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.     

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     

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.     

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。     

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。     

PCCP远程无线实时监测系统研究

预应力钢筒混凝土管(Pre-stressed Concrete Cylinder Pipe,PCCP)作为一种新型的输水管材,被广泛应用于水利工程领域。在PCCP施工与运行过程中,由于制造缺陷、化学腐蚀、操作异常等因素,可能会造成管内高强钢丝的损伤、腐蚀或断裂,进而导致泄漏、爆管等事故,严重危害市政、交通、环境等公共安全。在深入研究PCCP管道断丝和泄漏机理的基础上,结合国内外的最新研究成果,提出一种PCCP远程无线安全监测系统的设计方法,用于对PCCP进行健康评估与管理;该系统采用温度、湿度、应变检测等多种智能传感技术,野外监测设备利用太阳能电池、锂电池综合配电方式,通过GPRS/3G/4G等无线通信手段将PCCP监测数据传送至监测中心,实现PCCP的远程安全监测功能。     

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。     

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。     

PCCP管道工作性态的高性能仿真研究

为了快速有效的对PCCP管道结构状态进行了安全分析评估,预防管道发生破坏,消除工程安全隐患,本文基于高性能仿真计算的安全裕度分析方法用来评估PCCP管道的工作性态,以新疆生产建设兵团农二师38团建管局ST灌区的管道工程为例列举了管道结构状态安全评估材料参数及典型工况,研究计算了6种规格的PCCP管道预应力钢丝完好、断丝、管芯混凝土轴向开裂、断丝+管芯混凝土轴向开裂等工况,并对管道进行了安全分级。该方法汲取了AWWA推荐方法的基本思想,更易于理解和操作。     

南水北调大型埋地PCCP工程 耐久性设计

本文对南水北调中线工程中采用的预应力钢筒混凝土管(PCCP)耐久性设计的有关要点进行了讨论,具体包括:(1)工程布置设计;(2)预应力钢丝质量控制;(3)混凝土砂浆质量控制;(4)防腐蚀设计;(5)结构计算及安全评价;(6)施工安装工艺等。     

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。     

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。     

基于涡流原理PCCP断丝的无损检测方法研究

基于涡流原理,提出一种PCCP(预应力钢筒混凝土管)断丝的无损检测方法;即:将PCCP视为放大后的类似金属管道,预应力钢丝作为主体结构,检测时利用内含线圈的探头在管内形成涡流,涡流产生磁场反作用于探头磁场,引起探头内磁通量的变化。通过采集探头阻抗波动即可获取磁通量变化,分析阻抗波动过程就能够推测出PCCP预应力钢丝的损伤情况。通过电磁感应和等效电路建立关联方程,推导阻抗波动公式,并在阐述试验方法的基础之上,初步论证了该方法的可行性。     

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。     

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。     

PCCP输水工程设计应用常见问题研究

结合预应力钢筒混凝土管(PCCP)输水工程设计实践,对其设计应用中存在的一些问题,诸如,采用标准的合理性、管材设计荷载的正确选择、接头试验压力选择、管芯混凝土强度、厚度和缠丝面积的优化等进行了研究,旨在促进设计参数选择合理,保证工程建设安全可靠并节省工程投资。同时,提出了一些相关建议,可供类似工程参考。