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。     

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。     

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.     

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。     

PCCP管内环向预应力碳纤维板加固数值分析

为充分发挥碳纤维板（CFRP）的抗拉性能,提升断丝预应力钢筒混凝土管(PCCP)的承载能力,提出了管内环向预应力碳纤维板加固方法。研究分析CFRP和混凝土的环向应力,得出拉梅公式的力学模型计算结果与有限元计算结果基本相符,两者结果最大仅相差9.3%。PCCP钢丝断丝率相同情况下,对不同断丝分布进行了计算研究,断丝率相同情况下断丝在同一位置时最不利。断丝发生时,在断丝处从管内到管外的混凝土损伤由小变大。重点对断丝率为10%时预应力CFRP加固前后性能进行了比较。结果表明:正常工作水压下,断丝处PCCP混凝土、钢筒的应力应变显著减小,说明CFRP起到了很好的加固效果;断丝率越高,在混凝土内壁没有损坏前,CFRP的作用越大。管内环向预应力碳纤维板加固方法还具有施工周期短、环境影响小、非开挖、易操作的特点,对实际PCCP应急修复具有很好的参考价值。     

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。     

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。     

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.     

高压缩弹性垫层对复式碳纤维加固PCCP的应变影响分析

在PCCP内部粘贴复式碳纤维是一种新型的PCCP补强加固技术。为了研究不同管径及高压缩弹性垫层厚度对复式碳纤维加固PCCP的效果,本文通过建立6种管径和4种厚度垫层的复式碳纤维加固PCCP有限元模型,得到在不同内水压力和预应力钢丝断丝等工况下,垫层对复式碳纤维加固PCCP的应变影响。计算结果表明,采用5 mm厚度垫层的复式碳纤维加固PCCP,碳纤维环向应变增加了8～16倍;在0.6 MPa正常内水压力作用下,混凝土内壁环向应变的改善比例在11.5%～38.7%之间。管径越小,复式碳纤维加固效果越显著。对2.6 m管径PCCP进行复式碳纤维加固计算表明,随着垫层厚度的增加,碳纤维环向应变大幅提高,混凝土环向应变也得到显著改善。本文的研究成果为复式碳纤维加固PCCP的设计提供了参考依据。     

浅谈廊涿干渠PCCP断丝管道内贴碳纤维布加固处理技术

廊涿干渠供水运行中，通过对DN2400、DN2200管径的PCCP管道进行分段无损断丝检测结果分析，部分管道预应力钢丝已经断裂，承受输水压力大大降低，存在爆管风险，需要对管道进行加固处理，即管内壁粘贴碳纤维布加固。管内壁粘贴碳纤维布加固，可应对PCCP管早期断丝、预应力不足等问题，提高PCCP管道承载内水压力能力，预防管道裂缝扩展及爆管事故发生。     

预应力CFRP加固断丝PCCP的试验与仿真研究

针对预应力钢筒混凝土管(PCCP)断丝问题,提出一种创新的加固技术,即外部缠绕预应力碳纤维布(CFRP)加固。利用一根长6 m、内径1.4 m的PCCP管道,选取不同截面进行对比试验,对所提加固方法效果进行了验证。之后,基于有限元方法(FEM),建立了预应力CFRP加固断丝PCCP三维模型,并将仿真结果与试验进行了对比评估,分析了CFRP预应力水平和层数对管道受力性能的影响。研究结果表明,经预应力CFRP加固后的管道承载能力明显提高;断丝与加固对管道的影响范围有限,约为其宽度的3倍;断丝15%的管道经2层、4层和6层预应力为10%的CFRP加固后,承载能力可分别提高65.6%、103.1%和162.5%。     

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。     

预应力钢筒混凝土管结构变形规律的原型试验研究Ⅱ:外压

PCCP是由混凝土管芯、钢筒、预应力钢丝以及砂浆保护层构成的复合结构,不但承受内水荷载,还有外部土荷载、管体自重与水重、活荷载以及临时堆土等外荷载作用,在外荷载作用下PCCP的变形规律与内荷载的变形规律完全不同。为研究PCCP在极限外荷载作用下的变形规律,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,采用三点试验法对内径2.6 m埋置式PCCP原型管进行了外荷载试验,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,在三点法试验加载过程中,管体结构各层材料的变形与外荷载正比相关,钢筒外侧管芯混凝土与钢丝的变形协调一致,钢筒内侧管芯混凝土与钢筒的变形基本协调一致。管腰处管芯混凝土外侧和钢丝受拉,管腰处管芯混凝土内侧和钢筒受压,管顶和管底则与之相反,但变形协调规律一致。外荷载原型试验获得了PCCP各层结构受载响应规律,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PCCP管内水压承载能力试验

采用原型现场试验的方法,分析PCCP的管内水压试验方法、破坏特征和承载机理。详细叙述了试验前试件成型与测量方案,阐述了内水压承载试验的具体过程及试验破坏特征。基于试验结果分析了PCCP的承载机理:PCCP较普通混凝土管承载力的提高是由于预应力钢丝的作用,极限内水压时,表现为钢丝的屈服和混凝土的最终拉裂破坏,发挥了组合结构中各材料的性能。试验研究为超大口径PCCP管道的生产、施工积累了经验,为制订超大口径PCCP管道标准及其质量验收标准提供依据。     

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。     

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。     

PCCP管内环向预应力加固验证试验研究

为快速有效修复难以开挖区域破损的预应力钢筒混凝土管（PCCP）,减少甚至避免PCCP爆裂事故的发生,研究提出PCCP管内环向预应力加固技术。该技术对管内碳纤维板材施加环向预应力,再利用高性能结构胶粘贴至PCCP管道内壁,达到加固目的。通过设计混凝土内环、外环相结合的试验,验证该加固方法的可行性,并调整优化施工工艺。试验结果表明,碳纤维板经预张拉后成功粘贴至外环混凝土,混凝土表层经过凿毛、基底处理后形成的混凝土-结构胶-预应力碳纤维板体系是可靠的,可提供不低于0.8 MPa的黏结力。基础试验方案（即内环、外环设计）及加固方案可行,依此提出PCCP加固二期试验方案,即首尾搭接的碳纤维板管内环向预应力加固试验。     

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。