預應力鋼筒混凝土管（PCCP）體外預應力加固方法研究

張志紅，呂兵，李記興，王帆，陳曉 ，李軍

（1.柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西 柳州 545000；2.北京市南水北調干線管理處，北京 100195；3.北京韓建水利水電工程有限公司，北京 102488）

1 引言

預應力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，簡稱PCCP），它是在帶有鋼筒的管芯混凝土上螺旋纏繞預應力鋼絲，在其外噴涂致密的水泥砂漿作為保護層，并涂覆環氧煤瀝青防腐涂層，是由鋼板、混凝土、高強鋼絲和水泥砂漿幾種材料組成的復合型管材[1]。這種管材綜合了鋼材和混凝土的優點，綠色環保、抗滲性能好、承壓高，接頭采用雙膠圈密封，密封性能好，它充分發揮了鋼絲的高強性、鋼筒密封性、混凝土的抗壓和耐腐蝕性。

PCCP是長距離、高工壓、高覆土、大口徑輸水管道工程的首選管材，廣泛應用于長距離引水和供水工程、工業供水工程、各種市政壓力排污主管道和倒虹吸管等工程[2]。國外典型工程應用：利比亞大人工河鋪設了約四千公里的PCCP管道，由于高腐蝕性的環境造成了一些管道爆裂，Freyssinet公司利用體外預應力法對關鍵管道進行了修復作業[3]。

預應力鋼筒混凝土管（PCCP），由于設計、制造、安裝缺陷或是運行不恰當，或是受惡劣環境的影響，會出現砂漿保護層分層甚至脫落、混凝土管芯出現環向或者縱向裂縫、預應力鋼絲銹蝕或者斷裂、薄鋼筒銹蝕等問題。為使PCCP斷絲管恢復至原有承載力，消除安全隱患，國內外學者對PCCP補強加固方法進行了研究。目前常用的方法主要有換管法、內部加固法（頸縮鋼筒內襯、鋼管內襯、內貼碳纖維）和外部加固法（加強鋼帶補強法、體外預應力法）等[4-6]。

本文是采用外部加固法中的施加體外預應力的方法對PCCP斷絲管（見圖1）進行加固。通過施加體外預應力來主動補償由PCCP鋼絲斷裂而導致的預應力損失，從而使管體恢復至原有承載力，同時PCCP斷絲管加固施工過程中無需排空管道，可以帶壓修復，對于無法停止供水的管道尤為適用。

圖1 南水北調工程開挖段PCCP管損傷圖

2 本方案施加體外預應力加固方法

常規的施加體外預應力法，就是將預應力鋼絞線按一定的間距螺旋纏繞于在PCCP斷絲管外表面，通過張拉和錨固鋼絞線，對PCCP斷絲管體施加預應力，使斷絲管體恢復至原有承載能力；鋼絞線的布設完之后，需在外側噴射水泥砂漿保護層進行保護，再按步驟回填。此技術難以修復爆管的管道，只能修復結構完整的管道。同時，施加體外預應力法也面臨著基坑大開挖的問題，由于預應力鋼絞線需要穿過管體的底部，所以穿預應力鋼絞線之前必須需要掏空管底土體，同時提前做好支護和保護措施。

根據上面內容，原有的施加體外預應力加固方法需要整段開挖，工程量大。但本方案可以在PCCP斷絲管局部開挖工況下，安全且高效地進行預應力管道外加固施工作業。

加固機理：在PCCP斷絲節段位置，先將錨臺結構用粘鋼膠安裝在斷絲管節段上，然后用我司研發的專用PCCP環管鉆機在基坑半開挖情況下鉆出用于預應力鋼絞線穿束的孔道，接著將一定間距的雙圈預應力鋼絞線穿過孔道纏繞在管體外表面，用專用張拉機具對雙圈預應力鋼絞線兩端同步對稱張拉，鋼絞線拉力分布穩定后切除多余工作長度，用專用防腐及封裝材料進行封錨處理，重復以上步驟完成整根PCCP斷絲管的外加固施工。

圖2 PCCP斷絲管體外預應力加固三維模型

2.1 預應力鋼絞線的伸長量計算

《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）[7]與《預應力混凝土結構設計原理》[8]教材中均有提到預應力損失計算相關的內容。見《預應力混凝土結構設計原理》教材第三章中預應力鋼筋與孔道壁之間摩擦引起的預應力損失內容，有：

預應力鋼筋與孔道壁之間摩擦引起的預應力損失值：

于是，從張拉端到計算截面預應力鋼筋預加力的下降值為

式中：N0—張拉端的預加力；

σcon—預應力鋼筋張拉控制應力；

μ—預應力鋼筋預孔道壁之間的摩擦系數；

θ—從張拉端至計算截面各曲線段孔道彎曲角之和（rad）；

k—孔道偏差摩擦影響系數（1/m）；

X—從張拉端至計算截面的孔道長度（m），可近似取該孔道在構件軸上的投影長度。

PCCP管預應力加固時，取PCCP管直徑4.8m，張拉力N0為200kN；鋼絞線采用直徑15.2的無粘結鋼絞線，其彈性模量為196GPa，其公稱截面積為140mm2；鋼絞線與PE管之間的摩擦系數取0.12。同時，計算模型將圓形孔道分成60份，每份是6度。于是，這樣可以得到預應力鋼絞線伸長量值，見表1。

預應力鋼絞線伸長量 表1

從表1可以看出，假設采用單圈的預應力鋼絞線對PCCP斷絲管進行加固，初始端拉力值為200kN，末尾端的拉力值則為89.485kN，預應力損失了一半，由此可見單圈鋼絞線單端張拉時，預應力的損失量很大，管周預應力的分布也是不均勻的。因此，經過以上數據分析，決定采用雙圈預應力體系兩端同步張拉的操作工法對PCCP斷絲管進行體外預應力加固施工。

2.2 鋼絞線環錨用錨臺結構設計

利用三維有限元分析軟件，建立由六面體單元組成的錨臺空間結構模型。錨臺結構采用Solid186單元[9]，彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，質量密度為7850kg/m3。錨臺的有限元模型，見圖3。將計算的每根鋼絞線的力值，施加在對應的錨具作用面位置，同時在模型底面施加豎向支撐。

圖3 錨臺結構有限元模型

有限元分析結果：如圖4所示，錨臺的最大Von-Mises應力位于單孔錨對應力穿鋼絞線的孔洞與馬蹄孔之間的位置，原因：一是此位置正好在邊界條件施加處，存在一定范圍的應力集中；二是這個位置本身比較薄弱。大應力的單元數目很少，模型總單元數為193895（由于模型結構復雜、孔洞較多，且角度傾斜，給網格劃分造成極大困難），大應力的單元占比例極小。錨臺模型的單元應力結果大部分均在350MPa以內，滿足此結構在實際PCCP斷絲管加固工程中的使用需求。

圖4 錨臺結構Von-Mises應力圖（Pa）

2.3 專用張拉裝置結構設計

張拉裝置的主要結構采用ANSYS有限元軟件進行數值模擬，各桿件均采用實體20node186單元[9]進行建模。荷載的組合形式：①恒載，張拉裝置的自重；②活載，面荷載66.67MPa（作用面的面積6000mm2，張拉力為40tonf），具體如圖5所示。

圖5 專用張拉裝置計算模型

有限元分析結果：見圖6，張拉裝置最大Von-Misesstress應力為267.385MPa，按照安全系數n=1.25，應力超過235/1.25=188MPa的比例非常小，且位于千斤頂內外缸之間和千斤頂與擋板之間。說明原設計結構符合實際加固工程需求。

圖6 專用張拉裝置Von-Mises應力圖（MPa）

2.4 PCCP斷絲管加固試驗效果

應北京水務局下轄中線進京管道的維護需要，我司于2017年配合北京水利規劃設計院，在北京韓建河山管廠內，對兩段PCCP試驗管道進行了管外預應力加固試驗，試驗結果良好。參照合作單位發表的文獻《預應力鋼筒混凝土管體外預應力加固試驗研究》可知試驗結果[10]。

試驗中：預應力鋼筒混凝土管（PC?CPE），內徑為2m，管長為5m，內水壓的工作壓力為0.6MPa；鋼絞線采用直徑15.2mm，公稱抗拉強度為1860MPa的無粘結預應力鋼絞線。

試驗結果表明：PCCP斷絲管在通過施加體外預應力加固后，能夠主動補償由PCCP管鋼絲斷裂而造成的預應力損失，也能夠使混凝土管體裂縫閉合并限制裂縫的擴展，仍可以承受原設計水壓，滿足了PCCP管的使用要求，加固效果明顯。

圖7 本方案施加體外預應力加固試驗圖

3 結論

本方案中的施加體外預應力體系加固方法，針對預應力鋼筒混凝土管（PC?CP）有良好的加固效果，在原有的不需要停水及排空管道、可帶壓修復的優勢基礎上，對比普通的體外預應力加固法有：

①在對PCCP斷絲管進行體外預應力加固施工中，單圈鋼絞線單端張拉時，預應力的損失量很大，管周預應力的分布也不均勻，于是決定采用雙圈預應力體系兩端同步張拉的操作工法；

②利用雙圈預應力鋼絞線對PCCP斷絲管加固而開發的專用鋼絞線環錨用錨臺結構和鋼絞線環錨用錨臺結構，通過ANSYS有限元分析，此兩種結構的Von-Mises應力均在各自的材料強度容許范圍內，有一定的安全系數，滿足在實際PCCP斷絲管加固工程中的使用需求；

③本方案采用利用半管淺開挖工況進行PCCP管道的預應力外加固施工，不需要進行基槽大開挖，避免了深基坑開挖的高施工風險，有效降低施工對環境的破壞；

④本方案專業的施工設備提高了預應力外加固作業的裝備化程度，同時可有效降低施工費用，提高施工效能，更好地保證加固效果。

綜上所述，此施加體外預應力對PCCP斷絲管的加固方案，加固效果良好，拓寬了PCCP管道外加固的技術領域，有很高的市場推廣價值。