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研究生： 林鐘輝
Jhang, Lin
論文名稱： 預力鋼襯混凝土管（PCCP）結構分析與評估
Structural Analysis and Evaluation of Pre-stressed Concrete Cylinder Pipe (PCCP)
指導教授： 褚晴暉
Chue, Ching-Hwei
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 機械工程學系碩士在職專班
Department of Mechanical Engineering (on the job class)
論文出版年： 2008
畢業學年度： 96
語文別： 中文
論文頁數： 66
中文關鍵詞： pccp結構分析
外文關鍵詞： PCCP Structural Analysis
相關次數： 點閱：89  下載：1 
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    • 本文針對預力鋼襯混凝土管(Pre-stressed Concrete Cylinder Pipes, PCCP)管材相關結構，以有限元素套裝軟體ANSYS完成數值結構分析，以補一般結構計算公式之不足。
    預力鋼襯混凝土管(PCCP) 由幾種材料所組成，即以內外兩層混凝土抗外壓，以鋼襯管止水，以預力鋼線纏繞混凝土管體產生環向壓縮應力抵抗內壓。其中所有數值計算資料乃參考「南化水庫與高屏溪攔河堰聯通管路安全檢查工作計畫案」。
    文中以二項有限元素模型來評估結構安全性能，模型1是PCCP管材在正常狀態下之結構分析，模型2是討論PCCP管材發生預力鋼線斷線時之殘留強度相關分析。在這二項有限元素模型所用的設計參數資料包含鋼線線徑、線距及管內水壓，設計必要條件是混凝土最大環向應力須小於其抗拉強度，預力鋼線軸向應力須小於其降伏強度。本文研究數值分析結果，期能提供PCCP管材之設計規範。

    This paper performs the numerical structure analysis on the Pre-stressed Concrete Cylinder Pipes (PCCPs) by employing the finite element package ANSYS. The methodology developed here can be used to improve the conventional structure calculation.
    PCCPs are manufactured by composing several material. Two inner concrete layers are used to resist internal pressure. A thin steel tube between the layers is designed for water proofing. A steel wire is wound and pre-stressed on the outside concrete layer such that the inner layers are subjected to compressive hoop stress and can sustain more internal pressure. All input data used in the numerical calculations are obtained form “Nanhua Reservoir and Gaoping River Dam Linking Pipeline Safety Inspection Project”.
    Two finite element models have been adopted to evaluate the safety of integrity structure. Model 1 is that the PCCP is under normal service condition. Model 2 is used to discuss the residual strength of PCCP when the steel wires have been broken. Several design factors such as the steel wire diameter, wire pitch, and the magnitude of the internal pressure are considered in these two models. The design criteria are based on the requirements that the hoop stress in the concrete layer should be smaller than its tensile strength and the axial stress in the wire should be kept within its yield strength. The numerical results provide useful information to the PCCP design.

    目錄 摘要………………….…………….……………………..………Ⅰ 英文摘要……………...…………….…………………..………..Ⅱ 誌謝…………………….……….…………………..…..………..Ⅲ 目錄…………………………………………………...……….....Ⅳ 表目錄…………………………………………………..………..Ⅶ 圖目錄…..……….………………………….…………..…….….Ⅷ 符號說明……….………………………………..……….....….. ⅩⅠⅠ 第一章 緒論…………………………………………………….. 1 1.1 前言……………………………………………..…… 1 1.2 文獻回顧…………………………..………………… 2 1.3 研究動機與目的………………..…………………… 3 1.4 本文架構…………………………..………………… 4 第二章 預力鋼襯混凝土管(PCCP)介紹……………………….. 5 2.1 PCCP結構及功能說明………….…………………… 5 2.2 PCCP之製程…………………….…………………… 9 2.3 PCCP特性與應用……………………….……...……12 2.4 PCCP管路實例探討………………….….……...……14 第三章 有限元素模型建立…………….…….….…………….. 16 3.1 PCCP之設計條件…………….…….……………….. 16 3.2 使用元素種類……………..……….……………….. 16 3.3 單位系統…………………..…….………………….. 18 3.4 PCCP之材料性質…….……….….………….……….19 3.5 PCCP之邊界條件………….………..……………….20 3.6 結構分析實例….………….……………..………….22 3.7 PCCP管預力鋼線模式與預力施加方法.………..…27 3.7.1 PCCP管預力鋼線簡化模式……………..………27 3.7.2鋼線預力施加方法之探討………..……..………28 第四章 結果與討論……….…………………………………… 33 4.1 實例一：PCCP管材性能正常時之結構分析……...….... 33 4.2 實例二：PCCP管材發生預力鋼線斷線時之結構分析…..38 4.2.1尺寸組合ψ6.5mmxP16mm在不同內壓下之斷線分析..…38 4.2.2 線徑ψ6.5mm在不同內壓及線距下之斷線分析……....40 4.2.3改變鋼線線距(pitch)之斷線分析評估….……..42 4.2.4改變鋼線線徑之斷線分析評估……..….………..55 第五章 結論……………...……………………...……….…… 62 參考文獻………………………………………......….………….65 表目錄 表2.1 PCCP與其它耐高壓管材之比較….……………..…..…..……….. 13 表3.1 PCCP材料參數表………………………..…………….…….……..20 表3.2 PCCP 管材之負載………………………..…………...…..………..21 圖目錄 圖2.1 PCCP 管之剖面結構圖……………………….…………………….6 圖2.2 PCCP 管之工程圖面……………………….……….………...…….6 圖2.3 PCCP 管之工程圖面…………………….……….…...….….……...7 圖2.4 PCCP 管之邊界圖………………………………….…...….….…….7 圖2.5 PCCP 管之施工…………………………………………….…...…...8 圖2.6 PCCP生產流程圖………………………………..…………………10 圖2.7 PCCP廠內製造流程圖……………………………………..………10 圖2.8 PCCP管路吊放安裝流程圖……………………….....….…….……11 圖2.9 管材加預力前、後之比較圖………………………..…….…….…13 圖2.10 南化水庫與高屏溪攔河堰PCCP聯通管路爆管狀況……….…..…15 圖2.11 南化水庫與高屏溪攔河堰PCCP聯通管路爆管管材破壞情形…...15 圖3.1 8節點六面體元素－SOLID45…………..…...…………………...17 圖3.2 4節點板殼結構元素－SHELL6……..………...….………………. 17 圖3.3 2節點3D連桿元素－LINK8…………………..…………………..18 圖3.4 PCCP管材負載分佈………………………...….….……………….21 圖3.5 PCCP管材之土壤支承及邊界…………….…….…….…..……….22 圖3.6 PCCP有限元素模型（1/4模）………….…….…..….…..………23 圖3.7 PCCP網格化模型（全模）…….……………………….…………24 圖3.8 PCCP網格化模型（1/4模）…….…………………….….………24 圖3.9 PCCP網格化模型（局部）…….……………..………...…………25 圖3.10 PCCP鋼線斷線次序圖…….………………..………..……...……26 圖3.11 PCCP鋼線斷線圖（斷5條）…….………..………….…………26 圖3.12 PCCP鋼線斷線圖（斷15條）…….…………….........…………27 圖3.13 PCCP鋼線斷線圖（斷25條）……...……………..….…………27 圖3.14 預力鋼線簡化模式…………………...……..……....…….……….28 圖3.15 預力施加方法（1）…….……...…………….….……...…………30 圖3.16 預力施加方法（2）…….……………...…………...…..…………31 圖3.17 以SOLID45元素來模擬鋼線…….……………………….……….32 圖3.18 以LINK8元素來模擬鋼線…….……………...........……..……….32 圖4.1 有限元素模型…………………………………...……..…………..33 圖4.2 管材結構受力示意圖…………………………………….………..34 圖4.3 ψ6.5xp16-水壓0 kgf/cm2應力分佈圖……..………....………. 35 圖4.4 ψ6.5xp16-水壓7 kgf/cm2應力分佈圖…………….……...……35 圖4.5 ψ6.5xp16-水壓14 kgf/cm2應力分佈圖……….…….…………36 圖4.6 各種線徑-線距尺寸組合應力分析曲線圖……….….……..…….37 圖4.7 斷35根鋼線時混凝土之環向應力…………………..….….…….38 圖4.8 斷27根鋼線時混凝土之環向應力………………..…..………….39 圖4.9 斷9根鋼線時混凝土之環向應力…………………..…………….40 圖4.10 不同內壓-線距尺寸組合時容許斷線數….…………...………….41 圖4.11 不同線距及斷線數下管材最大環向應力分佈圖（ψ5.0mm）…..43 圖4.12 不同線距及斷線數下混凝土最大環向應力（ψ5.0mm）………..44 圖4.13 不同線距及斷線數下預力鋼線最大環向應力（ψ5.0mm）……...44 圖4.14 不同線距及斷線數下管材最大環向應力分佈圖（ψ6.0mm）……46 圖4.15 不同線距及斷線數下混凝土最大環向應力（ψ6.0mm）.............47 圖4.16 不同線距及斷線數下預力鋼線最大環向應力（ψ6.0mm）…..….47 圖4.17 不同線距及斷線數下管材最大環向應力分佈圖（ψ6.5mm）…...49 圖4.18 不同線距及斷線數下混凝土最大環向應力（ψ6.5mm）…....…..50 圖4.19 不同線距及斷線數下預力鋼線最大環向應力（ψ6.5mm）….......50 圖4.20 不同線距及斷線數下管材最大環向應力分佈圖（ψ7.0mm）...…52 圖4.21 不同線距及斷線數下混凝土最大環向應力（ψ7.0mm）…...…...53 圖4.22 不同線距及斷線數下預力鋼線最大環向應力（ψ7.0mm）……...53 圖4.23 不同線徑及斷線數下混凝土最大環向應力（P16mm）………......55 圖4.24 不同線徑及斷線數下預力鋼線最大環向應力（P16mm）…...…...56 圖4.25 不同線徑及斷線數下混凝土最大環向應力（P18mm）……...…...57 圖4.26 不同線徑及斷線數下預力鋼線最大環向應力（P18mm）……….58 圖4.27 不同線徑及斷線數下混凝土最大環向應力（P20mm）………….59 圖4.28 不同線徑及斷線數下預力鋼線最大環向應力（P20mm）……….60 符號說明 σθ 環(周)向應力 σt 抗拉強度 σy 降伏強度 ψ 預力鋼線線徑 P 預力鋼線間距 n 預力鋼線斷線根數 Ur 徑向位移 Uz 軸向位移 X, Y, Z 直角座標系

    參考文獻

    【1】葉清正，「預力鋼襯混凝土管特性與壽命」，國統國際股份有 限公司，高雄，2001。
    【2】葉清正，「美國PCCP歷年使用狀況紀錄」，國統國際股份有限 公司，高雄，2001。
    【3】霍有光，「對沙漠人造海不同意見初步解析」，西北交通大學，西安，2002。
    【4】中國建設報，「PCCP：南水北調首選管道」，北京，2006。
    【5】張樹凱，「預應力鋼筒混凝土管(PCCP)發展回顧與前景展望」，中國混凝土與水泥製品協會，北京，2007。
    【6】中國工程建設標準化協會，給水排水工程埋地管芯纏絲預應力混凝土管和預應力鋼筒混凝土管管道結構設計規程，北京，2003。
    【7】蔡國山，利用田口法于預力鋼襯混凝土管（PCCP）設計參數之分 析，國立屏東科技大學機械工程學系碩士論文，屏東縣，2004。
    【8】必昱公司，「南化水庫與高屏溪攔河堰聯通管路復通水前管線渦電流非破壞特別安全檢查工作」。必昱公司簡報資料，2006。
    【9】台灣省水利技師公會，「南化水庫與高屏溪攔河堰連通管路計畫」第三管段裂管事件破壞原因鑑定報告，經濟部水利署，台中，2004。
    【10】經濟部水利署南區水資源局，管材設計資料，屏東，2002。
    【11】國統公司，「直徑2600 mm鋼襯預力混凝土管結構計算書」。南化水庫與高屏溪攔河堰聯通管路計畫，2002。
    【12】林秋裕，「下水道工程」，國立編譯館，台北，2000。
    【13】葉清正，預力鋼襯混凝土管耐震性探討，國統國際股份有限公司，高雄，2001。
    【14】交通部，「公路橋樑設計規範」，1987。

    下載圖示 校內：立即公開
    校外：2008-07-22公開
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