拉伸软化条件下钢衬钢筋混凝土管道裂缝生发机理及连续-离散耦合方法研究

Concrete crack width of steel lined reinforced concrete penstock is limited by design standard. Now monitoring data of hydropower project shows that the real situation of penstock is far away from the status of the initial research and design: the largest crack width has already reached 2-7 times of the limited value, and the crack is still growing; reinforcing bar stress is far greater than the calculating value, and some reinforcing bar stress has already reached the yield. So reinforced concrete and plain concrete tensile test will be made to study the effects of reinforcing bar on concrete cracking and concrete softening curve, and a softening constitutive model is proposed to model reinforced concrete structure. Nonlinear fracture mechanics model is introduced to deformable discrete element method for simulating crack of the surrounding concrete, then continuum-discrete coupling analysis method is used to study the failure process of the concrete. Based on study of the crack similar rate of the concrete structure, crack and failure mechanism of steel lined reinforced concrete penstock are revealed by means of large-scale model test, continuum-discrete coupling analysis and prototype monitoring, and crack control theory and methods will be studied. The research results can provide scientific basis for the safety evaluation of steel lined reinforced concrete penstock, and provide theoretical support for the long-term safe operation of the hydropower project penstock.

钢衬钢筋混凝土管道外围混凝土在限制裂缝宽度的条件下带缝工作，是设计允许的。但目前水电站工程实测数据表明实际状况与最初研究和设计的状况相去甚远：最大裂缝宽度已达限制值的2-7倍，且裂缝尚在发展；钢筋应力也远大于计算值，有的钢筋应力已进入屈服。本项目将基于钢筋混凝土和素混凝土试件拉伸试验，揭示钢筋与混凝土的联合受力机理，研究钢筋对混凝土裂缝及应变软化的影响规律，构建适用于钢筋混凝土结构的混凝土拉伸软化本构模型；将非线性断裂力学模型嵌入变形体离散元法，采用弥散裂缝模型实现裂缝发生和扩展的跟踪模拟，开发连续-离散耦合分析系统,实现混凝土破坏全过程仿真模拟；研究确定混凝土结构的裂缝相似率，开展大比尺钢衬钢筋混凝土管道模型试验，结合耦合分析系统和原型观测等，揭示管道混凝土开裂和破坏机理，探索裂缝控制理论和方法。研究成果可为钢衬钢筋混凝土管道的安全评价提供科学依据，为其长期安全运行提供理论支撑。

1）设计并开展配筋混凝土轴向拉伸试验，测定混凝土裂缝宽度及钢筋应力，探索钢筋和混凝土的联合受力机理，研究不同配筋率下钢筋对混凝土裂缝扩展和应变软化的影响规律，构建适用于配筋混凝土结构的混凝土拉伸软化本构模型。.2）基于扩展有限元方法，编制连续-非连续数值计算程序，实现混凝土裂缝产生、扩展到最终断裂破坏的全过程模拟，结合配筋混凝土轴向拉伸试验成果，进行验证；以三峡水电站坝后背管模型试验为对象，计算模拟坝后背管裂缝生发的全过程，通过将模型计算结果与背管模型试验结果对比，研究基于扩展有限元的连续-非连续数值模拟方法的可行性；基于扩展有限元方法，结合某实际工程的钢衬钢筋混凝土压力管道，着重研究压力管道在荷载作用下的承载特性、钢筋应力状态、裂缝生发过程及不同钢材配置方案对裂缝的控制作用等。.3）推导并建立钢筋混凝土裂缝宽度的有限元计算方法；以配筋混凝土轴拉试验成果为基础，将有限元计算所得裂缝宽度值与试验所得裂缝宽度结果对比，验证该计算方法的可行性；结合三峡水电站坝后背管模型试验的成果，进一步验证该计算方法的适用性。.4）设计并开展了混凝土大保护层厚度钢筋混凝土轴向拉伸试验，研究混凝土裂缝生发过程、裂缝宽度与钢筋应力之间的相互关系；将试验结果与规范中钢筋混凝土裂缝宽度计算公式计算结果进行对比，分析裂缝平均间距，裂缝平均宽度和最大裂缝宽度的影响因素，并对规范中裂缝宽度计算公式提出改进建议；运用数值模拟方法，研究管道外围混凝土的开裂过程及管道结构的承载性能，并基于改进后的裂缝宽度计算公式，对钢衬钢筋混凝土压力管道的限裂措施进行研究。.5）设计并开展钢筋钢纤维混凝土轴向拉伸试验，研究掺入钢纤维对钢衬钢筋混凝土管道结构开裂荷载、裂缝的扩展及裂缝宽度的影响以及钢纤维体积率与平均裂缝间距，最大裂缝宽度之间的关系规律，研究掺入钢纤维对钢筋混凝土结构的限裂影响。