PCCP破壞機理及其加固現狀★

呂康偉 魯文妍 劉海祥 柯敏勇

(1.河海大學力學與材料學院,江蘇 南京 210098; 2.南京水利科學研究院,江蘇 南京 210024)

預應力鋼筒混凝土管(PCCP)是一種由混凝土管芯、鋼筒、高強度預應力鋼絲和砂漿保護層組成的復合型管材[1]，且被廣泛應用于水利、化工、市政等多個領域，由于設計、施工和運行環境等影響，在使用的過程中難以避免出現各類裂縫、斷絲等劣化現象，甚至出現爆管。為了延長PCCP管的使用壽命，減少PCCP爆管時造成的人員傷亡和資源浪費，國內外學者針對PCCP管道的破壞機理及其加固技術、加固材料等進行了大量研究。本文通過廣泛查閱相關文獻，對已有的PCCP破壞機理和加固的研究進行了梳理歸納，為相關研究和安全管理者提供參考。

1 PCCP破壞機理現狀

PCCP的破壞形式可歸納為兩大類：荷載(外荷載和內水壓力)作用下導致裂縫和斷絲、其他原因造成鋼絲銹蝕導致無法受力。早在20世紀初PCCP就被生產出來，并逐漸開始得到廣泛應用，在使用過程中發現了許多問題，促使人們對PCCP的破壞機理展開研究。1990年Tremblay等人對PCCP管道進行了組合承載試驗，考察了管段同時承受外部三邊荷載和內水壓力共同作用下的受載響應問題[2]。2003年Zarghame等對受破壞鋼絲的PCCP進行了非線性有限元分析，并分析研究了在各種荷載共同作用在PCCP上時裂縫的響應情況。與現場試驗結果進行了對比，以壓力與斷裂線的數量來表示的方式開發了PCCP風險曲線[3]。2001年Diab等為了對PCCP管制定可靠的修復方法和了解管道的機械性能，對管道的修復進行了數值模擬并提出了建議[4]。2004年GomezR建立了埋地管道的二維和三維有限元模型，模擬出不同的荷載條件和預應力鋼絲的分布情況[5]。2005年John H.Bambei對PCCP管斷絲進行電磁測試試驗，并將測試結果與實際斷絲情況相比較，結果表明電磁測試通常可以準確確定PCCP上斷絲的軸向位置，但是斷絲的數量不太精確[6]。2007年JohnJ.Galleher Jr分析了美國圣地亞哥市PCCP事故的原因，并對運用聲光纖(AFO)電纜系統監控PCCP的鋼絲的準確性進行了安全評估[7]。2009年Rudy Loera等對PCCP可靠性管理系統進行了研究，分析了斷絲、裂縫對PCCP承載力的影響，并指出系統是對預應力鋼絲著重監測的[8]。

我國對PCCP的研究和生產起步相對較晚，1996年余洪方等對PCCP裂縫形式和產生機理進行了分析，并在工藝、焊接質量、混凝土改進、鋼筒的處理方面上提出了避免裂縫的措施[9]。2005年劉江寧通過對PCCP外荷載和管溝支撐腳的計算分析，得出了通過減小管溝寬度和材料容重，增大管溝支撐角可以顯著減小PCCP的壁厚[10]。2009年胡少偉等進行了內水壓承載能力試驗，試驗得出了超大口徑PCCP管預應力鋼絲能有效提高混凝土的承載力，PCCP能在極限內水壓下發揮預應力鋼絲充分受拉和混凝土充分受壓的性能，最后鋼絲屈服和混凝土的最終破壞[11]。2010年熊歡結合試驗中PCCP的斷絲現象，根據環向預應力作用機理，通過計算分析對預應力纏絲進行合理的纏絲模型，并建立了較為復雜的PCCP管道斷絲模型[12]。2012年胡少偉等通過對PCCP進行外荷載試驗，分析了混凝土在各個階段鋼絲的受力和裂縫變化隨荷載改變的情況，PCCP承受的拉應力和管芯混凝土的預應力都是由PCCP中鋼絲提供的[13]。2013年趙曉露用ABAQUS從不同的斷絲比例和不同的斷絲區域方面研究了斷絲對PCCP承載力的影響[14]。2014年竇鐵生、燕家琪結合工程介紹了一種是由于腐蝕或者氫脆性導致斷絲，隨著保護層的破壞導致鋼筒也被腐蝕和破裂，最后導致PCCP不能正常工作的環向破壞模式。另一種是由于外力的突然作用，而管道不能充分抵抗這些外力導致破壞的縱向破壞模式[15]。2016年孟宇通過建立斷絲模型分析了隨內水壓力的變化斷絲區和非斷絲區的裂縫和應力的分布情況[16]。2017年竇鐵生、胡赫等研究了PCCP內壓承載力中斷絲數量對其的影響，用降溫法模擬鋼絲的預應力，得出PCCP的承載能力主要由鋼絲提供[17]。

由于目前現場試驗具有一定的條件限制，試驗結果具有一定的缺陷性，為探究PCCP實際承載力與裂縫和斷絲的影響關系，還需要進行大量的試驗研究。需建立模擬鋼絲腐蝕過程的模型，鋼絲腐蝕模型將使預應力鋼絲的失效可預測，并將大大提高預測PCCP試驗的可行性和準確性[18]。對于PCCP達到最大承載力下預應力鋼絲所需的最合適的間距、加密度、加密長度、數量等和斷絲位子的隨機性的研究探索。結合現有的研究成果，進一步探索PCCP在動荷載作用下對裂縫和斷絲的影響的研究。

2 PCCP加固現狀

隨著PCCP的逐步推廣應用，到現在許多PCCP管道已開始接近或達到無法正常工作狀態。近年來的檢測發現，國內大量PCCP管道已經出現裂縫和鋼絲斷裂且隨時間逐年增加。為了減少爆管造成的危害，如何對PCCP管道進行切實有效的修補加固，需對這一課題進行深入的研究。PCCP管維修加固可以采用置換、外部后張預應力、內襯鋼筒、粘貼復合纖維材料等方法。置換法適用于某一定范圍內的管，對部分已損壞的管道進行重新替換，施工簡便但成本高，妨礙正常用水；外部后張預應力法是在出現斷絲處的外面重新張拉預應力，然后在鋼絲外加保護層，此方法雖不影響用水，但施工復雜需開挖，成本較高；內襯鋼筒法是把鋼筒插入損傷管，再進行焊接，在內襯與損傷管之間注入砂漿。加固后管道的耐久性好，但是費用較高，適用于補強加固較長管線；粘貼復合材料法是在損傷管內通過環氧膠粘貼復合材料(主要是碳纖維CFRP)，通過復合材料的層數和粘貼方向達到加固效果。該方法需要停水，且需較長的時間保證粘貼強度，但是不影響地面活動、施工簡單，是重要的加固方式。2001年Houssam等對GFRP，AFRP，CFRP分別進行了研究，最后得出CFRP加固效果在提高管道內壓承載力、強度、耐腐蝕性、耐久性方面較優于其他兩種材料。并提出了管壁上各種應力之間相互作用的應力表達式和纖維增強聚合物復合材料(FRPC)板對受損管壁的環向應力的影響[19]。Murat Engindeniz在2006年提出了CFRP補強加固彎曲段管道時應該滿足管道運行過程中的水壓軸推力、彎矩、溫度變化以及環向應變的泊松效應引起的縱向應力需求[20]。2015年Yongjei Lee在針對CFRP補強加固缺少PCCP理論計算公式的情況下提出斷絲的程度、加固層數和碳纖維粘貼角度影響管道承載力，并提出了一種確定承擔內壓時碳纖維所需層數的簡易計算方法，同時采用有限元計算方法對公式進行了驗證[21]。2013年Amer Hmidan等基于三維有限元模型研究了CFRP加固對具有各種裂紋的構件性能的影響，得出裂紋長度與構件總長的比率增加時，CFRP加固效果顯著[22]。2014年，Murat Engindeniz等對CFRP補強PCCP的軸承試驗和靜水壓試驗，以及拉伸和測試CFRP補強中使用的不同環氧樹脂的彎曲延展性。概述了這些實驗的結果及其對PCCP的設計，材料，安裝和質量控制規定的影響[23]。

目前國內關于PCCP工程實際應用的修復經驗不斷增多，研究的修復方法從局部修復，逐漸擴展到對預應力鋼筒混凝土管整體結構安全修復要求。2001年屠毓敏分析了溝埋式預應力混凝土管的斷裂原因，得出管道斷裂是由于地基處理質量不好導致不均勻沉降和管道不合理設計引起的[24]。2002年孔杰等對復合材料卷材加固有缺陷的管道進行了試驗。試驗結果得出用該復合材料加固有缺陷的管道能提高其承載力，也能延長使用壽命[25]。2004年陳亞鵬結合大量試驗數據和理論，對CFRP加固PCCP進行了有限元模型建立，并驗證了計算方法的正確性[26]。2006年王自本結合實際工程討論了PCCP從生產、運輸到安裝，在保證管道質量所需要采取的關鍵措施[27]。2014年，燕家琪提出了破壞邊界及破壞風險與維修等級的劃分方法[28]。2017年竇鐵生、胡赫、程冰清等對CFRP修復PCCP進行內外壓試驗和數值分析，得出不管是單層還是雙層纏絲管CFRP粘貼層數與管內承壓力成正比[29]。通過分析外壓試驗得出的力學性能參數，對CFRP加固的設計方法進行完善[30]。2017年孫志恒、徐耀等對預應力碳纖維加固PCCP進行了研究，試驗結果得出預應力碳纖維加固能有效避免管的裂縫和鋼絲的斷裂[31]。2018年孫志恒等研發出了一種高壓縮彈性墊層材料，并提出了預應力碳纖維加固PCCP的技術，并通過計算驗證了預應力碳纖維加固PCCP后能有效增強PCCP的承載力[32]。

目前加固PCCP管道的主要加固方式是粘貼碳纖維，然而國內外大多數研究是關于普通(非預應力)碳纖維加固材料的應用且已經取得了一定的研究成果。而預應力碳纖維加固能充分發揮材料高強度性能，又可抑制PCCP的變形和裂縫的發展，需進一步加強預應力碳纖維加固的相關理論和具體試驗的研究。

3 結語

綜合國內外現有的研究情況，對PCCP結構安全的研究還不足以完全面對工程實際問題，對PCCP承載力安全與裂縫和斷絲的影響探究需更深入。尚需建立更符合實際、更加完善的斷絲模型繼續深入研究，結合管道實際環境，分析管道受到各種內外力共同作用時的裂縫和斷絲的作用機理；綜合現有的研究成果，建立對管道結構安全性的實時監測系統，更全面構建PCCP管道的結構安全性評價體系[33]；結合相關理論對預應力碳纖維加固PCCP的施工工藝和加固后的破壞形態、破壞機理展開進一步研究。