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預(yù)應(yīng)力玻璃鋼混凝土管脫模起吊過程安全性分析

文檔作者：張小玉，時強，李卓球，陳建中文檔來源：武漢理工大學(xué)理學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月22日
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張小玉，等：預(yù)應(yīng)力玻璃鋼混凝土管脫模起吊過程安全性分析
中圖分類號：TQ171．77 7．77 文獻標(biāo)識碼：A
Fiberglass
技術(shù)研究與應(yīng)用研究
張小玉，時強，李卓球，陳建中
(武漢理工大學(xué)理學(xué)院，武漢430070)
術(shù)
摘要：針對預(yù)應(yīng)力玻璃鋼混凝土管(FPCCP)脫模起吊過程中可能出現(xiàn)的3個問題分別從試驗、理論、有限元計算3個方面進行
了分析研究。結(jié)果表明，有限元計算結(jié)果與理論計算結(jié)果相一致。FPCCP脫模起吊時，A截面的剪切強度、B截面的拉伸強度、
過渡層的粘接剪切強度均有非常高的安全儲備，脫模起吊過程安全。這為后期的研究及大批量生產(chǎn)提供有價值的參考。
關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力玻璃鋼混凝土管；粘接強度；剪切強度；脫模起吊；有限元
Safety Study for FPCCP Demolding Process by Lifting
ZHANG Xiaoyu，SHI Qiang，LI Zhuoqiu，CHEN Jianzhong
(Wuhan University of Technology，Wuhan 430070)
Abstract：Regarding three possible problems in the course of demolding fiberglass prestressed concrete cylinder pipes
(FPCCP)by lifting，the safety of this operation was studied by testing，theoretical calculation and finite element
calculation respectively．The study indicated that the results of finite element calculation and theoretical calculation
were identica1．In the process of lifting，the shear strength of Section A，the tensile strength of Section B and the
bond shear strength of the transition layer all had very high safety reserve SO that a safe process of pipe demolding was
enabled．This provided a valuable reference for futural research an d high volume production of such pipes．
Key words：fiberglass prestressed concrete cylinder pipe；bonding strength；shear strength；remolding by lifting；
finit lement
O 前言
近幾年來，大規(guī)模的輸水工程及城市的排水工
程越來越多，而普通的輸水管道在強度、工藝、防腐
基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金(11102142)
收稿日期：2012—02—14
修回日期：2012—10—25
作者簡介：張小玉，女，1975年生，武漢理工大學(xué)理學(xué)院副教授，
博士。
等方面存在或多或少的缺陷。預(yù)應(yīng)力玻璃鋼混凝土
管(fiberglass prestressed concrete cylinder pipe)，簡稱
FPCCP)是在預(yù)應(yīng)力混凝土管(PCCP)上改良形成的
新型管道材料產(chǎn)品，隸屬于PCCP。 該產(chǎn)品能夠有
效解決上述問題。FPCCP是一個新概念，該管道由
玻璃鋼內(nèi)襯層、玻璃鋼結(jié)構(gòu)層、過渡層、混凝土結(jié)構(gòu)
層、預(yù)應(yīng)力繞絲層、外保護層組成(圖1)。它繼承了
《玻璃纖維)2012年第6期31
趁 塑 窶 e a舳 張小玉，等：預(yù)應(yīng)力玻璃鋼混凝土管脫模起吊過程童全· 坌塹
預(yù)應(yīng)力混凝土管的高強度、高抗?jié)B性和高密封性等
特點，并且具備特有的耐腐蝕性，尤其適用于大13
徑、高工壓和高覆土的工程環(huán)境和管道耐腐蝕的需
求 ]。由于該產(chǎn)品尚處于研制階段，其生產(chǎn)制造過
程中，通過安裝在橡膠圈安置口1處的脫模起吊鋼
環(huán)套將FPCCP以垂直脫模起吊的方式從鋼模中脫
出。這種無內(nèi)膜灌注工藝的關(guān)鍵在于玻璃鋼插口的
強度、玻璃鋼與混凝土之間樹脂砂漿過渡層的粘接
強度。因此，脫模起吊過程中，可能存在如下幾個問
題：(1)截面A的剪切強度。(2)截面B的拉伸強
度。(3)過渡層的粘接、開裂強度。本文主要針對
FPCCP脫模起吊時可能出現(xiàn)的問題從試驗、理論、有
限元3個方面進行了分析研究。
1 試驗
1．1 樹脂砂漿過渡層粘接強度試驗
層
1．1．1 試驗方法
玻璃鋼與混凝土粘接試樣的制作工藝嚴(yán)格按照
FPCCP生產(chǎn)工藝制作。步驟如下：
(i)取尺寸為300 mm×26 mm×3．5 mm的玻
璃鋼板，砂紙打磨，并用丙酮清洗。
(2)篩出粒徑為2～5 mm的碎石，并用自來水
清洗干凈，晾干。
(3)在玻璃鋼板上涂上樹脂，并撒上碎石，固化。
(4)制作混凝土試樣，混凝土配比：水170 ml，
水泥520 g，砂739 g，石頭1 024 g，減水劑1％ ，速凝
劑3％ ，鋼模尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。并
將玻璃鋼板預(yù)埋于混凝土中，固化、脫模、蒸汽養(yǎng)護。
本試驗采用GB／T 1447—2005(纖維增強塑料拉伸
性能試驗方法》口]，在Instron 5882材料試驗機上進行加
載試驗。設(shè)置加載速度為10 mm／min，測試6個試樣。
1．1．2 試驗結(jié)果
試驗過程中，裂紋首先在混凝土上壁面玻璃鋼
板附近產(chǎn)生，然后沿著玻璃鋼板寬度方向向混凝土
兩邊逐漸擴展以至破壞。試驗結(jié)果如表1所示。
表1 過渡層粘接強度試驗結(jié)果
試樣編號玻璃 長度玻璃
／
鋼寬
m ill
度剪力
／
值剪
／rIlIIl K ／ lra
過渡層剪切強度算數(shù)平均值為 ：2．4256 MPa。
剪切強度標(biāo)準(zhǔn)差為：
[(2．5598—2．4256) +(2．1395—2．4256) +(2．5340—2．4256) +(2．4313—2．4256) +(2．4984—2．4256) +(2．3906—2．4256) ]=O．7005
試驗值的一致性比較好，標(biāo)準(zhǔn)差很小。破壞幾
乎全部因混凝土開裂引起，沒有出現(xiàn)玻璃鋼板先壞
或者樹脂完全破壞的情況。試驗結(jié)果表明樹脂砂漿
過渡層粘接強度與混凝土自身強度有很大關(guān)系。混
凝土強度越大，粘接強度則越大。所以適當(dāng)提高混
凝土強度可以提高樹脂砂漿過渡層粘接強度。
《玻璃纖維)2012年第6期32
1．2 插口截面A處玻璃鋼結(jié)構(gòu)層的剪切
強度試驗
玻璃鋼試樣的制作嚴(yán)格按照FPCCP玻璃鋼制
作工藝制作，采用手糊方法，將單向布按同一方向逐
層鋪制并將其中的氣泡用鋁橫紋滾擠出。本試驗采
用GB／T 1450．2—2005《纖維增強塑料沖壓式剪切
張小玉，等：預(yù)應(yīng)力玻璃鋼混凝土管脫模起吊過程安全性分析
強度試驗方法》?，在Instron 5882材料試驗機上進
行剪切試驗。試樣為矩形截面的長方體樣條，試驗
測試13個試樣，試驗結(jié)果如表2所示。
表2 截面A處剪切強度試驗結(jié)果
截面A —A 處剪切強度算數(shù)平均值
為：177．0372 MPa。
剪切強度標(biāo)準(zhǔn)差為：1．5445。試驗結(jié)果具有較
好的一致性，標(biāo)準(zhǔn)差很小。
1．3 插口截面B處玻璃鋼結(jié)構(gòu)層的拉伸
強度試驗
脫模起吊時，玻璃鋼插口處軸力最大，而B截面
橫截面面積最小，所以還需要考慮B截面的拉伸強
度。對于玻璃鋼的拉伸試驗，文中采用參考文獻
的數(shù)據(jù)。參考文獻中試樣采用厚度為0．2 mill的無
堿斜紋玻璃布成型的玻璃鋼試樣，按照GB／T 1447
的方法測試其拉伸強度，試驗結(jié)果為拉伸強
度 6=150 MPa。
2 理論分析
2．1 過渡層剪切應(yīng)力理論計算
對于直徑的D：2 m 的FPCCP，每根管長
L=5 m，插口處為玻璃鋼結(jié)構(gòu)，沒有樹脂砂漿過渡
層，所以每根管道樹脂砂漿過渡層長度L。=4．6 m，
Fiberglass
技術(shù)研究與應(yīng)用研究
每段FPCCP 自重為120．52 kN，則過渡層剪切
力Fs=120．52 kN。
FPCCP過渡層剪切應(yīng)力為：
Fs Fs 120． 52×1000
A 7rDLl 28．888
= 4171．97 Pa=0．00417197 MPa
式中：
f— —過渡層的剪切應(yīng)力，MPa；
F ——過渡層的剪切力，N；
A— —過渡層的受剪面積，m ；
在脫模起吊過程中，對于玻璃鋼結(jié)構(gòu)層，根據(jù)美
國ASME標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)力安全系數(shù)應(yīng)不小于10 。FPC．
CP過渡層的應(yīng)力安全系數(shù)n計算為：
2．4256
n 了
= 581．4 >10
所以，脫模起吊過程中，F(xiàn)PCCP樹脂砂漿過渡層
的剪切強度具有較大的應(yīng)力安全系數(shù)。
2．2 A截面剪切應(yīng)力理論計算
脫模起吊時，將鋼套環(huán)安裝在橡膠圈安置口1
處，這時，截面A—A處的剪切應(yīng)力為：
．
F s Fs 120
． 52 x 1000
A 21『 lC 2 ×3．14×1．0547×0．04
= 4．55×10 Pa
= 0．455 MPa
式中：
f——截面A—A的剪切應(yīng)力，MPa；
F —— 截面A—A的剪切力，N；
A——截面A—A的受剪面積，m ；
R．——A截面處的半徑，1．0547 in；
c— —橡膠圈安置槽口上壁距管端的距離(參
見圖1)，0．04 m。
A截面處的應(yīng)力安全系數(shù)計算為：
177．0372
丁
：389．1>10
所以，脫模起吊過程中，A截面處的剪切強度具
<玻璃纖維)2012年第6期33>10
所以，B截面處的拉伸強度具有較大的安全
系數(shù)。
3 有限元數(shù)值模擬
在實驗、理論分析的基礎(chǔ)上，對直徑2 In，每根長
度5 in的FPCCP脫模起吊過程進行了有限元數(shù)值模
擬，進一步分析FPCCP脫模起吊過程中結(jié)構(gòu)的安
全性。
3．1 有限元模型
FPCCP是一個對稱結(jié)構(gòu)，考慮到計算資源及計
算時間的合理有效性，在環(huán)向，本文取管道的1／8作
為計算模型，在軸向長度上，從插口端部向承口方向
取0．62 m作為計算模型。
在兩個環(huán)向?qū)ΨQ面上施加對稱邊界條件。脫模
起吊荷載施加于插口密封橡膠圈安置口1的上壁
面。為均布荷載，總荷載為FPCCP自重的1／8。為
了約束剛體位移，在遠離插口的混凝土端面上施加
<玻璃纖維)2012年第6期34>10
所以，脫模起吊過程中，F(xiàn)PCCP樹脂砂漿過渡層
的剪切應(yīng)力滿足規(guī)范要求。
- 9950 -50l6 —3．Z。7 7 4850 9783
— 7483 —2550 2383 73l7 12250
圖3 過渡層剪應(yīng)力
A截面剪應(yīng)力計算結(jié)果見圖4，其剪應(yīng)力為
0．5964 MPa。理論計算結(jié)果為0．455 MPa，有限元計
算結(jié)果與理論計算結(jié)果基本一致。文中第二部分玻
璃鋼剪切強度試驗結(jié)果為177．0372 MPa。
f6 177．0372
T
= 296．8>10
B截面正應(yīng)力計算結(jié)果見圖5。計算結(jié)果顯示，
B截面正應(yīng)力最大值為4．79 MPa，玻璃鋼拉伸強度
值取為150 MPa 。
張小玉，等：預(yù)應(yīng)力玻璃鋼混凝土管脫模起吊過程安全性分析
6 150
= 31．31>10
因此，脫模起吊時，截面A、截面B、過渡層均滿
足強度要求，起吊過程安全。
59643 ——329940 ——63448 203045 469538
— 463187 —196694 69799 336291 602784
圖4 A截面剪應(yīng)力
+07一．143E+07 350909 ．213E+07．391E+07
232E+07—53771 ．124E+07．302E+07．479E+07
圖5 B截面正應(yīng)力
4 結(jié)論
FPCCP是新提出的一種改良的輸水管道，本文
針對FPCCP脫模起吊過程中可能出現(xiàn)的3個問題
F{ber
s
技術(shù)研究與應(yīng)用研究
從試驗、理論、有限元3個方面進行了分析計算。結(jié)
果表明，有限元計算結(jié)果與理論計算結(jié)果相一致，
FPCCP脫模起吊時，A截面的剪切強度、B截面的拉
伸強度、過渡層的粘接剪切強度均有非常高的安全
儲備，脫模起吊過程安全。為后期的研究及大批量
生產(chǎn)提供有價值的參考。
參考文獻
[1]張社榮．預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)的設(shè)計、生產(chǎn)、施工及數(shù)
值分析[M]．北京：中國水利電力出版社，2009：1—9．
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藝[P]．中國發(fā)明專利：CN101498390．2009—08—05．
[3]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督
檢驗檢疫總局．GB／T1447—2005纖維增強塑料拉伸性能試驗
方法[s]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005．
[4]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督
檢驗檢疫總局．GB／T1450．2—2005纖維增強塑料沖壓式剪切
強度試驗方法[s]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005．
[5]American National Standard，ASME RTP一1．2005 Reinforced Thermoset
Plastic Corrosion Resistant Equipment[S]，2005．
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《玻璃纖維}2012年第6期35

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