PCCP破坏机理及其加固现状★

吕康伟 鲁文妍 刘海祥 柯敏勇

(1.河海大学力学与材料学院,江苏 南京 210098; 2.南京水利科学研究院,江苏 南京 210024)

预应力钢筒混凝土管(PCCP)是一种由混凝土管芯、钢筒、高强度预应力钢丝和砂浆保护层组成的复合型管材[1]，且被广泛应用于水利、化工、市政等多个领域，由于设计、施工和运行环境等影响，在使用的过程中难以避免出现各类裂缝、断丝等劣化现象，甚至出现爆管。为了延长PCCP管的使用寿命，减少PCCP爆管时造成的人员伤亡和资源浪费，国内外学者针对PCCP管道的破坏机理及其加固技术、加固材料等进行了大量研究。本文通过广泛查阅相关文献，对已有的PCCP破坏机理和加固的研究进行了梳理归纳，为相关研究和安全管理者提供参考。

1 PCCP破坏机理现状

PCCP的破坏形式可归纳为两大类：荷载(外荷载和内水压力)作用下导致裂缝和断丝、其他原因造成钢丝锈蚀导致无法受力。早在20世纪初PCCP就被生产出来，并逐渐开始得到广泛应用，在使用过程中发现了许多问题，促使人们对PCCP的破坏机理展开研究。1990年Tremblay等人对PCCP管道进行了组合承载试验，考察了管段同时承受外部三边荷载和内水压力共同作用下的受载响应问题[2]。2003年Zarghame等对受破坏钢丝的PCCP进行了非线性有限元分析，并分析研究了在各种荷载共同作用在PCCP上时裂缝的响应情况。与现场试验结果进行了对比，以压力与断裂线的数量来表示的方式开发了PCCP风险曲线[3]。2001年Diab等为了对PCCP管制定可靠的修复方法和了解管道的机械性能，对管道的修复进行了数值模拟并提出了建议[4]。2004年GomezR建立了埋地管道的二维和三维有限元模型，模拟出不同的荷载条件和预应力钢丝的分布情况[5]。2005年John H.Bambei对PCCP管断丝进行电磁测试试验，并将测试结果与实际断丝情况相比较，结果表明电磁测试通常可以准确确定PCCP上断丝的轴向位置，但是断丝的数量不太精确[6]。2007年JohnJ.Galleher Jr分析了美国圣地亚哥市PCCP事故的原因，并对运用声光纤(AFO)电缆系统监控PCCP的钢丝的准确性进行了安全评估[7]。2009年Rudy Loera等对PCCP可靠性管理系统进行了研究，分析了断丝、裂缝对PCCP承载力的影响，并指出系统是对预应力钢丝着重监测的[8]。

我国对PCCP的研究和生产起步相对较晚，1996年余洪方等对PCCP裂缝形式和产生机理进行了分析，并在工艺、焊接质量、混凝土改进、钢筒的处理方面上提出了避免裂缝的措施[9]。2005年刘江宁通过对PCCP外荷载和管沟支撑脚的计算分析，得出了通过减小管沟宽度和材料容重，增大管沟支撑角可以显著减小PCCP的壁厚[10]。2009年胡少伟等进行了内水压承载能力试验，试验得出了超大口径PCCP管预应力钢丝能有效提高混凝土的承载力，PCCP能在极限内水压下发挥预应力钢丝充分受拉和混凝土充分受压的性能，最后钢丝屈服和混凝土的最终破坏[11]。2010年熊欢结合试验中PCCP的断丝现象，根据环向预应力作用机理，通过计算分析对预应力缠丝进行合理的缠丝模型，并建立了较为复杂的PCCP管道断丝模型[12]。2012年胡少伟等通过对PCCP进行外荷载试验，分析了混凝土在各个阶段钢丝的受力和裂缝变化随荷载改变的情况，PCCP承受的拉应力和管芯混凝土的预应力都是由PCCP中钢丝提供的[13]。2013年赵晓露用ABAQUS从不同的断丝比例和不同的断丝区域方面研究了断丝对PCCP承载力的影响[14]。2014年窦铁生、燕家琪结合工程介绍了一种是由于腐蚀或者氢脆性导致断丝，随着保护层的破坏导致钢筒也被腐蚀和破裂，最后导致PCCP不能正常工作的环向破坏模式。另一种是由于外力的突然作用，而管道不能充分抵抗这些外力导致破坏的纵向破坏模式[15]。2016年孟宇通过建立断丝模型分析了随内水压力的变化断丝区和非断丝区的裂缝和应力的分布情况[16]。2017年窦铁生、胡赫等研究了PCCP内压承载力中断丝数量对其的影响，用降温法模拟钢丝的预应力，得出PCCP的承载能力主要由钢丝提供[17]。

由于目前现场试验具有一定的条件限制，试验结果具有一定的缺陷性，为探究PCCP实际承载力与裂缝和断丝的影响关系，还需要进行大量的试验研究。需建立模拟钢丝腐蚀过程的模型，钢丝腐蚀模型将使预应力钢丝的失效可预测，并将大大提高预测PCCP试验的可行性和准确性[18]。对于PCCP达到最大承载力下预应力钢丝所需的最合适的间距、加密度、加密长度、数量等和断丝位子的随机性的研究探索。结合现有的研究成果，进一步探索PCCP在动荷载作用下对裂缝和断丝的影响的研究。

2 PCCP加固现状

随着PCCP的逐步推广应用，到现在许多PCCP管道已开始接近或达到无法正常工作状态。近年来的检测发现，国内大量PCCP管道已经出现裂缝和钢丝断裂且随时间逐年增加。为了减少爆管造成的危害，如何对PCCP管道进行切实有效的修补加固，需对这一课题进行深入的研究。PCCP管维修加固可以采用置换、外部后张预应力、内衬钢筒、粘贴复合纤维材料等方法。置换法适用于某一定范围内的管，对部分已损坏的管道进行重新替换，施工简便但成本高，妨碍正常用水；外部后张预应力法是在出现断丝处的外面重新张拉预应力，然后在钢丝外加保护层，此方法虽不影响用水，但施工复杂需开挖，成本较高；内衬钢筒法是把钢筒插入损伤管，再进行焊接，在内衬与损伤管之间注入砂浆。加固后管道的耐久性好，但是费用较高，适用于补强加固较长管线；粘贴复合材料法是在损伤管内通过环氧胶粘贴复合材料(主要是碳纤维CFRP)，通过复合材料的层数和粘贴方向达到加固效果。该方法需要停水，且需较长的时间保证粘贴强度，但是不影响地面活动、施工简单，是重要的加固方式。2001年Houssam等对GFRP，AFRP，CFRP分别进行了研究，最后得出CFRP加固效果在提高管道内压承载力、强度、耐腐蚀性、耐久性方面较优于其他两种材料。并提出了管壁上各种应力之间相互作用的应力表达式和纤维增强聚合物复合材料(FRPC)板对受损管壁的环向应力的影响[19]。Murat Engindeniz在2006年提出了CFRP补强加固弯曲段管道时应该满足管道运行过程中的水压轴推力、弯矩、温度变化以及环向应变的泊松效应引起的纵向应力需求[20]。2015年Yongjei Lee在针对CFRP补强加固缺少PCCP理论计算公式的情况下提出断丝的程度、加固层数和碳纤维粘贴角度影响管道承载力，并提出了一种确定承担内压时碳纤维所需层数的简易计算方法，同时采用有限元计算方法对公式进行了验证[21]。2013年Amer Hmidan等基于三维有限元模型研究了CFRP加固对具有各种裂纹的构件性能的影响，得出裂纹长度与构件总长的比率增加时，CFRP加固效果显著[22]。2014年，Murat Engindeniz等对CFRP补强PCCP的轴承试验和静水压试验，以及拉伸和测试CFRP补强中使用的不同环氧树脂的弯曲延展性。概述了这些实验的结果及其对PCCP的设计，材料，安装和质量控制规定的影响[23]。

目前国内关于PCCP工程实际应用的修复经验不断增多，研究的修复方法从局部修复，逐渐扩展到对预应力钢筒混凝土管整体结构安全修复要求。2001年屠毓敏分析了沟埋式预应力混凝土管的断裂原因，得出管道断裂是由于地基处理质量不好导致不均匀沉降和管道不合理设计引起的[24]。2002年孔杰等对复合材料卷材加固有缺陷的管道进行了试验。试验结果得出用该复合材料加固有缺陷的管道能提高其承载力，也能延长使用寿命[25]。2004年陈亚鹏结合大量试验数据和理论，对CFRP加固PCCP进行了有限元模型建立，并验证了计算方法的正确性[26]。2006年王自本结合实际工程讨论了PCCP从生产、运输到安装，在保证管道质量所需要采取的关键措施[27]。2014年，燕家琪提出了破坏边界及破坏风险与维修等级的划分方法[28]。2017年窦铁生、胡赫、程冰清等对CFRP修复PCCP进行内外压试验和数值分析，得出不管是单层还是双层缠丝管CFRP粘贴层数与管内承压力成正比[29]。通过分析外压试验得出的力学性能参数，对CFRP加固的设计方法进行完善[30]。2017年孙志恒、徐耀等对预应力碳纤维加固PCCP进行了研究，试验结果得出预应力碳纤维加固能有效避免管的裂缝和钢丝的断裂[31]。2018年孙志恒等研发出了一种高压缩弹性垫层材料，并提出了预应力碳纤维加固PCCP的技术，并通过计算验证了预应力碳纤维加固PCCP后能有效增强PCCP的承载力[32]。

目前加固PCCP管道的主要加固方式是粘贴碳纤维，然而国内外大多数研究是关于普通(非预应力)碳纤维加固材料的应用且已经取得了一定的研究成果。而预应力碳纤维加固能充分发挥材料高强度性能，又可抑制PCCP的变形和裂缝的发展，需进一步加强预应力碳纤维加固的相关理论和具体试验的研究。

3 结语

综合国内外现有的研究情况，对PCCP结构安全的研究还不足以完全面对工程实际问题，对PCCP承载力安全与裂缝和断丝的影响探究需更深入。尚需建立更符合实际、更加完善的断丝模型继续深入研究，结合管道实际环境，分析管道受到各种内外力共同作用时的裂缝和断丝的作用机理；综合现有的研究成果，建立对管道结构安全性的实时监测系统，更全面构建PCCP管道的结构安全性评价体系[33]；结合相关理论对预应力碳纤维加固PCCP的施工工艺和加固后的破坏形态、破坏机理展开进一步研究。