張曉磊，閆國(guó)新，吳海林

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004；2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 100084）

0 引言

鋼襯鋼筋混凝土壓力管道自引入我國(guó)以來已在多座大型水電站工程中得到應(yīng)用［1］。為了充分發(fā)揮鋼材的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的聯(lián)合承載優(yōu)勢(shì)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，允許其外圍混凝土出現(xiàn)裂縫，但對(duì)裂縫寬度有嚴(yán)格的限制。目前，有關(guān)專家通過對(duì)已建水電站工程的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鋼襯鋼筋混凝土壓力管道外圍混凝土最大裂縫寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)計(jì)限值［2］，這將對(duì)壓力管道結(jié)構(gòu)的耐久性和工程壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼襯鋼筋混凝土壓力管道的裂縫問題開展了大量的研究，并取得了一系列有意義的重要成果［3-8］。研究表明，鋼纖維可以提高混凝土的抗裂性能，但鋼纖維易銹蝕的特點(diǎn)同樣會(huì)影響鋼纖維混凝土的耐久性。聚丙烯纖維是一種耐腐蝕性較強(qiáng)的新型增強(qiáng)增韌材料［9］。聚丙烯細(xì)纖維對(duì)混凝土早期塑性收縮裂縫有明顯抑制作用［10-14］。張磊等人通過混凝土環(huán)向約束試驗(yàn)和自由收縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：摻入聚丙烯纖維能明顯減小混凝土裂縫寬度和收縮變形，提高混凝土的抗裂性，特別是對(duì)混凝土早期抗裂性的影響更顯著［15］。Ramakrishnan V對(duì)粗纖維混凝土進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)粗纖維在混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫后能發(fā)揮很大作用，可以大幅提高纖維混凝土峰值后承受荷載的能力［16］。鄧宗才等人研究了摻入粗合成纖維對(duì)混凝土構(gòu)件力學(xué)性能的影響，研究表明，初裂荷載是素混凝土的2～3倍，抗彎韌性優(yōu)于鋼纖維混凝土［17］。大量研究表明，聚丙烯纖維具有良好的阻裂性能。筆者為了研究聚丙烯纖維對(duì)外包混凝土裂縫形態(tài)和鋼材應(yīng)力的影響，試?yán)肁BAQUS軟件對(duì)鋼襯鋼筋聚丙烯纖維混凝土壓力管道進(jìn)行非線性有限元分析，分析鋼襯鋼筋聚丙烯纖維混凝土壓力管道的開裂性能。

1 有限元模型的構(gòu)建

1.1 計(jì)算模型及參數(shù)獲取

本研究以三峽水電站鋼襯鋼筋混凝土壓力管道大比尺模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，以管道斜直段末端為對(duì)象，建立三維有限元模型［18］。模型采用1∶2比例尺，沿軸向管段長(zhǎng)度取0.6m，該斷面設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為1.21 MPa。鋼襯采用厚度為16mm的16Mn鋼板。管道設(shè)置3層環(huán)向鋼筋，從內(nèi)到外依次為：3Φ28、3Φ32、3Φ36。管道和壩體中間設(shè)置1.5cm厚的泡沫塑料。壩體混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C15，外包混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，厚度為1m，聚丙烯纖維摻量方案如表1所示［18］。聚丙烯纖維混凝土的泊松比和彈性模量按現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程中相關(guān)規(guī)定取值。

表1 聚丙烯纖維摻量方案Tab.1Plan of Polypropylene fiber mixing

根據(jù)模型試驗(yàn)資料，建立鋼襯鋼筋聚丙烯纖維混凝土壓力管道的有限元模型，管道和壩體有限元網(wǎng)格劃分如圖1所示，其中，聚丙烯纖維混凝土單元為八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元，鋼襯為四節(jié)點(diǎn)殼單元，鋼筋為兩節(jié)點(diǎn)桿單元，總共剖分6495個(gè)單元。邊界條件及荷載與模型試驗(yàn)一致，模型z軸負(fù)方向端部采用水平約束，底部邊界采用豎向約束。數(shù)值模擬加載過程與模型試驗(yàn)加載過程相同，即以0.20MPa的級(jí)差加載到0.60MPa，然后以0.10MPa的級(jí)差加載至1.10MPa，最后一級(jí)加壓0.11MPa至設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力1.21MPa。

圖1 壩體及管道有限元網(wǎng)格模型Fig.1Finite element mesh model of dam body and pipeline

1.2 聚丙烯纖維混凝土損傷模型

本研究采用混凝土塑性損傷模型，模擬在內(nèi)水壓力作用下鋼襯鋼筋聚丙烯纖維混凝土壓力管道外包混凝土的損傷過程［19］。不同纖維摻量下混凝土的單軸拉伸軟化曲線如圖2所示［20］?；趽p傷理論中有關(guān)能量等效的假設(shè)，結(jié)合試驗(yàn)所得聚丙烯纖維混凝土受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線，計(jì)算聚丙烯纖維混凝土受拉損傷參數(shù)，得到不同摻量下聚丙烯纖維混凝土的受拉損傷參數(shù)與開裂應(yīng)變的關(guān)系，如圖3所示。

圖2 聚丙烯纖維混凝土受拉軟化曲線Fig.2Tensile softening curve of polypropylene fiber reinforced concrete

圖3 聚丙烯纖維混凝土拉伸損傷曲線Fig.3Tensile damage curve of polypropylene fiber reinforced concrete

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 聚丙烯纖維混凝土管道開裂特性分析

為了研究聚丙烯纖維對(duì)壓力管道混凝土裂縫形態(tài)的影響，以聚丙烯纖維3個(gè)等級(jí)（直徑為0.026 mm、0.1mm、0.8mm）、2種摻量（0.9kg／m3、6.0kg／m3）進(jìn)行不同尺度聚丙烯單摻和混雜組合，分析其開裂特性。圖4為管道在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力下的開裂范圍，管道開裂情況統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 壓力管道混凝土開裂情況統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistic of concrete crack of pressure pipeline

由圖4可以看出，鋼襯鋼筋聚丙烯纖維混凝土壓力管道的裂縫基本呈左右對(duì)稱分布，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，管道裂縫分布越來越稀疏。普通混凝土壓力管道開裂荷載為0.638MPa，在兩側(cè)管腰處首先出現(xiàn)裂縫，并且很快發(fā)展成為貫穿裂縫。摻入0.026mm聚丙烯細(xì)纖維時(shí)，管道開裂荷載為0.650 MPa，與普通混凝土管道相比，開裂荷載提高甚微。摻入0.1mm聚丙烯細(xì)纖維時(shí)，管道開裂荷載為0.690MPa，比普通混凝土管道的開裂荷載提高9.5%，阻裂效果優(yōu)于0.026mm聚丙烯纖維。聚丙烯粗纖維和一種聚丙烯細(xì)纖維混摻時(shí)，管道的開裂荷載為0.713～0.778MPa，與普通混凝土管道相比，開裂荷載提高了11.7%～21.9%，阻裂效果較好。摻入聚丙烯粗纖維的管道與聚丙烯粗細(xì)纖維混摻管道的開裂荷載為0.787MPa，與普通混凝土相比，開裂荷載提高24.9%，阻裂效果最好。綜上所述，隨著聚丙烯纖維的粒徑增大，阻裂效果也相應(yīng)提高，聚丙烯粗細(xì)纖維混摻管道的阻裂效果最優(yōu)。

圖4 聚丙烯纖維混凝土管道開裂分布圖Fig.4 Cracking of polypropylene fiber reinforced concrete pipeline

由圖4中不同摻量下管道裂縫分布情況可以看出，在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力條件下，摻入0.026mm和摻入0.1 mm聚丙烯細(xì)纖維管道的裂縫分別比普通混凝土管道減少3條和6條。摻入0.8mm聚丙烯粗纖維管道和0.8mm與0.1mm聚丙烯纖維混摻管道的貫穿裂縫比普通混凝土管道都減少了16條，阻裂效果最好。模擬結(jié)果表明：聚丙烯粗纖維和粗細(xì)混雜纖維能抑制壓力管道外包混凝土裂縫的開展，聚丙烯纖維的摻入提高了混凝土抗拉強(qiáng)度，影響了混凝土抗拉破壞過程。文獻(xiàn)［20］研究表明，聚丙烯粗纖維波紋狀的表面使得它與混凝土的黏結(jié)性更好，且聚丙烯粗纖維抗拉強(qiáng)度較聚丙烯細(xì)纖維更高。因此，摻入聚丙烯粗纖維的混凝土抗拉強(qiáng)度高于摻入聚丙烯細(xì)纖維的混凝土抗拉強(qiáng)度。

2.2 聚丙烯纖維混凝土壓力管道鋼材應(yīng)力分析

通過數(shù)值模擬得到了聚丙烯纖維混凝土壓力管道在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓作用下環(huán)向典型斷面的鋼材應(yīng)力。表3～表5為3種典型纖維摻量情況下，管道在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力時(shí)的鋼材應(yīng)力值。從表3～表5可以看出，摻入0.026mm和0.1mm的聚丙烯細(xì)纖維管道鋼材應(yīng)力比普通混凝土壓力管道降低不多，摻入聚丙烯粗纖維管道和粗細(xì)纖維混摻管道能夠有效降低管道鋼材應(yīng)力。以聚丙烯粗纖維管道為例，在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力條件下，鋼襯平均應(yīng)力為70.9MPa，與普通混凝土鋼襯相比，應(yīng)力值減小了34%；中筋的平均應(yīng)力值為52.2MPa，與 普通混凝土鋼筋相比，應(yīng)力減少了31%。

表3 A0壓力管道鋼材應(yīng)力值 單位：MPaTab.3A0steel stress value of pressure pipeline（Unit：MPa）

表4 A3壓力管道鋼材應(yīng)力值 單位：MPaTab.4A3steel stress value of pressure pipeline（Unit：MPa）

表5 A6壓力管道鋼材應(yīng)力值 單位：MPaTab.5A6steel stress value of pressure pipeline（Unit：MPa）

3 結(jié)語(yǔ)

（1）摻入聚丙烯細(xì)纖維對(duì)壓力管道外包混凝土開裂荷載影響甚微，摻入聚丙烯粗纖維或摻入聚丙烯粗細(xì)混合纖維的阻裂效果都較好，與普通混凝土相比，開裂荷載提高了24.9%。

（2）在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓條件下，摻入聚丙烯細(xì)纖維管道的裂縫條數(shù)與普通混凝土管道相比減少3條和6條。摻入聚丙烯粗纖維管道或摻入聚丙烯粗細(xì)混合纖維管道的貫穿裂縫比普通混凝土管道都減少了16條，阻裂效果最好。

（3）聚丙烯纖維可降低管道在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓時(shí)的鋼材應(yīng)力值。摻入聚丙烯粗纖維或聚丙烯粗細(xì)混合纖維對(duì)鋼材應(yīng)力影響最大，鋼襯平均應(yīng)力最大降低了34%。摻入聚丙烯細(xì)纖維對(duì)壓力管道鋼材應(yīng)力影響甚小。