PCCP破壞機(jī)理及其加固現(xiàn)狀★

呂康偉 魯文妍 劉海祥 柯敏勇

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

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)是一種由混凝土管芯、鋼筒、高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲和砂漿保護(hù)層組成的復(fù)合型管材[1]，且被廣泛應(yīng)用于水利、化工、市政等多個(gè)領(lǐng)域，由于設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行環(huán)境等影響，在使用的過程中難以避免出現(xiàn)各類裂縫、斷絲等劣化現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)爆管。為了延長PCCP管的使用壽命，減少PCCP爆管時(shí)造成的人員傷亡和資源浪費(fèi)，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)PCCP管道的破壞機(jī)理及其加固技術(shù)、加固材料等進(jìn)行了大量研究。本文通過廣泛查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)已有的PCCP破壞機(jī)理和加固的研究進(jìn)行了梳理歸納，為相關(guān)研究和安全管理者提供參考。

1 PCCP破壞機(jī)理現(xiàn)狀

PCCP的破壞形式可歸納為兩大類：荷載(外荷載和內(nèi)水壓力)作用下導(dǎo)致裂縫和斷絲、其他原因造成鋼絲銹蝕導(dǎo)致無法受力。早在20世紀(jì)初PCCP就被生產(chǎn)出來，并逐漸開始得到廣泛應(yīng)用，在使用過程中發(fā)現(xiàn)了許多問題，促使人們對(duì)PCCP的破壞機(jī)理展開研究。1990年Tremblay等人對(duì)PCCP管道進(jìn)行了組合承載試驗(yàn)，考察了管段同時(shí)承受外部三邊荷載和內(nèi)水壓力共同作用下的受載響應(yīng)問題[2]。2003年Zarghame等對(duì)受破壞鋼絲的PCCP進(jìn)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(shí)裂縫的響應(yīng)情況。與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，以壓力與斷裂線的數(shù)量來表示的方式開發(fā)了PCCP風(fēng)險(xiǎn)曲線[3]。2001年Diab等為了對(duì)PCCP管制定可靠的修復(fù)方法和了解管道的機(jī)械性能，對(duì)管道的修復(fù)進(jìn)行了數(shù)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(yù)應(yīng)力鋼絲的分布情況[5]。2005年John H.Bambei對(duì)PCCP管斷絲進(jìn)行電磁測(cè)試試驗(yàn)，并將測(cè)試結(jié)果與實(shí)際斷絲情況相比較，結(jié)果表明電磁測(cè)試通常可以準(zhǔn)確確定PCCP上斷絲的軸向位置，但是斷絲的數(shù)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(duì)運(yùn)用聲光纖(AFO)電纜系統(tǒng)監(jiān)控PCCP的鋼絲的準(zhǔn)確性進(jìn)行了安全評(píng)估[7]。2009年Rudy Loera等對(duì)PCCP可靠性管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了斷絲、裂縫對(duì)PCCP承載力的影響，并指出系統(tǒng)是對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絲著重監(jiān)測(cè)的[8]。

我國對(duì)PCCP的研究和生產(chǎn)起步相對(duì)較晚，1996年余洪方等對(duì)PCCP裂縫形式和產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，并在工藝、焊接質(zhì)量、混凝土改進(jìn)、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(duì)PCCP外荷載和管溝支撐腳的計(jì)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(jìn)行了內(nèi)水壓承載能力試驗(yàn)，試驗(yàn)得出了超大口徑PCCP管預(yù)應(yīng)力鋼絲能有效提高混凝土的承載力，PCCP能在極限內(nèi)水壓下發(fā)揮預(yù)應(yīng)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(jié)合試驗(yàn)中PCCP的斷絲現(xiàn)象，根據(jù)環(huán)向預(yù)應(yīng)力作用機(jī)理，通過計(jì)算分析對(duì)預(yù)應(yīng)力纏絲進(jìn)行合理的纏絲模型，并建立了較為復(fù)雜的PCCP管道斷絲模型[12]。2012年胡少偉等通過對(duì)PCCP進(jìn)行外荷載試驗(yàn)，分析了混凝土在各個(gè)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(yīng)力和管芯混凝土的預(yù)應(yīng)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(qū)域方面研究了斷絲對(duì)PCCP承載力的影響[14]。2014年竇鐵生、燕家琪結(jié)合工程介紹了一種是由于腐蝕或者氫脆性導(dǎo)致斷絲，隨著保護(hù)層的破壞導(dǎo)致鋼筒也被腐蝕和破裂，最后導(dǎo)致PCCP不能正常工作的環(huán)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(dǎo)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(nèi)水壓力的變化斷絲區(qū)和非斷絲區(qū)的裂縫和應(yīng)力的分布情況[16]。2017年竇鐵生、胡赫等研究了PCCP內(nèi)壓承載力中斷絲數(shù)量對(duì)其的影響，用降溫法模擬鋼絲的預(yù)應(yīng)力，得出PCCP的承載能力主要由鋼絲提供[17]。

由于目前現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)具有一定的條件限制，試驗(yàn)結(jié)果具有一定的缺陷性，為探究PCCP實(shí)際承載力與裂縫和斷絲的影響關(guān)系，還需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)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(yù)應(yīng)力鋼絲的失效可預(yù)測(cè)，并將大大提高預(yù)測(cè)PCCP試驗(yàn)的可行性和準(zhǔn)確性[18]。對(duì)于PCCP達(dá)到最大承載力下預(yù)應(yīng)力鋼絲所需的最合適的間距、加密度、加密長度、數(shù)量等和斷絲位子的隨機(jī)性的研究探索。結(jié)合現(xiàn)有的研究成果，進(jìn)一步探索PCCP在動(dòng)荷載作用下對(duì)裂縫和斷絲的影響的研究。

2 PCCP加固現(xiàn)狀

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

目前國內(nèi)關(guān)于PCCP工程實(shí)際應(yīng)用的修復(fù)經(jīng)驗(yàn)不斷增多，研究的修復(fù)方法從局部修復(fù)，逐漸擴(kuò)展到對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管整體結(jié)構(gòu)安全修復(fù)要求。2001年屠毓敏分析了溝埋式預(yù)應(yīng)力混凝土管的斷裂原因，得出管道斷裂是由于地基處理質(zhì)量不好導(dǎo)致不均勻沉降和管道不合理設(shè)計(jì)引起的[24]。2002年孔杰等對(duì)復(fù)合材料卷材加固有缺陷的管道進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果得出用該復(fù)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(jié)合大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論，對(duì)CFRP加固PCCP進(jìn)行了有限元模型建立，并驗(yàn)證了計(jì)算方法的正確性[26]。2006年王自本結(jié)合實(shí)際工程討論了PCCP從生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)桨惭b，在保證管道質(zhì)量所需要采取的關(guān)鍵措施[27]。2014年，燕家琪提出了破壞邊界及破壞風(fēng)險(xiǎn)與維修等級(jí)的劃分方法[28]。2017年竇鐵生、胡赫、程冰清等對(duì)CFRP修復(fù)PCCP進(jìn)行內(nèi)外壓試驗(yàn)和數(shù)值分析，得出不管是單層還是雙層纏絲管CFRP粘貼層數(shù)與管內(nèi)承壓力成正比[29]。通過分析外壓試驗(yàn)得出的力學(xué)性能參數(shù)，對(duì)CFRP加固的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行完善[30]。2017年孫志恒、徐耀等對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維加固PCCP進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果得出預(yù)應(yīng)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(fā)出了一種高壓縮彈性墊層材料，并提出了預(yù)應(yīng)力碳纖維加固PCCP的技術(shù)，并通過計(jì)算驗(yàn)證了預(yù)應(yīng)力碳纖維加固PCCP后能有效增強(qiáng)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(nèi)外大多數(shù)研究是關(guān)于普通(非預(yù)應(yīng)力)碳纖維加固材料的應(yīng)用且已經(jīng)取得了一定的研究成果。而預(yù)應(yīng)力碳纖維加固能充分發(fā)揮材料高強(qiáng)度性能，又可抑制PCCP的變形和裂縫的發(fā)展，需進(jìn)一步加強(qiáng)預(yù)應(yīng)力碳纖維加固的相關(guān)理論和具體試驗(yàn)的研究。

3 結(jié)語

綜合國內(nèi)外現(xiàn)有的研究情況，對(duì)PCCP結(jié)構(gòu)安全的研究還不足以完全面對(duì)工程實(shí)際問題，對(duì)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(shí)際、更加完善的斷絲模型繼續(xù)深入研究，結(jié)合管道實(shí)際環(huán)境，分析管道受到各種內(nèi)外力共同作用時(shí)的裂縫和斷絲的作用機(jī)理；綜合現(xiàn)有的研究成果，建立對(duì)管道結(jié)構(gòu)安全性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，更全面構(gòu)建PCCP管道的結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)體系[33]；結(jié)合相關(guān)理論對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維加固PCCP的施工工藝和加固后的破壞形態(tài)、破壞機(jī)理展開進(jìn)一步研究。