多基复合管双基界面适配层与结构分析的研究

摘要

预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，简称PCCP）与玻璃钢（Fiber Reinforced Plastics，简称FRP）夹砂管等是目前引水与给排水等工程应用的主要管材。这两类管道有各自的优点，但也存在缺点。为了克服它们的缺陷，并保留各自的优点，本课题在国家863计划《多基结构材料复合技术及在高压管制造中的应用》（2013AA031306）项目资助下，开展关于多基复合管道的相关研究。本文针对多基复合管道在前期研究中所出现的关键性问题，开展了关于FRP-混凝土复合材料的双基界面适配层的研究，通过大量实验，对其界面适配层的组成、结构与性能进行了分析；其次，通过有限元等计算分析方法，对多基复合管的埋地服役行为进行了分析计算，对管道制备脱模起吊进行了模拟分析。
　　本研究主要内容包括：⑴通过大量的FRP与混凝土双基界面的剥离实验与剪切试验，获得了在界面适配层制作中关键性的工艺参数。实验发现通过改变或选择合适石英颗粒的粒径，可使界面适配层上的水泥基握裹粘接力与树脂基粘接力发生变化，为获得高剥离强度与高剪切强度的双基界面设计工艺参数提供了依据，对改善或调控管道接口双基界面的剥离强度、剪切强度可提供有益的指导。⑵基于Spangler理论，简化了管-土间复杂的相互作用，并应用于有限元建模中的全局寻优迭代算法，获得了最大土压的量化参数；提出了基于Spangler理论的有限元迭代分析的途径并实现计算程序，针对具有柔性管特征的聚乙烯醇纤维延性混凝土多基复合管，完成了三维结构性能分析，可考虑不同地基差异引起的管道沉降，简化了埋地管线的三维结构复杂计算，可应用于长距离埋地管道和管件的工程计算与设计，并可推广到具有刚性管特征的多基复合管的变形分析。⑶针对多基复合管制备脱模起吊过程中面临的关键力学问题进行了计算模拟。基于现有多基复合管插口处的环向缠绕工艺，提出了增加玻纤增强织物的铺层方案，能有效提高管接头抗吊装的轴向拉伸强度及其插口的剪切强度，验证了插口界面适配层铺设粗粒径石英颗粒制作工艺参数的合理性，具有实用价值。⑷针对多基复合管在埋地服役中接头偏转工况，采用接触单元、橡胶超弹单元、界面单元，并考虑预应力等影响因素构建了多基复合管接头的三维有限元分析模型，重点对插口处界面适配层的工艺参数优化，多基复合管预应力作用影响进行了深入系统地数值模拟，成果对工程应用有指导意义。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 本文研究的内容

第二章 FRP与混凝土间的双基界面实验分析及其设计

2.1 概述

2.2 试样制作及实验方法

2.3 双基复合材料界面适配层剥离性能实验研究

2.4 双基复合材料界面适配层剪切性能研究

2.5 本章小结

第三章 不均匀沉降时管道的结构分析

3.1 概述

3.2 分析理论和方法

3.3 实例与分析

3.4 本章小结

第四章 多基复合管插口吊装数值分析

4.1 概述

4.2 多基复合管制备脱模起吊过程中插口处应力分布的数值模拟

4.3 多基复合管制备脱模起吊过程中界面适配层应力分布的

4.4 多基复合管制备脱模起吊过程中 FRP 内筒层安全性数

4.5 本章小结

第五章 预应力多基复合管接头偏转数值分析及结构设计

5.1 概述

5.2 有限元模型的建立

5.3 预应力多基复合管接头偏转数值分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文及研究成果

致谢