近年来,随着预应力钢筒混凝土管(以下简称PCCP)在我国的迅速发展,其已被广泛应用于电力、水利、市政给排水等相关工程领域,尤其是我国近年来的重点工程——南水北调工程。自河南省南水北调中线配套工程开工以来,工程人员发现PCCP管道在生产、搬运、放置以及安装期间,管芯混凝土表面普遍都产生裂缝。本文结合南水北调工程建设中出现的问题,重点对PCCP管道生产工艺中的钢丝缠绕这一工序进行研究,对钢丝缠绕过程中管芯混凝土的应力变化规律以及钢筒螺旋焊缝处搭接台阶应力集中等问题进行有限元分析,研究其对管芯混凝土裂缝形成的影响。本文总结了PCCP在国内外的发展以及有关PCCP管道结构的研究现状和研究方法。根据埋置式PCCP管道的生产工序和特点,结合相关的工程生产数据,利用ANSYS有限元软件,建立了PCCP缠丝过程有限元分析模型,模型中充分考虑了不同材料间的协调工作以及钢筒内螺旋焊缝的搭接台阶,采用等效荷载法进行预应力的施加,并将整个缠丝过程分解为七个不同的工况(即缠丝位置达到1m、2m、3m、4m、5m、6m以及缠丝完成水平放置时)进行计算。根据计算结果分析得到以下结论:(1)在缠丝过程中钢筒螺旋焊缝会引起管芯混凝土的应力集中,当搭接台阶为1.5mm时应力集中系数为1.39,当搭接台阶为2.0mm时应力集中系数为1.50;(2)在整个缠丝过程中内外层管芯混凝土均会产生径向拉应力、环向拉应力及轴向拉应力,其中轴向拉应力对管芯裂缝的影响最大,且内层混凝土较外层混凝土更易产生裂缝;(3)对于内层混凝土来说,钢丝缠绕至管道的上半段时产生的轴向拉应力最大。缠丝过程中最大轴向拉应力总是发生在缠丝处的后方0.4m范围内的焊缝处;(4)内外层混凝土环向应力的变化趋势基本一致,主要表现为压应力,因此缠丝过程不会引起纵向裂缝的产生;(5)缠丝完成后,管道在竖直放置和水平放置状态下,内外层混凝土的各个拉应力都很小,不会引起纵向裂缝和环向裂缝。由此可见,钢丝的预应力只有在缠丝进行的过程中才可能导致内层混凝土环向裂缝的产生,当缠丝完成后,预应力的作用不会导致裂缝的产生。因此,在生产过程中,为了减小预应力引起的裂缝的产生,应该更注重缠丝过程中混凝土轴向拉应力的控制。