PCCP復(fù)式碳纖維加固1∶1模型試驗(yàn)研究

孫志恒 楊進(jìn)新 李萌 韋昊南

摘要：針對(duì)PCCP的預(yù)應(yīng)力鋼絲斷裂數(shù)目增多給PCCP運(yùn)行帶來的安全隱患問題，提出了PCCP復(fù)式碳纖維加固技術(shù)。在原型PCCP內(nèi)壁進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，證實(shí)了PCCP復(fù)式碳纖維加固技術(shù)的可行性。試驗(yàn)采用電阻應(yīng)變片和光纖兩種測(cè)量手段，監(jiān)測(cè)了1∶1模型在內(nèi)水壓力作用下斷絲對(duì)PCCP內(nèi)壁混凝土及碳纖維的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：與傳統(tǒng)碳纖維加固方案相比，對(duì)4 m管徑的PCCP采用內(nèi)壁復(fù)式碳纖維加固方案可提高碳纖維的拉應(yīng)力水平約4～5倍。

關(guān)鍵詞：PCCP;1∶1模型;復(fù)式碳纖維加固;傳統(tǒng)碳纖維加固

中圖法分類號(hào)：TV746.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.010

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）06 - 0049 - 04

1? ? 研究背景

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）是在帶有鋼筒的混凝土管芯外側(cè)纏繞環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲，并在管體外側(cè)輥射水泥砂漿保護(hù)層而制的一種復(fù)合型管材，其中預(yù)應(yīng)力鋼絲對(duì)于PCCP的承載力有較大影響。目前，中國(guó)引調(diào)水工程中使用PCCP的工程越來越多，但由于設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量缺陷，土壤腐蝕環(huán)境，運(yùn)行管理不當(dāng)?shù)仍颍鄠€(gè)工程已出現(xiàn)爆管情況，且大部分爆管是由于高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲出現(xiàn)斷絲所致。修復(fù)破損PCCP主要采用開挖更換、鋼絞線修復(fù)、頸縮鋼筒、鋼管穿插、外貼碳纖維及內(nèi)貼碳纖維等方法。其中，內(nèi)貼碳纖維加固PCCP技術(shù)是通過樹脂類膠結(jié)材料將碳纖維材料粘貼于PCCP內(nèi)側(cè)混凝土表面，通過兩者的共同作用達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)、改善結(jié)構(gòu)受力性能的一種加固技術(shù)。與其他加固技術(shù)相比，該技術(shù)無需大型施工機(jī)具，施工簡(jiǎn)便、高效、質(zhì)量易保證。但是，傳統(tǒng)粘貼碳纖維加固PCCP技術(shù)存在一些固有缺陷，混凝土的開裂應(yīng)變與碳纖維的極限拉應(yīng)變相差甚遠(yuǎn)，直接粘貼碳纖維難以抑制PCCP結(jié)構(gòu)的變形、裂縫的發(fā)展和外側(cè)預(yù)應(yīng)力鋼絲的斷裂，使碳纖維材料的高強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)不能得到有效發(fā)揮。復(fù)式碳纖維加固技術(shù)是指在碳纖維與混凝土內(nèi)壁之間增設(shè)一層高壓縮彈性墊層，在相同的內(nèi)水壓力下，復(fù)式碳纖維加固方法中碳纖維的徑向位移囊括了彈性墊層的壓縮量，導(dǎo)致碳纖維環(huán)向位移增大，進(jìn)而提高了碳纖維的環(huán)向應(yīng)力，使碳纖維承擔(dān)更多的內(nèi)水壓力。因此，有必要將PCCP傳統(tǒng)碳纖維加固方法與復(fù)式碳纖維加固方法進(jìn)行對(duì)比，來驗(yàn)證復(fù)式碳纖維加固方法的可行性與優(yōu)越性，并為以后的PCCP內(nèi)部補(bǔ)強(qiáng)加固處理積累經(jīng)驗(yàn)。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置

模型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用兩節(jié)直徑為4 m的PCCP、一節(jié)連接管、兩個(gè)堵頭和兩個(gè)鎮(zhèn)墩。圖1為PCCP修復(fù)技術(shù)1∶1模型內(nèi)加固試驗(yàn)布置。其中1號(hào)PCCP采用復(fù)式碳纖維加固方法，即在碳纖維與PCCP內(nèi)壁混凝土表面之間粘貼一層高壓縮彈性墊層（厚5 mm），碳纖維選用一層環(huán)向+一層縱向+一層環(huán)向，碳纖維表面涂刷SK單組分聚脲（厚1.0～1.5 mm）防護(hù)，簡(jiǎn)稱“復(fù)式碳纖維加固管”。2號(hào)PCCP采用傳統(tǒng)碳纖維加固方法，即在PCCP內(nèi)壁混凝土表面直接粘貼碳纖維，碳纖維選用一層環(huán)向+一層縱向+一層環(huán)向，碳纖維表面涂刷SK單組分聚脲防護(hù)，簡(jiǎn)稱“傳統(tǒng)碳纖維加固管”;中間的鋼管作為連接管，堵頭留有進(jìn)出人孔，鎮(zhèn)墩要求能夠承受試驗(yàn)中內(nèi)水壓力的推力。在PCCP承插接口30～40 cm范圍內(nèi)涂刷厚4 mm的SK單組分聚脲封邊來增加表面柔性止水。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)

PCCP試驗(yàn)管道設(shè)計(jì)工作壓力為0.6 MPa、9 m覆土。管芯厚320 mm，兩個(gè)試驗(yàn)管均有內(nèi)、外兩層鋼絞線，其中1號(hào)復(fù)式碳纖維加固管外層鋼絲226根、內(nèi)層鋼絲227根;2號(hào)傳統(tǒng)碳纖維加固管外層鋼絲291根、內(nèi)層鋼絲297根。PCCP材料力學(xué)性能參數(shù)如下：

管芯混凝土彈性模量設(shè)計(jì)值 27 860.6 MPa

鋼筒彈性模量設(shè)計(jì)值206 850 MPa

鋼絲彈性模量設(shè)計(jì)值193 035 MPa

砂漿彈性模量設(shè)計(jì)值24 864 MPa

鋼絲纏繞應(yīng)力 1 177.5 MPa

鋼筒拉伸屈服強(qiáng)度 227.53 MPa

鋼筒抗拉強(qiáng)度 310 MPa

保護(hù)層砂漿抗壓強(qiáng)度37.92 MPa

試驗(yàn)使用碳纖維布力學(xué)參數(shù)見表1。

選擇的高壓縮彈性墊層具有在彈性范圍內(nèi)壓縮量大、本體強(qiáng)度較高、抗?jié)B、耐老化、耐低溫、與混凝土和碳纖維黏接強(qiáng)度大于墊層本體強(qiáng)度等特點(diǎn)，壓縮40%以內(nèi)時(shí)的泊松比約為0.3，墊層拉伸強(qiáng)度值大于2.0 MPa，拉伸斷裂伸長(zhǎng)率大于100%。

3 PCCP內(nèi)部碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固及測(cè)量

3.1 碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固

PCCP復(fù)式碳纖維加固施工工藝為： PCCP內(nèi)壁混凝土表面打磨、清洗、晾干。在混凝土表面布置電阻應(yīng)變片和分布式光纖測(cè)點(diǎn)，分別粘貼應(yīng)變片和分布式光纖，并進(jìn)行保護(hù)。混凝土表面粘貼高壓縮彈性墊片，墊片表面輥壓平整，并刮涂膩?zhàn)诱移剑瑘D2為高壓縮彈性墊層表面刮涂膩?zhàn)诱移浆F(xiàn)場(chǎng)。在高壓縮彈性墊片表面粘貼兩層環(huán)向和一層縱向碳纖維布，圖3為墊層表面粘貼環(huán)向碳纖維施工現(xiàn)場(chǎng)，在碳纖維表面布置應(yīng)變片和光纖測(cè)點(diǎn)，粘貼電阻應(yīng)變片和分布式光纖，并進(jìn)行保護(hù)。在碳纖維表面涂刷厚1.0～1.5 mm的SK手刮聚脲（抗沖磨型）進(jìn)行防護(hù)。PCCP傳統(tǒng)碳纖維加固施工工藝同上，不同之處是在混凝土表面直接粘貼兩層環(huán)向和一層縱向碳纖維布。

3.2 應(yīng)變測(cè)量方法及測(cè)點(diǎn)布置

在1∶1模型試驗(yàn)中，PCCP混凝土及碳纖維應(yīng)變測(cè)量分別采用電阻應(yīng)變片和分布式光纖應(yīng)變測(cè)量方法。

試驗(yàn)對(duì)每節(jié)管道前后間隔1.25 m的3個(gè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即將電阻應(yīng)變片和環(huán)向光纖粘貼在這3個(gè)斷面的位置。

1號(hào)管內(nèi)混凝土表面應(yīng)變片布置14個(gè)測(cè)點(diǎn)，碳纖維表面應(yīng)變片布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)。2號(hào)管內(nèi)混凝土表面應(yīng)變片布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，碳纖維表面應(yīng)變片布置12個(gè)測(cè)點(diǎn) 。管內(nèi)混凝土表面光纖采用一條龍的方式粘貼，每節(jié)管道混凝土內(nèi)壁分別貼有3個(gè)光纖環(huán)，共計(jì)6個(gè)光纖環(huán)。在每節(jié)管道內(nèi)壁粘貼的碳纖維表面貼了3個(gè)環(huán)向光纖，共計(jì)6個(gè)光纖環(huán)。在接近管底的位置粘貼縱向光纖。

4? ?現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)步驟

在未斷絲情況下，施加內(nèi)水壓力，每次以0.1 MPa遞增方式加載，直到達(dá)到0.9 MPa，每次穩(wěn)壓10 min。在穩(wěn)壓0.9 MPa的情況下，外層預(yù)應(yīng)力鋼絲分4次均勻切斷。外層預(yù)應(yīng)力鋼絲全部切斷后，為試驗(yàn)安全起見，將內(nèi)水壓力卸載至零，開始切斷內(nèi)層預(yù)應(yīng)力鋼絲。復(fù)式碳纖維加固管內(nèi)層預(yù)應(yīng)力鋼絲每次斷絲28根，內(nèi)水壓力分別為0.3，0.5，0.7，0.9 MPa，直至全部斷絲后卸載，抽空管內(nèi)水。傳統(tǒng)碳纖維加固管內(nèi)層預(yù)應(yīng)力鋼絲每次斷絲28根，內(nèi)水壓力分別為0.3，0.5，0.7，0.9 MPa，直至剩余87根鋼絲后卸載，抽空管內(nèi)水。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

5.1 內(nèi)水壓力作用下外層預(yù)應(yīng)力鋼絲斷絲工況

（1）PCCP內(nèi)壁混凝土表面測(cè)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)變。在PCCP內(nèi)水壓力從0增加至0.9 MPa以及在保持內(nèi)水壓力為0.9 MPa，外層預(yù)應(yīng)力鋼絲斷絲的工況下，復(fù)式碳纖維加固管和傳統(tǒng)碳纖維加固管混凝土表面測(cè)點(diǎn)的環(huán)向拉應(yīng)變均隨著內(nèi)水壓力的增加而增大。但當(dāng)內(nèi)水壓力保持在0.9 MPa后開始斷絲，隨著外層預(yù)應(yīng)力鋼絲斷絲數(shù)量的增加，混凝土表面測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的增量變化很小，說明外層預(yù)應(yīng)力鋼絲對(duì)內(nèi)加固后的PCCP承受0.9 MPa內(nèi)水壓力情況的影響不大。兩個(gè)管混凝土表面測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值小，但差值不明顯。當(dāng)內(nèi)水壓力達(dá)到0.9 MPa時(shí)，兩個(gè)管內(nèi)壁混凝土應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)拉應(yīng)變?cè)隽孔畲笾禐?20 με;外層預(yù)應(yīng)力鋼絲全部斷絲后，兩個(gè)管內(nèi)壁混凝土應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)拉應(yīng)變?cè)隽孔畲笾禐?40 με。光纜測(cè)量結(jié)果與應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果基本相當(dāng)。

（2） PCCP內(nèi)壁碳纖維表面測(cè)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)變。在PCCP內(nèi)水壓力從0增加至0.9 MPa，并且保持內(nèi)水壓力0.9 MPa不變，外層預(yù)應(yīng)力鋼絲分4次均勻斷絲的工況下，PCCP內(nèi)壁碳纖維表面電阻應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)變?cè)隽孔兓妶D4。從圖4可以看出，隨著內(nèi)水壓力的增加，復(fù)式碳纖維加固管內(nèi)壁碳纖維表面應(yīng)變值較傳統(tǒng)加固碳纖維表面應(yīng)變值顯著增加，管腰部和管頂應(yīng)變?cè)黾又导s為80%，管底部測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)黾又导s為40%。當(dāng)內(nèi)水壓力保持在0.9 MPa后開始斷絲，隨著外層預(yù)應(yīng)力鋼絲斷絲的增加，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)黾又祷静蛔儭鹘y(tǒng)碳纖維加固管內(nèi)壁碳纖維表面的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)隽颗c混凝土表面的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)隽炕鞠嗤?/p>

圖5為光纖測(cè)量碳纖維應(yīng)變數(shù)據(jù)。從圖5可以看出：每個(gè)管道碳纖維表面有對(duì)應(yīng)3個(gè)光纖環(huán)應(yīng)變，對(duì)比復(fù)式碳纖維加固管和傳統(tǒng)碳纖維加固管內(nèi)壁碳纖維表面的相對(duì)應(yīng)變可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)式碳纖維加固管碳纖維相對(duì)應(yīng)變明顯增大，加壓至0.9 MPa時(shí)，相對(duì)應(yīng)變值在1 300 με左右;傳統(tǒng)碳纖維加固管碳纖維相對(duì)應(yīng)變較小，加壓至0.9 MPa時(shí)，相對(duì)應(yīng)變值在300 με左右，二者相差1 000 με。

電阻應(yīng)變片和分布式光纖測(cè)量結(jié)果均表明：復(fù)式碳纖維承擔(dān)的內(nèi)水壓力較傳統(tǒng)碳纖維顯著增大。

5.2 內(nèi)水壓力作用下內(nèi)層預(yù)應(yīng)力鋼絲斷絲后工況

（1） 內(nèi)層預(yù)應(yīng)力鋼絲數(shù)量與PCCP內(nèi)壁混凝土環(huán)向應(yīng)變?cè)隽俊ｋ娮钁?yīng)變片和分布式光纖測(cè)量結(jié)果表明，試驗(yàn)管的內(nèi)層預(yù)應(yīng)力鋼絲均勻切斷后，隨著內(nèi)水壓力的增加，混凝土表面各測(cè)點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)變?cè)隽坎粩嘣龃螅?dāng)內(nèi)水壓力為0.9 MPa時(shí)，復(fù)式碳纖維加固管管道內(nèi)壁混凝土應(yīng)變?yōu)?50～300 με，傳統(tǒng)碳纖維加固管管道內(nèi)壁混凝土應(yīng)變?yōu)?00～350 με。復(fù)式碳纖維加固管混凝土應(yīng)變較傳統(tǒng)碳纖維加固管混凝土應(yīng)變小50 με左右。當(dāng)?shù)谝淮渭訅褐?.9 MPa后卸壓至零，再進(jìn)行第二次切割。各應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值變化規(guī)律基本一致。

（2）內(nèi)層預(yù)應(yīng)力鋼絲數(shù)量與PCCP內(nèi)壁碳纖維環(huán)向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)隽俊ｋ娮钁?yīng)變片結(jié)果表明：傳統(tǒng)碳纖維加固管內(nèi)層預(yù)應(yīng)力鋼絲第一次均勻切斷37根，隨著內(nèi)水壓力的增加，碳纖維表面應(yīng)變片各測(cè)點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)變?cè)隽坎粩嘣龃螅?dāng)內(nèi)水壓力為0.9 MPa時(shí)，碳纖維表面的應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?yōu)?89～283 με;相應(yīng)的復(fù)式碳纖維加固管第一次均勻切斷28根，隨著內(nèi)水壓力的增加，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?cè)隽垦杆僭龃?當(dāng)內(nèi)水壓力為0.9 MPa時(shí)，碳纖維表面的應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?yōu)?17～1 091 με，復(fù)式碳纖維加固管較傳統(tǒng)碳纖維加固管中的碳纖維應(yīng)變大4～5倍。當(dāng)?shù)谝淮渭訅褐?.9 MPa后卸壓至零，再進(jìn)行第二次切割，應(yīng)變片各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值變化規(guī)律基本一致。

表2為內(nèi)層預(yù)應(yīng)力鋼絲數(shù)量與碳纖維表面光纖環(huán)向應(yīng)變?cè)隽孔兓闆r。從表2可以看出：傳統(tǒng)碳纖維加固管第一次均勻切斷37根，當(dāng)內(nèi)水壓力為0.9 MPa時(shí)，管中碳纖維表面光纖測(cè)得的應(yīng)變?yōu)?50～250 με;相應(yīng)的復(fù)式碳纖維加固管第一次均勻切斷28根，當(dāng)內(nèi)水壓力為0.9 MPa時(shí)，管中碳纖維表面光纖測(cè)得的應(yīng)變?yōu)?20～920 με。復(fù)式碳纖維加固管中的碳纖維表面的環(huán)向應(yīng)變較傳統(tǒng)碳纖維加固管中的碳纖維應(yīng)變大4～5倍。光纖與應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果基本一致。

5.3 卸載后管內(nèi)部檢查

試驗(yàn)完成后排空管內(nèi)水，進(jìn)入PCCP內(nèi)部進(jìn)行檢查。從現(xiàn)場(chǎng)檢查情況來看，復(fù)式碳纖維加固管和傳統(tǒng)碳纖維加固管管道內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)碳纖維剝落及脫空現(xiàn)象。復(fù)式碳纖維加固管內(nèi)部管體內(nèi)徑同試驗(yàn)前沒有變化。

6? ? 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)過程采用電阻應(yīng)變片測(cè)量和分布式光纖測(cè)量?jī)煞N方式同時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土及碳纖維表面應(yīng)變，兩種測(cè)量方式獲得的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變結(jié)果基本一致，起到了相互印證了效果，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。

（2）試驗(yàn)結(jié)果證明：采用碳纖維內(nèi)加固后的兩節(jié)PCCP在0.9 MPa內(nèi)水壓力作用下，外層鋼絞線全部斷絲，對(duì)內(nèi)壁采用碳纖維加固的兩節(jié)PCCP的結(jié)構(gòu)影響不大。

（3）采用復(fù)式碳纖維加固的1號(hào)管和采用傳統(tǒng)碳纖維加固的2號(hào)管在多次加、卸壓的情況下，PCCP管道內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)碳纖維剝落情況，管體內(nèi)部尺寸與試驗(yàn)前相比沒有明顯變化，說明在PCCP內(nèi)部粘貼碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固工藝是可行的，結(jié)構(gòu)是可靠的。

（4）在內(nèi)水壓力作用下，對(duì)4 m直徑的PCCP采用內(nèi)壁復(fù)式碳纖維加固方案，較傳統(tǒng)碳纖維加固方案可以提高碳纖維的拉應(yīng)力水平4～5倍，提升了碳纖維加固PCCP的效果，起到了使碳纖維與PCCP聯(lián)合共同承受內(nèi)水壓力的效果及預(yù)防PCCP爆管的作用。

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（編輯：李 慧）