预应力钢筒混凝土管结构变形规律的原型试验研究Ⅰ:内压

为研究预应力钢筒混凝土管在极限内水压作用下的承载能力和破坏机理,对内径2.6 m埋置式预应力钢筒混凝土管原型管进行了内水压试验,试验在国内外首次采用BOTDA和FBG光纤传感技术,并将光纤在PCCP制造过程中植入钢筒表面,在加载过程中连续测试PCCP各层结构的应变响应。通过深入分析测试数据发现,试验管内压在0~1.8 MPa时管道受力均匀,各层结构变形较协调一致并共同抵御内压,内压大于1.8 MPa时砂浆和管芯混凝土发生开裂。钢筒和预应力钢丝在加压过程中的变形规律基本一致,屈服内水压力均为1.8 MPa。钢筒内侧管芯混凝土开裂后通过钢筒传递径向应力,内水压力由预应力钢丝承担。原型试验不但获得了PCCP各层结构在内水压力作用下的受载响应规律,确定了管体各层材料开裂和屈服荷载,而且为PCCP结构深层次的基础理论研究和工程应用提供了宝贵的试验资料。     

超大口径预存裂缝的预应力钢筒混凝土管结构分析与试验研究

针对南水北调工程中预应力钢筒混凝土(PCCP)管芯混凝土预存裂缝问题,通过对原型管道的抗裂外压承载力试验,探讨了预存管芯外壁纵向裂缝对承载力的影响,分析了混凝土管的受力特性。试验结果表明,PCCP在抗裂外压检验荷载下,其破坏主要发生在管顶、管底内侧管芯混凝土和管腰外侧砂浆保护层的受拉破坏。基于ABAQUS有限元分析,选用混凝土塑性损伤模型,对PCCP抗裂外压试验进行结构数值模拟,数值计算与试验结果一致。计算结果表明,管芯混凝土预存裂缝对PCCP抗裂外压极限荷载影响不大,但在外载作用下,预存裂缝会对混凝土、砂浆保护层出现应力集中现象,从而导致裂缝的发生与扩展。     

预应力钢筒混凝土管体外预应力加固试验研究

预应力钢筒混凝土管(PCCP)断丝后,管芯混凝土在荷载作用下会发生开裂,影响PCCP的承载能力。目前针对PCCP断丝管的加固有多种方法。其中利用钢绞线施加体外预应力加固PCCP断丝管的方法能够主动补偿由于断丝导致的预应力损失,同时做到整个管线减压不停水。本文通过PCCP加载-断丝-管体管芯混凝土开裂-减压-施加体外预应力-加载到设计荷载的全过程原型试验,研究了PCCP体外预应力加固效果。并针对试验过程中各阶段PCCP管体的力学特性和变形特点进行分析。试验结果表明,通过钢绞线对PCCP断丝管施加体外预应力进行加固,管体裂缝闭合,承载能力恢复至设计内压0.9 MPa,钢绞线仍处于弹性阶段,管体水密性良好,加固效果明显。     

超大口径预存裂缝的PCCP管结构分析与试验研究

摘 要：预应力钢筒混凝土管道（PCCP）作为一种新型组合结构管材，以其特有的材料受力优点，正被越来越多的应用到城市供水工程中。本文针对南水北调实际工程中出现的PCCP管芯混凝土预存裂缝问题，通过对原型管道的抗裂外压承载力试验，探讨了预存管芯外壁纵向裂缝对承载力的影响,分析了管子的受力特性。试验结果表明：PCCP在抗裂外压检验荷载下，其破坏主要分布为管顶、管底内侧管芯混凝土和管中外侧砂浆保护层受拉破坏。在此试验结果上，本文基于ABAQUS有限元分析，选取混凝土塑性损伤模型，对PCCP抗裂外压试验进行结构数值模拟分析，数值计算与试验结果相一致。数值计算结果表明：管芯混凝土预存裂缝对PCCP抗裂外压极限荷载影响不大，但在荷载作用下，预存裂缝会对混凝土、砂浆保护层出现应力集中现象，将首先出现混凝土损伤，从而导致裂缝发生与扩展。     

PCCP受载响应全过程有限元分析

基于陕西杨凌供水工程,建立预应力钢筒混凝土管(PCCP)的三维非线性有限元模型,研究了PCCP在全寿命各个阶段的受力特性和结构性能,得到PCCP各阶段应力状态和裂缝开展的规律。分析结果表明:(1)缠丝后由于管芯在预应力作用下的收缩变形,钢丝可能发生4%的预应力损失;(2)在预应力作用下管芯混凝土全截面受压,最大压应力在管道内侧,且由内到外线性递减;(3)在土荷载和管道自重作用下,砂浆层出现裂纹,管道发生椭圆形变形,在内水压力作用下,管道有外扩的趋势。     

预应力钢丝断丝对PCCP性能的影响

为考察预应力钢丝断丝后PCCP性能,基于ANSYS建立PCCP有限元模型,并对有限元模型从制造、施工到断丝运行的全过程进行分析。结果表明:有限元分析结果和美国标准C304相差不大;施工过程中,对混凝土管芯而言,最易发生裂缝的区域有内层管芯内侧管顶及包角部位和外层管芯外侧管腰部位,对钢筒而言,在管芯混凝土开裂前其应力变化不大;当断丝率≤10%时,其开裂内水压力及破坏内水压力变化不大,当断丝率10%时,在预应力等荷载综合作用下管道结构已无法继续承载。     

落石冲击荷载作用下埋地PCCP应力应变响应

针对影响预应力钢筒混凝土管(PCCP)安全运行的落石冲击问题,以实际工程为原型,利用有限元理论建立了球形落石冲击埋地PCCP的“石-土-管”模型,在完成静力荷载工况计算的基础上,模拟落石冲击埋地PCCP的过程。通过改变落石半径、落石高度,分析不同落石冲击荷载作用下管道的应力和塑性应变规律。研究结果表明:落石冲击对PCCP的破坏主要为环向受拉塑性破坏;相比于落石高度,落石半径的改变对PCCP的影响更大;10 m的悬空高度下,半径超过1.4 m的落石将会使混凝土管芯产生超过16.0×10^-4的塑性应变,砂浆产生超过9.1×10^-4的塑性应变,导致材料出现可见裂缝;冲击荷载对PCCP各部件的破坏顺序是混凝土管芯、砂浆、钢筒和预应力钢丝,且在混凝土管芯开裂后,钢筒和预应力钢丝的Mises应力将会迅速增大并屈服破坏。     

PCCP断丝破坏规律Ⅰ：原型试验研究

目前断丝是预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP)结构性能评估时考虑的主要因素。由于砂浆对钢丝的握裹作用，断丝预应力损失的初始范围、扩展时机和扩展幅度是研究管芯预压应力保有量的关键指标。本文基于分布式光纤传感器，考虑了3类荷载作用下2类断丝的影响，对4根相同设计参数的PCCP进行了断丝直到破坏的原型试验研究。在恒定内压下集中与离散断丝、循环内压下离散断丝以及恒定外压下集中断丝试验中，管体破坏时的极限断丝数(率)分别为60(19.8%)、185(61.1%)、140(46.2%)和150(49.5%)。试验获得了不同工况下管体破坏过程中各层材料初始损伤和管体最终破坏时对应的断丝数量，揭示了管芯的预应力损失和破坏规律，展现了断丝PCCP结构性能评估时应注意的关键因素，为开发断丝破坏过程的数值模拟方法提供了依据。     

超大口径PCCP内断丝对其承载能力影响研究

以南水北调中线工程为背景,进行PCCP断丝原型试验,基于试验结果,利用杆单元模拟钢丝,采用等效降温法施加钢丝预应力,建立PCCP承载数值计算分析模型,基于非线性有限元理论,选取混凝土塑性损伤模型,对超大口径PCCP断丝问题进行承载能力和受力状态分析.计算结果表明:PCCP管芯混凝土损伤开裂位置为断丝对应区域,断丝数增加加剧了管芯混凝土的开裂破坏;断丝数增加急剧降低了PCCP的承载性能;当断丝数达到一定根数时,管芯混凝土更易开裂,在有内水压力作用时,将加剧钢筒和钢丝层的腐蚀,影响PCCP长久运行.     

软土地区大口径PCCP管施工技术及应用

<正>PCCP管(预应力钢筒混凝土管)作为近些年来发展起来的一种新型管道材料,这种管材是在带钢筒的混凝土管芯上缠绕预应力钢丝,并施喷水泥砂浆保护层而制成的管材[1]。高强度钢筋混凝土管芯是管道的主要受力结构,提供管材的刚度,管材中环向钢筒主要起防渗作用,基本不参与结构受力,管芯外侧预应力螺旋钢丝在管芯内部产生均匀预压应力,用于抵消内水压力引起的拉应力,水泥砂浆保护层用于保护预应力钢丝免收外     

大口径双胶圈PCCP管施工方法

近年来，预应力钢筒混凝土管（PCCP）在引滦入津工程、深圳市东部供水网络干线工程、北京市怀柔应急备用水源地联络管线工程和北京张坊水源应急供水工程等诸多工程中得到了大量应用．南水北调工程中线北京段也将大量采用。PCCP管是在带钢筒（薄钢筒的厚度约为1．5mm左右）的混凝土管芯上，缠绕1层或2层环向预应力钢丝，并作水泥砂浆保护层而制成的管子．分两种类型：内衬式管和埋置式管。前者是在钢筒内壁混凝土层成形后．在钢筒外表面上缠绕环向预应力钢丝而制成．后者则是在钢筒内、外侧混凝土层成形后，在管芯外表面上缠绕环向预应力钢丝制咸。前者采用离心工艺成型，口径偏小（DN≤1200mm）．后者采用立式振动工艺成型．口径偏大（DN≥1200mm）。预应力钢筒混凝土管抗渗压力很高．工作压力通常为15～3．0MPa．最高可达5．0MPa．管径DN为400-4000mm，最大可达7600mm。     

南水北调超大钢筒混凝土管道结构安全评估

我国从2006年开始首次把直径4 m的超大预应力钢筒混凝土管道(简称PCCP)用于南水北调中线京石段供水工程中.基于PCCP结构安全使用100年的要求,针对南水北调中线PCCP项目遇到的管芯裂缝和预应力松弛等对结构安全影响如何评估的技术难题,采用现场实体管道试验(裂缝PCCP抗裂外压承载力试验、PCCP现场断丝原型试验、预应力钢丝松弛PCCP内水压承载试验)和非线性有限元数值模拟等方法对PCCP结构的承载能力进行了系统分析研究.结果表明:管芯出现一条或少量细小裂纹,不需修补或用水泥净浆涂刷即可;较宽的裂缝,可按规定程序进行修补;出现多条纵向裂缝、或环向裂缝长度超过周长的裂缝、或出现十字交叉裂缝的管芯为废品管.预应力钢丝作为PCCP的主要承载体,应确保钢丝质量,避免断丝.有关部门基于研究结果和提出的工程处置建议,并借鉴国外先进国家PCCP制造厂商经验,对工程中已经出现裂缝的PCCP进行了全方位安全评估,对不满足管芯外表面裂缝控制要求的管道进行报废处理(该工程共计报废35根),以满足工程安全需要;对一些裂缝影响较小的PCCP可用在埋深较浅的地段,从而节省了工程成本.最后阐述了下一步需继续研究的工作.     

预应力钢筒混凝土管的型式试验检测方法

预应力钢筒混凝土管(PCCP),是一种新型的钢性管材,是钢板、混凝土、高强钢丝和水泥砂浆几种材料组成的复合结构,具有钢材和混凝土各自的特性,广泛应用于市政及水利行业等的长距离输水工程等。文中预应力钢筒混凝土管的质量检测采用外荷载三点法外荷载试验和内水压试验方法进行检验检测,试验成果符合设计要求,满足工程需要。     

PCCP管道结构承受内水压的全过程分析

通过分析与推导,研究预应力钢筒混凝土管(PCCP)承受内水压荷载下的全过程。将PCCP承受内水压荷载从弹性到屈服分为3个阶段:①弹性阶段;②混凝土开裂阶段;③钢丝屈服阶段。在混凝土开裂阶段建立正交异性模型,计算混凝土的应力,递推钢丝的应力,从而以判断钢丝的屈服来判断PCCP的屈服,最后得出PCCP混凝土的开裂内水压荷载以及钢丝屈服时的内水压值,并与试验进行了比较。     

不同断丝比例对PCCP内外压承载能力影响研究

为探究断丝后预应力钢筒混凝土管(PCCP)的内、外压承载能力，基于宁夏一输调水工程在役超大口径PCCP,建立了内、外压计算模型，分析管身中部不同比例断丝对砂浆保护层、混凝土管芯、钢筒和预应力钢丝等各部位失效的影响。研究结果表明：在内压作用下，断丝PCCP的砂浆保护层、管芯和钢筒均在断丝区域出现应力集中，且随着断丝比例的增加，管芯、钢筒和预应力钢丝进入塑性时的内压值逐渐减小；当断丝比例超过10%时，砂浆保护层进入塑性时的内压值趋于稳定；断丝比例超过35%时，混凝土管芯进入塑性时的内压值趋于稳定。在外压作用下，完好管和断丝管的砂浆保护层进入塑性时的外压值基本一致，断丝管混凝土管芯进入塑性时的外压值随断丝比例变化较小，但明显比完好管低。当断丝比例小于20%时，钢筒进入塑性时的外压值随断丝比例的增加基本呈直线下降，超过20%后，外压值基本恒定。对于预应力钢丝，当断丝比例小于40%时，其进入塑性时的外压值随断丝比例的增加基本呈线性变化，超过40%后，外压值基本恒定，且与钢筒进入塑性时的外压值一致。研究成果可为PCCP出现断丝后的安全评估和除险加固提供依据。     

南水北调中线工程超大口径PCCP外载试验研究

采用原型现场试验的方法,分析了南水北调中线工程PCCP管道的外载试验方法、破坏特征和承载机理.制订了试件成型与测量方案,得到外载试验的具体过程、试验破坏特征以及开裂荷载,最后基于试验现象与试验结果分析了PCCP管的破坏位置,即裂缝出现在管顶与管底的内侧管芯混凝土和管侧的砂浆保护层,裂缝出现后迅速沿管身贯通,裂宽增加,裂缝条数稳定.试验为超大口径PCCP管道的生产、施工积累了经验,为制订超大口径PCCP管道标准以及质量验收标准提供依据.     

裂缝对预应力钢筒混凝土管结构承载力的有限元分析研究

预应力钢筒混凝土管(PCCP)管芯在实际生产与施工中容易出现裂缝,当管芯出现裂缝时,影响管道承载能力,严重时甚至会造成管道爆裂,降低管道使用寿命。文章结合我国某大型调水工程建设中4 m管径的预存裂缝PCCP管道,通过三维有限元模拟研究裂缝管的管体承载能力及其影响,为预存裂缝的PCCP管道在实际工程中提供安全性方面的理论支撑。通过对工程中实际应用的直径4 m的裂缝原型管进行结构承载能力数值模拟分析计算,管芯混凝土纵向非贯穿性裂缝没有明显降低PCCP管道的承载力,但是贯穿性裂缝管降低PCCP管道的承载力较明显。建议工程中应禁止使用出现通长裂缝的PCCP管道,而对于带裂缝的PCCP管道,应在查明裂缝深度和长度后,降级使用,以确保输(供)水工程安全。     

CFRP修复PCCP断丝管的试验研究

为了验证CFRP修复PCCP断丝管的效果,采用两根内径2.6m的PCCP,管A为原管,管B为在管芯混凝土内表面粘贴CFRP的加固管,在不同内压作用下进行断丝,研究最不利情况下PCCP断丝破坏特征。管A在内水压力0.9MPa,断丝40根时,断丝区管芯混凝土应变突增,出现宏观裂缝,发生脆性破坏;管B在同样内水压力断丝70根时,断丝区管芯混凝土微裂缝持续扩展,继续加压至0.95 MPa时,管芯混凝土出现宏观裂缝,而非断丝区管芯混凝土受断丝影响不大。试验结果表明粘贴在管芯混凝土内壁上的CFRP与PCCP结构联合承载,在管芯混凝土出现微裂缝后参与应力重分布,限制了管芯混凝土裂缝的开展,调整了管体结构的受力状态,CFRP补强加固PCCP断丝管的效果明显。     

大口径PCCP管道安装工艺与方法

PCCP是钢筒型预应力混凝土压力管,也称为包纳管。是一种由内钢筒、混凝土管芯、高强度预应力钢丝和砂浆保护层等组成的复合材料管。具有可承受较高的内压和外部荷载、对地基适应性好、耐腐蚀性能好、通水能力强、管路损失小、输水成本低、使用寿命长、社会综合效益好的优势,被越来越多地用于大口径压力输水管线工程。结合南水北调中线京石段应急供水工程（北京段）PCCP管道工程施工经验,介绍了该工程优选的大型安装起吊设备性能参数,阐述了大口径PCCP管道安装工艺、操作要点和资源配置。     

联接段PCCP洞穿管的施工

山西省万家寨引黄一期工程中，在联接段整个输水线中处，间隔布置有7条输水隧洞，其中^#1-^#6隧洞长7989.9m，为圆形有压隧洞，采用洞穿PCCP管进行施工，如此长的PCCP洞穿管勤务员在国内尚属首例，PCCP即钢筒型预应力混凝土压力管，其基本结构是：在带有钢筒、内臂光滑的高强混凝土管芯上缠绕环向预应力钢丝，并在其上制作密实而耐久的富水泥砂浆保护层，设计采用常规钻爆法开挖、支护完成后，将PCCP管穿入洞中，管内径为3m，壁厚21.5cm，每节长5m。隧洞内PCCP管的安装顺序为：铺设轨道，洞外吊装PCCP管，洞内对接PCCP管，最后是回填混凝土和灌浆。