ? 要 ? 预应力钢筒混凝土管 ( PCCP)在输水过程中承受外荷载, 在应力场作用下产生裂缝, 影响结 构的稳定性. 根据美国规范 AWWA C301 、 AWWA C304中的极限状态设计方法设计预应
2、力钢筒混凝土 管, 对所设计的 PCCP管进行有限元模拟, 分析了 PCCP管应力应变以及破坏机理, 并比较了规范法和有 限元法的计算结果. 为预应力钢筒混凝土管的设计提供计算分析参考. ?关键词 ? 预应力钢筒混凝土管; 极限状态设计方法;有限元 中图分类号:TU528?73? ? ? ? 文献标识码:B? ? ? ? 文章编号:1000?0860( 2005) 04?0053?03 Discussion on design of pre?stressed steel cylindrical concrete pipe (PCCP) ZHANG She?rong 1, ZHANG Cai?
3、xiu 1, GU Hui 2 ( 1?SchoolofCivilEngineering , T ianjin University , T ianjin?300072,China ;2?HebeiResearch Institute of Investigation and Design ofW ater Conservancy andHydropower , T ianjin? 300250, China) Abstract :The pre?stressed steel cylindrical concrete pipe ( PCCP) endures exterior loads du
4、ring transferring water ,so itmay crack under the effects from the stress field possibly , whichwillhave an i mpacton the structure of the pipe . The design of a pre ? stressed steelcylindrical concrete pipe is discussed in accordance with the designmethod based on the li m ited condition from the s
5、tandards ofAWWA C301 andAWWA C304 fro m the AmericanW aterW orksA ssociation herein, and then the designed pipe is modeled with themethod of the finite element analysis,inwhich both the stress?strain status and the destructivemechanism of the pipe are analyzed and the comparison is made between the
6、calculation results from the method based on the standard and the method of the finite ele ment analysis aswel. l On the whole ,the discussion given herein provides a reference for the calculation and the analysis in the design of the pre?stressed steel cylindrical concrete pipe . K ey words :pre?st
7、ressed steel cylindrical concrete pipe ;li mit design;finite ele ment analysis ? ? ? ? ? 收稿日期:2005?01?12 作者简介: 张社荣 ( 1960!), 男, 教授, 博士. 1? PCCP管设计方法及设计成果 PCCP是一种复合管材, 美国规范 AWWA C301 、 AWWA C304中对 PCCP管的设计方法为极限状态设 计法, 此法主要考虑管壁单位圆环内由内压、 外荷载、 管重和管内水重引起的极限轴力和弯矩, 在具体设计 时, 规定了三种极限状态设计准则: 工作极限状态设计 准则、 弹性极限
8、状态设计准则、 强度极限状态设计准则. 根据极限状态设计方法, 设计直径为 4?0m、 工作 内水压力为 0?6MPa的 PCCP 管, 总的设计思路为: ( 1)假定 PCCP管各组成部分的尺寸, 计算 PCCP外荷 载; ( 2)选择各部分材料的设计参数; ( 3)计算预应力 钢丝的最小面积; ( 4)判断各种荷载组合条件下各个 准则能否满足, 如果能满足计算结束, 否则增大钢丝面 积重新计算, 如果仍不能满足, 则需要重新设定 PCCP 管各部分的尺寸计算. 1?1?PCCP管基本参数 现仅将工作极限状态情况下,管芯内壁出现可见裂 缝准则的简要计算过程介绍如下. 在荷载组合 WT1 (W
9、T1= 静荷载 + 管子自重 + 流体自重 + 工作内压 + 瞬时内压 )条件下,设计一个可承受工作内压 0?6MPa , 管径 4?0m 的 PCCP管. 初选钢筒外径 4?221m, 包括钢 筒厚度在内的管芯总厚度 0?303m; 工作内压 0?6MPa , 53 张社荣,等 预应力钢筒混凝土管 ( PCCP)设计方法探讨 水利水电技术 ? 第 36卷?2005年第 4期 瞬时内压 0?276MPa , 流体自重 12566?37kg /m. 初选薄钢筒的厚度 1?5mm, 容重 78 330 N /m 3, 弹性模量 206 850 MPa ; 初选 内 层管 芯混 凝土 厚度 0?10
10、9m, 弹性应变 128 #10 - 6, 极限拉应变 1408# 10- 6, 容重23230N /m 3, 弹性模量 24 837MPa , 抗压强度设 计值 30?0MPa , 抗拉强度设计值 3?18MPa ; 初选砂 浆保护层包括 钢丝在 内的 厚度 25 mm, 弹性应 变 143# 10 - 6,极限拉应变 1144# 10- 6, 容重 22 430N /m3, 弹性模量 25 268MPa; 初选预应力钢丝的直径 5mm, 容重 78 330N /m 3, 弹性模量 193 050MPa . 1?2? 钢丝最小面积 基于最小钢丝间距的最大的预应力钢丝面积 As m ax= 2
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