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下游坝面钢衬钢筋混凝土管道温度应力试验分析

2016-02-26 05:21:08中国钢材招标网

  下游坝面钢衬钢筋混凝土管道温度应力试验分析吴晓玲(长江勘测规划设计研宄院枢纽处,湖北武汉430010)开裂,及在温度荷载作用下应力和变形情况如何,是这类管道结构中尚未解决的重要问题之一。通过仿真材料模型试验及非线性有限元法,对带裂缝的钢衬钢筋混凝土管道在内外温度差作用下的温度应力及变形进行了研宄,获得了可靠的成果,为管道设计提供了重要依据。

  本文是在武汉水利电力大学马善定教授、熊德炎教授的指导下完成的。

  温度荷载是下游坝面钢衬钢筋混凝土管道的重要荷载之一,在运行中,管体混凝土的温度场在管内水温、管外气温的作用下,形成周而复始的以年为变化周期的准稳定温度场。由于管道在正常运行情况下带有若干条径向裂缝,不足以形成新的温度边界条件,可以认为裂缝的存在并没有改变原来的温度场,但是,裂缝处混凝土变形自由,温度应力得到释放,导致裂缝处钢衬、钢筋的应力重新分布。本文用仿真材料模型试验对该问题做了研究。

  1模型设计及测试方法一般的模型试验是根据相似理论设计模型,使模型与原型保持相似。对于热应力问题,首先需要满足的是在一定的几何比尺和时间比尺下,模型与原型各相应点的温度的比值为一常数。对于下游坝面管,在简谐温度场的作用下,各点的温度均不相同,要想使模型中各点的温度与原型各相应点的温度成同一比例,是很难办到的。因此,本模型将马蹄型的下游坝面管道简化为厚壁圆管模型,既便于模拟温度场及进行量测,也可以近似地得到下游坝面管在温度荷载作用下的应力分布规律,同时也为有限元法计算压力管道的温度应力提供了验证。

  本试验总的方法是用应变片量测测点应变,再用虎克定律推算该点的应力;但由于量测的应变不完全是由于温度产生的,还有温度变化引起的热输出,所以必须先率定应变片的热输出曲线,再由量测的总应变扣除虚应变,以得到真正由温度荷载引起的应变及应力。

  1.1模型结构及测点布置本模型采用厚壁圆筒结构,结构如所示,材料性质如表1所示。为了模拟管道运行期带有多数条径向裂缝的情况,在制作模型时采用分期浇筑的方法,形成两条对称的冷缝,再用千斤顶在管内加载,使冷缝展开,形成预裂缝。测点布置如所示,A-A,B-B为量测断面,在钢衬、钢筋上布置的测点处贴有应变片,焊有热电偶。

  表1材料性质名称直径壁厚型号静弹模/GPa屈服强度抗拉抗压泊松比强度强度泊松比钢衬钢钢筋冷拉退火钢丝混凝土注:为28d实测值;为70d实测值。

  1.2施加温度荷载用9cm厚的泡沫板将圆管两端密封,圆管内放置加热器,加热器由产(watt电炉丝绕在直径为10cm的玻璃棒上制成(如所示)。通电后,加热器的电炉丝发热,管内的温度上升。用XMT-122的数显调节仪来控制模型腔内温度为59Q外壁温度为35内外温差24相当于冬天运行工况的管内外最大温差。

  1.3温度量测采用镍铬一康铜热电偶量测温度,将其测量端焊在钢衬、钢筋的测点处,参比端置入冰瓶中,并通过普通导线接入U59电子电位差计测得电势,查该类热电偶分度号EA2可得测点的温3. 1.4应变量测为了减少虚应变,试验选用型号为BBZ120- 3AA(11/250)的自补偿应变片。因该类应变片也不能做到温度全补偿,所以把热输出曲线法与自补偿温度应变片法组合起来使用,先率定自补偿温度应变片的热输出曲线,再进行应变量测和温度量测,最后按照热输出曲线扣除虚应变,即得真实应变。

  热输出曲线的率定方法是先将应变片、热电偶安装在与构件材料相同的试件上,将试件置于带温度控制器的烘箱内,应变片导线接入电阻应变仪,相应的补偿片放在烘箱外面,要求离烘箱有一定的距离,使此处温度不受烘箱的影响,按半桥接入桥壁,将热电偶参比端置入冰瓶的试管里(冰瓶里是冰水混合物,试管里装有变压器油),再接入U59电子电位差计。

  热输出率定装置见由于热输出有一定的分散度,因此对于钢衬、钢筋2种材料构件均率定了8片应变片的热输出曲线,最后采用平均值作为应变片的热输出曲线,率定成果见。测试时室温分别为24 26°C,粗糙的预裂缝断面不利2测试过程及结果按安装好加温装置,再按与同样的方法安装好测温装置,最后把应变片导线按半桥接法接入YB1A直流电阻应变仪的平衡箱。补偿片仍用热输出曲线率定时用的补偿片。

  用标准水银温度计量测室温为16 C,将应变仪上各测点预调平衡,应变仪初始读数见表2.量测中所示各点的裂缝初始宽度,每测点测量3次,取其平均值作为裂缝初始宽度,见表3.为了使管内外的温差尽可能大,本试验控制管内周温度为59通过反复设定数显调节仪的上、。下限,得出在上限为80下限为78 C时,待温度于裂缝宽度的量测鉴盂擂的经验在测点处缝面表2应变测量成果及应力成果初始测点号应变最后应变/106总应变/106温度厂C热输出真实应变/106应力/MPa一5表3裂缝宽度测量成果测点初始缝宽最后缝宽裂缝变化号1次2次3次平均1次2次3次平均宽度场稳定后,钢衬内周温度可在59 C左右,管外壁温度为35C左右。温度场稳定后测应变,将结果填入表2.由U59电子电位差计将测得的热电势换算成温度(见)。用读数显微镜量测裂缝宽度,每点测量3次,结果填入表3.将各测点温度填入表2并由之真得热输i,。

  出,填入表2把最后应变减去初始应变和热输出即得各测点的真实应变,再根据虎克定理算得测点处应力,由表1知钢衬弹模E= 206.1GPa,将应力绘成。

  3成果分析及讨论3.1钢衬、钢筋应力钢衬、钢筋应力测量成果如所示,图中A-A,B-B断面分别为中的相应断面。A-A断面与B-B断面的测量成果重复性较好,说明成果是可信的。从图中可以看出:钢衬、钢筋混凝土管道在内周温度高、外周温度低的情况下,钢衬和内筋均承受压力,外筋承受拉力。钢衬受力相当均匀,预裂缝断面钢衬受力略大于顶部未裂的断面。在预裂缝位置,外筋承受相当大的拉应力,达89.2远大于无裂缝的顶部断面拉应力0.6~0.8MPa. 3.2裂缝宽度裂缝宽度在试验前后变化微小,内周混凝土裂缝的宽度无法量测,外表面裂缝宽度的量测成果如表3所示,分析表3中的数据,仅一个测点裂缝变窄,其余测点裂缝均张开,裂缝宽度变化很小。

  3.3与有限元分析结果的比较笔者在用仿真材料模型试验研究下游坝面管温度荷载的同时,还用温度应力初应变法对此模型进行了平面非线性有限元分析,在编制的程序中,将钢衬和钢筋离散成杆单元,混凝土离散成三角形单元,用两个相互垂直的弹簧构成的单元来模拟钢衬与混凝土及钢筋与混凝土之间的联结。在模型预裂缝位置,混凝土采用分离式模型,在其余位置均采用开裂后降低弹模的涂抹性模型。

  计算时材料参数:钢衬和钢筋弹模为206.1GPa屈服强度为240MPa,混凝土实际抗压强度采用33.5MPa极限拉应变取100X10一6.管内温度腰部有2条预裂缝,缝宽为零。计算成果说明:内周裂缝宽度压缩了0.005mm,外周裂缝开展了0.036mm.应力分布见。

  较,应力分布规律相同,钢衬应力吻合较好;裂缝宽度的计算值大于实际值,但是数值都很小。

  3.4试验改进模型采用分期浇筑形成预冷缝,再用千斤顶把冷缝张开形成预裂缝,操作麻烦,裂缝缝面粗糙,不利于裂缝宽度的量测,所以,最好的办法是在希望形成裂缝的断面处插一块很薄的铁片,待混凝土初凝后拔出即可。

  由表3知道裂缝量测的误差较大,这与圆形的量测断面有关,只有大模型尺寸,才能减少误差。

  4结语下游坝面钢衬钢筋混凝土压力管道在设计工况下允许管壁混凝土开裂,对混凝土开裂后,温度场引起钢材应力和裂缝宽度的变化,获得了可靠的成果。

  试验结果说明:仿真材料结构模型试验是解决这类管道温度应力及变形的有效、可靠的方法。施加温度荷载形成温度场的方法及量测温度场的手段是可靠的,可直接应用到仿真温度应力模型试验中。

  虽然管壁混凝土开裂,但由于钢衬及钢筋的存在,温度场对管道全圆周钢材均引起应力,混凝土未开裂处钢材应力变化不大,裂缝断面是管道设计的控制断面,温度场引起的钢衬应力及裂缝宽度变化将与其他荷载引起的应力及裂缝宽度叠加,必须在设计中加以考虑。

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