预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe)是一种性能优越的新型复合管材,被广泛应用于国内外长距离输水工程中。然而,在服役过程中,PCCP受到腐蚀、氢脆和材料缺陷等因素的影响,管道中的预应力钢丝可能会出现断丝现象,从而造成管道强度降低,严重的会导致管芯混凝土开裂、钢筒破坏,甚至发生爆管事故,给人们的生产生活带来严重影响。本文联合采用现场原型试验和数值模拟分析,重点研究了服役条件下断丝PCCP的承载机理和破坏过程,旨在为在役PCCP的运行管理和结构安全评价提供参考依据。本文主要研究内容包括以下几个方面:(1)对内径为2.8m的埋置式PCCP进行了足尺内压试验,包括完好管道加载试验,管道断丝试验和断丝管道加载试验。主要测试了管芯混凝土、预应力钢丝和保护层砂浆在内水压作用下的应变响应,观察并分析了断丝管道在内水压加载过程中的裂缝分布状态和发展规律,研究了预应力钢丝断裂对管道结构性能的影响,断丝管道的承载机理和破坏过程。(2)基于原型试验中断丝管道实际结构参数,建立了考虑砂浆握裹力的断丝PCCP三维非线性有限元数值模型,对断丝管道内压加载试验进行了数值模拟。通过对比分析ABAQUS软件数值模拟结果与原型管道试验实测数据,验证了断丝PCCP数值模型的合理性。在原型试验的基础上,通过改变数值模型中管道断丝数目和内水压力,进一步研究了断丝对PCCP承载能力的影响。(3)基于Mp CCI平台,联合ABAQUS软件(建立考虑管土相互作用和承插口结构特征的PCCP三维非线性数值模型)和Fluent软件(建立管内流体模型)实现了服役条件下断丝管道的流固耦合数值模拟,并深入研究了不同断丝数目、不同断丝位置及运行水压大小对PCCP力学响应的影响规律。