预应力混凝土管受力分析与施工方法

摘 要：本文采用ANSYS有限元软件开展了预应力混凝土管的仿真分析，模拟在实际工作过程中受到的内外压力，得到建筑管道结构的变形和应力分布规律，对管道的力学性能有了很大的了解，同时对预制和现场施工过程给予了详细介绍，本文的分析、设计和施工三个方面可为同类建筑管道结构的设计和施工提供安全可靠的参考。 　　关键词：预应力 ANSYS 内外压 混凝土管 　　一、前言 　　建筑是一个有机的整体，从设计的角度包括建筑设计、结构设计、给排水设计和电设计四部分。建筑设计表现建筑的风格，结构是实现建筑的龙骨，而给排水和电是建筑正常运转的必须环节。建筑排水管道的合理设计是保证整个建筑运行的关键。管道预制和现场施工过程至关重要，需要高级技术人员准确操作和监理人员的严格把关。目前建筑给排水常用的为普通混凝土管道，壁厚较厚，钢筋布置较多，造成整体造价过高，而预应力混凝土管[1]充分利用预应力效应，延缓裂缝的开展，减小管道的整体横向变形，本文从施工角度出发，采用ANSYS[2]有限元软件开展了预应力混凝土管的仿真分析，模拟在实际工作过程中受到的内外压力，得到建筑管道结构的变形和应力分布规律，对管道的力学性能有了很大的了解，同时对预制和现场施工过程给予了详细介绍，本文的分析、设计和施工三个方面可为同类建筑管道结构的设计和施工提供安全可靠的参考。 　　二、计算参数 　　1.参数指标 　　考虑到管道的吊装与运输，同时过长的管道势必将引起过多的预应力损失，因此预制的预应力混凝土排水管道长度取为6m，管道的内外径分别为580mm和700mm，壁厚为120mm。内部流体产生的压力为1×105 N/m2，外压为3×105 N/m2，荷载的作用方向与管道表面垂直。预应力筋采用抗拉强度标准值为1860Mpa的钢绞线，张拉控制应力取为0.75fptk，为较少预应力损失，采用两端张拉，采用单孔夹片锚，采用穿心千斤顶张拉。混凝土强度等级取为C30，其弹性模量为2×104MPa，泊松比为0.2，箍筋采用HRB335级带肋钢筋，其抗拉强度设计值为300MPa，极限拉应变为0.01。 　　三、有限元模型过程 　　混凝土管采用SOLID45单元模拟，纵向预应力筋和箍筋采用LINK8单元模拟，通过施加初始位移模拟预应力效应，定义单元类型、实例常量和材料属性，采用直接建立节点，形成单元的方式建立有限元模型，通过复制SOLID单元建立管道全部单元，通过建立数组，采用嵌套DO循环[3，4]完成纵筋和箍筋的建模，如图1所示。钢筋单元和混凝土单元共用节点，为简化计算不考虑二者之间的粘结滑移。施加约束，将两端节点位移自由度全部约束，由于管道内液体产生的面压力为1×105N/m2，外表面施加面荷载3×105 N/m2。求解进行结果提取与分析。 　　图1预应力筋和箍筋的分布 　　四、结果分析 　　采用通用后处理可获得在内外面荷载的作用下预应力管的变形和应力分布，X，Y，Z三个方向的变形图上可以看出，三个方向的位移是相同的，Dmax为0.65mm，满足混凝土构件技术规程的要求。仅从变形角度考虑，管的截面还可以减小，但为了张拉预应力筋，实现端部的可靠锚固，故管的壁厚取为120mm。 　　应力总体变化规律是由两端向中间逐渐增大，最大压力为-13.8 Mpa，均小于混凝土抗压设计强度，满足混凝土结构设计规范[1]的要求。二个方向、第一主应力和第三主应力极值如表1所示。 　　表1应力极值的对比 　　从表1可以看出，应力变化均不是很大，均满足要求。 　　五、施工方法 　　预应力混凝土管采用混凝土喷射技术成管，首先将内钢模[5]制作好，水平插入到可滚动的轴上，然后固定，模版可随轴的转动而转动，在内模上设置预应力筋、绑扎箍筋，然后将浇筑好的混凝土分层喷射到模版上，直到达到设计厚度为止。喷射混凝土表面光滑，制作比较精密，密实性好，避开了常规混凝土浇筑的方法，从而加快了施工进度。混凝土到达设计强度之后，张拉预应力筋，预制混凝土管时应严格遵循施工工序，施工的好坏直接影响到构件的性能。 　　六、结论 　　本文采用ANSYS有限元软件开展了预应力混凝土管的仿真分析，模拟在实际工作过程中受到的内外压力，得到建筑管道结构的变形和应力分布规律，对管道的力学性能有了很大的了解，同时对预制和现场施工过程给予了详细介绍，本文的分析、设计和施工三个方面可为同类建筑管道结构的设计和施工提供安全可靠的参考。 　　参考文献 　　[1]GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].中国建筑工业出版社，2010. 　　[2] 刘涛，杨凤鹏.精通ANSYS.北京：清华大学出版社，2002. 　　[3] 郝文化.ANSYS土木工程应用实例.北京：中国水利水电出版社，2005. 　　[4] ANSYS土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2005：194—204. 　　[5] GB50023-2003.钢结构设计规范[S].中国建筑工业出版社，2003.