PCCP断丝数量对内压承载力的影响

采用降温法模拟PCCP中预应力钢丝产生的预应力,通过调整降温值来控制钢丝中预应力的大小,在没有断丝的部位预应力值为一常量。针对0.6MPa和0.8MPa的工作内压,直径2.6m、3.2m和4m的PCCP分别设定不同的断丝率,通过三维有限元计算,研究了PCCP断丝数量对内压承载力的影响。     

双区域断丝PCCP极限内水压力及破坏模式研究

为研究腐蚀断裂对预应力钢筒混凝土管（PCCP）失效的影响,建立了PCCP双区域断丝三维非线性管-土相互作用有限元模型,得到了不同间距轴向双区域断丝情况下管道的损伤演化、失效模式和极限承载能力。结果表明,断丝区域间距越大,相互影响越小,当间距大于150 cm后,两个区域之间基本没有相互作用,其极限内水压力与单区域断丝的结果差别显著。研究结果可为PCCP实际工程中的双区域断丝损伤评价及承载能力分析提供参考。     

PCCP断丝电磁检测有限元仿真研究

预应力钢筒混凝土管被广泛应用于水利工程,运行过程中的环境腐蚀或管压操作不当,会导致管内高强钢丝的腐蚀或断裂,进而导致泄漏等事故。目前,普遍采用正交电磁检测技术对PCCP的断丝状态进行评估,本文应用有限元数值计算方法建立了PCCP检测系统全尺寸仿真模型,给出了断丝发生后电磁检测信号的畸变特征,并分析了断丝数量、检测频率等因素对畸变特征的影响,验证了电磁检测法的有效性,以期对PCCP实际工程应用提供参考。     

某供水工程倒虹吸PCCP状态评估、风险评价及运行管理

某供水工程三个泉倒虹吸全长10.93km,所采用的PCCP管径大,内水压力高,综合难度指数(管径与压力的乘积)高。该工程存在多个影响PCCP安全运行的因素。2010年首次采用电磁法检测了全部2400节管道的钢丝完整性,2年半后再次进行了检测。前后两次检测对比表明,管道断丝数量基本未增加,管道当前的劣化速度较低。尽管运行环境较恶劣,但PCCP断丝数量处于较低水平,目前总体处于良好状态。风险分析表明,目前PCCP处于中等风险。     

PCCP断丝的电磁法检测技术研究及其应用

基于远场涡流检测的基本原理,给出了PCCP断丝检测的硬件检测系统,并通过搭建PCCP断丝检测平台,解决了PCCP断丝在检测中的灵敏度问题、断丝位置与检测信号相位之间的关系、断丝数目与检测信号幅度之间的关系等关键技术。为进一步进行PCCP断丝检测工程化应用,给出了PCCP断丝检测仪器标定曲线的标定标准。通过被测管道数据曲线与标定曲线的比较,可以定量判断管道内钢丝断丝的数量。     

基于ABAQUS的在役PCCP管道承载水压有限元分析

结合南水北调中线工程,利用有限元软件ABAQUS建立了预应力钢筒混凝土管与地基基础相互作用的有限元计算模型,通过模拟管道在运行过程中不同的内水压力,分析管体在不同水压作下的应力变化,得出标准工作内压0.6 MPa下PCCP各部件应力均满足要求,且有较高的可靠性;内水压增加的过程中预应力钢丝中应力增长均匀,钢筒中应力增长先快后慢,混凝土中拉应力增长先慢后快;达到极限内压1.4 MPa时,混凝土管芯最大拉应力超过混凝土抗拉强度,出现裂缝,其他部件应力仍能满足要求。     

缠丝张拉应力对PCCP受力性能的影响研究

采用有限元软件ANSYS对PCCP预应力施加过程进行了有限元模拟,分析了缠丝完成后钢丝及混凝土管芯中预应力的大小和分布,并通过对不同初始张拉应力缠丝的PCCP管进行内水压加载模拟试验,研究了钢丝张拉应力波动对管道结构受力性能的影响,以供参考。     

断丝PCCP管道外贴CFRP修复足尺模型试验研究

断丝是目前预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe,PCCP)最为常见的一种病害,如不及时加固,极易造成爆管等事故。针对长距离PCCP输水管道难以停水维修问题,提出了一种外贴碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)的维修方法。为了探究外贴CFRP修复断丝PCCP效果,采用一根内径2.8m的PCCP管道进行了内水压足尺试验。试验对修复前后PCCP结构应变响应进行了对比分析,结果表明:由于CFRP"箍束"作用,修复后断丝区中间截面材料应变减小,利于PCCP承压。     

CFRP修复PCCP的内水压试验

为了验证CFRP的补强加固效果,采用2根内径2.6m的PCCP进行了内水压力试验,并通过集中断丝模拟了最不利断丝管的受力状况。结果表明,未粘贴碳纤维的断丝管,在设计内水压0.9MPa的状态下,断丝40根后管芯混凝土开裂。分部位粘贴1层、2层和3层环向碳纤维的加固管,在设计内压0.9MPa下,断丝70根后管芯混凝土开裂。CFRP在管芯混凝土出现微裂缝后参与应力重分布,一定程度上缓解了裂缝尖端的应力集中,延缓管芯混凝土开裂,同时,改善了非断丝区钢丝受力状态,延迟了钢丝和钢筒进入屈服状态。CFRP补强加固PCCP的效果明显。     

大口径PCCP管道断丝频谱响应现场试验研究(Ⅰ)

针对南水北调等大型水利工程中大口径PCCP管道在输水过程中容易受到多种外界及内部因素发生断丝时,不能快速准确地确定断丝位置是进行PCCP管道抢修的难点,对大口径PCCP管道结构断丝进行现场试验。提出一套基于光纤光栅检测PCCP管道断丝时的频率检测技术,开发出适用于大口径PCCP管线断丝检测的检测仪器及设备,形成一整套PCCP管道断丝检测系统,并通过PCCP管道断丝（内径2m）现场原位试验验证这一检测系统的可行性、可靠性及实用性,能够实现大型PCCP管道断丝的实时监测。通过对2m大直径PCCP管道在断丝前后传感器频谱发生变化的现场原位试验,认为管线发生断丝前后,同一物体在不同部位撞击时,传感器的频谱响应都相同,不同物体敲击,频谱不完全相同,但都在830Hz附近有一个频谱响应;无论断丝与否及不同的敲击方式、不同的敲击部位,均形成三个频谱峰值响应范围,断丝前后第一个和第三个频谱范围基本相同,但第二个频谱峰值范围,断丝前在290～380Hz,断丝后的则在500～650Hz。上述结论可以对PCCP管道是否发生断丝进行定性和定量判断,为下一步南水北调大口径PCCP管线断丝的检修提供技术指导。     

预应力钢筒混凝土管插口内壁环裂机理分析

插口内壁环裂是预应力钢筒混凝土管(PCCP)普遍存在的问题,其产生机理复杂。国内外标准对PCCP混凝土裂缝规定不一,对管道裂缝的性质判定、处置方式及预防措施等问题一直困扰着工程建设者。笔者建立了预应力钢筒混凝土管的三维非线性有限元模型,对其生产制作过程中的预应力钢丝缠绕、管道吊运以及管芯混凝土干缩等典型受力工况进行了数值模拟。研究结果表明:在预应力钢丝缠绕后,环裂在插口端200 mm左右产生,并已贯穿至钢筒内壁;吊运过程将加剧裂缝宽度及塑性区的发展,且插口端外壁混凝土被拉伸破坏;后期混凝土的干缩中,环裂成为干缩的自由边界,环裂宽度将进一步扩展,塑性区宽度达到60 mm左右。PCCP插口内壁环裂机理的研究成果,可为制订环裂预防措施和进行管道结构安全评价提供科学依据。     

大型PCCP断丝效应的数值模型对比研究

采用目前常用的3种断丝效应模拟模型,即整圈退出模型、局部退出模型和局部线性退出模型,研究了双层缠丝高工压、大口径预应力钢筒混凝土管(PCCP)在运行、环境荷载联合作用下的极限承载能力和失效模式。研究结果表明:在相同的断丝数量下,整圈退出模型所能承受的极限内压最低,局部退出模型次之,局部线性退出模型最大。整圈退出模型的失效模式为内层混凝土产生1对整圈的环向裂缝并贯穿至钢筒;在局部退出模型中,钢丝应力突变处最先出现混凝土剥落、裂缝、穿孔等破坏,最终的破坏范围约为断丝区的2倍,并且在断丝区域形成1个闭合破坏回路;在局部线性退出模型中,管顶、管底內芯混凝土拉伸破坏并迅速从断丝区域延伸至插口和承口。不同数值模型获得的极限内压和失效模式具有一定差异,未来还需要开展模型或原型观测对数值模拟的结果进行验证。     

基于多场耦合的PCCP管道力学性能研究

为了探究预应力钢筒混凝土管(PCCP)在多场耦合下的力学性能,通过ABAQUS建立了管土相互作用三维模型,利用已有试验数据对PCCP结构模型进行了评估。之后,通过FLUENT建立了流场模型,并基于MpCCI实现了埋地PCCP管线的多场耦合计算。通过耦合计算,对PCCP管道力学性能进行了分析,研究了管体各层结构应力应变沿管道环向分布规律。最后,探究了断丝率对管道服役性能的影响。研究发现,砂浆、混凝土外芯和钢丝的应力应变最大位置发生在管侧位置,而混凝土内芯和钢筒在管侧位置的应力应变则小于管顶和管底位置;断丝率小于15%时,管道仍能承受工作内压0.8 MPa。     

基于AHP法的大口径PCCP管道断丝安全风险管理

如何有效地对大口径PCCP管道断丝后管道结构的安全进行合理地评价,以便采取积极有效的维修措施,是减少南水北调大口径PCCP管道运营期间断丝安全风险的有效途径。提出利用层次分析方法(AHP)建立PCCP管道安全风险层次分析数学评价模型,对影响南水北调地下大口径PCCP管道断丝的各种可能因素进行专家打分,同时,通过数值模拟计算,建立PCCP管道安全失效的判断准则及判断标准,实现大口径PCCP管道安全风险评价的定量化。在此基础上,开发出一款专门针对南水北调中线PCCP管道工程安全运行风险实时监测的管理软件。该软件系统采用自动化实时监测技术和基于Web-GIS的风险管理系统。该系统能完成监测数据的实时采集、数据档案的电子化管理以及安全风险的动态评估与预警预报。     

PCCP失效解析—美国结构设计标准一个细节有错

PCCP主要失效模式是钢丝腐蚀管爆裂,砂浆防护层裂缝是钢丝腐蚀主要原因;防护层裂缝不可避免,产品结构设计中存在先天隐蔽性缺陷;高内压的大口径PCCP管线"膨胀量"大,特别危险。信息高度不对称,造成不公平的竞争环境和结果。美国主流的管道设计已经不再考虑PCCP。失效信息在中国慢慢传开,输水管线市场将出现大变局。     

西江引水工程预应力钢筒混凝土管的质量控制

预应力钢筒混凝土管(PCCP)是由钢筒、预应力钢丝、混凝土管芯和水泥砂浆保护层等构成的复合管材,具有优越的性能。广州市西江引水工程输水干线主管材采用PCCP管,管径为3 600 mm,总管长为50.7 km。大口径PCCP管首次在南方地区应用,为确保PCCP管质量,管道设计采用美国供水协会标准,结合工程实际确定了主要设计参数,并从原材料、管材制作和成品管材检测等方面提出了PCCP管的质量控制措施。     

远场涡流技术在PCCP断丝检测中的应用

利用远场涡流变压器耦合技术可探测预应力钢筒混凝土管中的钢丝断丝现象。介绍了钢丝断丝检测仪的基本原理,当预应力钢筒混凝土管出现钢丝断丝时会对两次穿透管壁的远场涡流信号产生幅度和相位上的畸变,利用这一现象就可以实现对预应力钢筒混凝土管钢丝断丝根数和断丝位置进行判断;通过试验对该方法进行了验证。     

双侧交互式阴极保护技术在PCCP管道防腐中的应用

在新疆准东某工业园区PCCP供水管道的施工中,为了防治预应力钢丝和钢筒发生腐蚀,采用了双侧交互式布置的牺牲阳极保护技术。介绍了阴极保护的具体实施方案及施工中的注意事项,最后通过检测证明了该技术在节省投资的同时也取得了预期的防腐效果,为该地区的其他供水管道防腐提供了技术参考。     

斜拉桥平行钢丝索锈蚀断裂模拟

为模拟拉索各钢丝间的摩擦接触,放弃会带来极大计算量和高度非线性问题的常规接触单元而采用理想弹塑性弹簧单元,并推导了弹簧屈服力的计算公式。建立127丝平行钢丝束有限元模型,拉索钢丝间的摩擦接触采用理想弹塑性弹簧单元模拟,采用单元生死功能模拟钢丝断裂。计算分析结果表明:当拉索出现锈蚀断丝后,断裂钢丝并不会完全退出工作,经过一段发展长度后能恢复到正常应力水平。钢丝断裂后,各钢丝间会出现应力重分布,断裂截面断裂位置周围的钢丝应力增大,远离断丝侧钢丝应力减小,拉索合力作用点偏移拉索截面中心,故荷载恢复完成后拉索截面各钢丝平均应力并不均匀,恢复后拉索截面应力分布规律与断丝截面相反。随着断丝百分比的增加,断裂钢丝荷载恢复长度逐渐增大,相应的索力损失率增大。     

PCCP破坏机理及其加固现状

PCCP在使用过程中会出现裂缝、断丝等劣化现象,甚至出现爆管。开展PCCP破坏机理及其加固技术的研究,对于指导工程实践、保障工程安全具有重要的学术价值和经济意义。通过对国内外文献分析与研究,依次阐述了PCCP破坏机理和加固的研究进展情况,并结合目前研究状况对进一步的研究重点和方向进行了探讨。