斷絲預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管評(píng)估方法研究

燕家琪，劉雪冬，婁裕昌，李桂海

(中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300381)

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe，簡(jiǎn)稱PCCP)是由混凝土管芯、鋼筒、預(yù)應(yīng)力鋼絲以及砂漿保護(hù)層構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，通常用于長(zhǎng)距離大口徑輸水系統(tǒng)[1]。PCCP管有兩種結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)襯式鋼筒混凝土管(LCP)如圖1所示，埋置式鋼筒混凝土管(ECP)[2- 3]如圖2所示。此種管材于20世紀(jì)40年代開始制造使用，據(jù)ACPPA協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截至2012年，PCCP在美國(guó)和加拿大的安裝距離已超過(guò)32669km[4]。我國(guó)于20世紀(jì)80年代引進(jìn)PCCP，至今安裝長(zhǎng)度超過(guò)2萬(wàn)km，最大管徑已達(dá)4m，覆土深度已超過(guò)10m[5]。

由于PCCP管道設(shè)計(jì)方法先進(jìn)安全，承載能力強(qiáng)，通水能力好，不易漏水，不易腐蝕，安裝快速便捷，對(duì)地基有良好的適應(yīng)性，以及有較好的抗震性能，并且具有豐富的配件和異型管[6- 7]，因此該種管材在國(guó)內(nèi)外市政、核電、水電尤其在長(zhǎng)距離大口徑的有壓輸水管線工程中得到廣泛應(yīng)用。但是PCCP管在近些年得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，管道斷絲、開裂，甚至爆管的問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)[8- 9]。因此為了保證PCCP管道的正常運(yùn)行，在PCCP管破壞之前評(píng)估其損傷程度及可修復(fù)程度，并制定明確的修復(fù)計(jì)劃會(huì)越來(lái)越重要。本文總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究成果，介紹一種PCCP管的評(píng)估方法和修復(fù)建議。

圖1 內(nèi)襯式PCCP(LCP)的結(jié)構(gòu)圖

圖2 埋置式PCCP(ECP)的結(jié)構(gòu)圖

1 PCCP的破壞

PCCP在壽命期內(nèi)，如果管道自身存在缺陷或隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生斷絲等損壞，就會(huì)造成管道逐漸破壞失效，影響管道工程的正常運(yùn)行。

1.1 PCCP的破壞原因[10- 11]

(1)設(shè)計(jì)缺陷。PCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不符合工程實(shí)際狀態(tài)，如使用的鋼絲強(qiáng)度過(guò)高、砂漿保護(hù)層或鋼筒厚度過(guò)薄等；設(shè)計(jì)荷載(包括工作荷載、活荷載、瞬時(shí)壓力、土壓力等)選擇不當(dāng)；對(duì)環(huán)境腐蝕有要求的PCCP，如果防腐措施選擇不當(dāng)也會(huì)存在設(shè)計(jì)缺陷。

(2)制造缺陷。制造時(shí)沒(méi)有嚴(yán)格按照規(guī)范要求制造，使用不符合要求的材料，采用不恰當(dāng)?shù)暮附庸に?，管道制成后出廠標(biāo)識(shí)不明確，質(zhì)量控制不嚴(yán)格等都會(huì)造成管子的制造缺陷。另外，鋼絲沒(méi)有按照設(shè)計(jì)要求充分施加預(yù)應(yīng)力，鋼筒表面凹凸不平，承插口附近纏絲過(guò)密導(dǎo)致的保護(hù)層分離等均會(huì)降低管子壽命。

(3)安裝缺陷。管子在運(yùn)輸和搬運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)劃擦、擠壓或沖擊破壞；管子安裝前基礎(chǔ)處理不符合要求，安裝時(shí)在高壓力區(qū)采用低等級(jí)的管子，安裝后管坑回填不符合要求。

(4)腐蝕環(huán)境。PCCP的鋪設(shè)環(huán)境是導(dǎo)致PCCP破壞的最常見原因之一，因此在腐蝕性土壤中鋪設(shè)PCCP管道時(shí)要采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

(5)運(yùn)行狀態(tài)。在運(yùn)行階段，如操作不當(dāng)會(huì)使管子中產(chǎn)生除設(shè)計(jì)荷載以外的其他荷載，管子超載后會(huì)導(dǎo)致管芯混凝土和保護(hù)層砂漿出現(xiàn)開裂，甚至出現(xiàn)斷絲。不恰當(dāng)?shù)年帢O保護(hù)措施也會(huì)增加PCCP的斷絲數(shù)目。

1.2 PCCP的破壞模式

根據(jù)國(guó)內(nèi)外PCCP工程破壞事故的經(jīng)驗(yàn)，可以將PCCP的破壞大致分為兩種模式：環(huán)向破壞和縱向破壞。腐蝕或氫脆性造成預(yù)應(yīng)力鋼絲斷裂，從而引起保護(hù)層砂漿開裂或分層屬于環(huán)向破壞；由于管子彎頭或岔口接頭處不能充分抵抗推力、基礎(chǔ)不均勻沉降、爆炸或地震等引起地面動(dòng)態(tài)移動(dòng)所造成的破壞等屬于縱向破壞[12- 13]。

雖然混凝土的抗拉強(qiáng)度極小，但是螺旋纏繞在管芯混凝土周圍的預(yù)應(yīng)力鋼絲給混凝土管芯施加了預(yù)壓應(yīng)力，使管芯具有抵抗一定拉應(yīng)力的能力，因此，PCCP的強(qiáng)度主要是由預(yù)應(yīng)力鋼絲提供的。鋼絲的斷裂會(huì)引起預(yù)應(yīng)力損失，從而使管子的承載能力降低，最后管子因?yàn)楦g或氫脆性而失效，這也是導(dǎo)致PCCP管破壞失效的主要原因，即環(huán)向破壞。當(dāng)PCCP管出現(xiàn)斷絲時(shí)，斷絲區(qū)附近的鋼絲應(yīng)力增加，如圖3所示；斷絲區(qū)的鋼筒和管芯壓應(yīng)力減小，給斷絲管施加內(nèi)壓，隨著內(nèi)壓的增加，斷絲區(qū)的管芯和鋼筒出現(xiàn)拉應(yīng)力，并有向外鼓脹的現(xiàn)象，如圖4—5所示。管子是否會(huì)最終破壞失效，取決于斷絲數(shù)目、斷絲位置、管子的初始設(shè)計(jì)參數(shù)以及管子中可能出現(xiàn)的最大壓力。絕大多數(shù)PCCP管在出現(xiàn)斷絲后不會(huì)立即失效，而是經(jīng)歷這樣一個(gè)逐漸破壞的過(guò)程：超壓→保護(hù)層開裂→鋼絲暴露→鋼絲腐蝕斷裂→壓力轉(zhuǎn)移到鋼筒→管芯開裂→鋼筒暴露→鋼筒腐蝕→管子破壞[14]。

圖3 斷絲管施加內(nèi)壓時(shí)，鋼絲的應(yīng)力(斷絲區(qū)附近的鋼絲應(yīng)力明顯增加)

圖4 斷絲管施加內(nèi)壓時(shí)，鋼筒的應(yīng)力(斷絲區(qū)的鋼筒出現(xiàn)拉應(yīng)力)

圖5 斷絲管施加內(nèi)壓時(shí)，混凝土管芯的應(yīng)力(斷絲區(qū)的管芯混凝土出現(xiàn)拉應(yīng)力)

2 斷絲PCCP的評(píng)估方法

對(duì)PCCP管進(jìn)行評(píng)估的工作重點(diǎn)是識(shí)別出破壞風(fēng)險(xiǎn)比較大、必須在其失效之前進(jìn)行維修或更換的管子，并對(duì)識(shí)別出的損傷管劃分修復(fù)等級(jí)，制定修復(fù)計(jì)劃，采取適合的修復(fù)措施，保證斷絲管的破壞風(fēng)險(xiǎn)處于一個(gè)相對(duì)較低的水平，從而改善管道的整體穩(wěn)定性，降低維護(hù)和維修費(fèi)用。目前利用電磁檢測(cè)和其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以識(shí)別出斷絲管，并估算其斷絲數(shù)目?；诟鞣N檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)，結(jié)合對(duì)PCCP管各種工作狀態(tài)的調(diào)查，美國(guó)Zarghamee首次提出利用破壞邊界分析法對(duì)PCCP進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，確定PCCP的破壞邊界，并采取相應(yīng)的修復(fù)計(jì)劃。

2.1 風(fēng)險(xiǎn)曲線

美國(guó)Zarghamee和Ojdrovic于2001年首次提出斷絲PCCP管的破壞形式，并針對(duì)不同的極限狀態(tài)，建立了與PCCP斷絲數(shù)目和最大壓力有關(guān)的PCCP模型[15]。同時(shí)提出利用風(fēng)險(xiǎn)曲線技術(shù)對(duì)PCCP管進(jìn)行破壞邊界分析。斷絲的PCCP管在承受已知的最大壓力作用下，已知其斷絲數(shù)目，其風(fēng)險(xiǎn)曲線表示的是：PCCP管此時(shí)超出了哪種極限狀態(tài)，處于怎樣的破壞邊界[16]。有效斷絲數(shù)目是實(shí)際斷絲數(shù)目與估計(jì)斷絲數(shù)目時(shí)產(chǎn)生的不確定因素的總和。最大壓力是指管子的實(shí)際工作壓力和瞬時(shí)壓力的總和。最后要通過(guò)靜水壓力試驗(yàn)、外部檢測(cè)和非線性有限元分析來(lái)驗(yàn)證破壞邊界分析的結(jié)果(Zarghamee 等2003)[17]。

利用上述風(fēng)險(xiǎn)曲線技術(shù)，結(jié)合SL702—2015《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范》預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范中所采用的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，可以提出適用于我國(guó)規(guī)范的PCCP評(píng)估方法。利用PCCP管的風(fēng)險(xiǎn)曲線進(jìn)行破壞邊界分析要給出調(diào)查的每根損傷管在工作極限狀態(tài)極限狀態(tài)、彈性極限狀態(tài)、強(qiáng)度極限狀態(tài)下，斷絲數(shù)目與其能承受的最大內(nèi)壓之間的關(guān)系，如圖6所示?；赑CCP管的斷絲數(shù)目和管子所要承受的最大壓力，考慮其覆土厚度，利用此風(fēng)險(xiǎn)曲線確定管子的破壞邊界。將損傷管當(dāng)前的斷絲數(shù)目和最大壓力與已經(jīng)破壞管的實(shí)際斷絲數(shù)目和相應(yīng)的最大壓力進(jìn)行比較來(lái)驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)曲線分析的準(zhǔn)確性[18]。

圖6 風(fēng)險(xiǎn)曲線圖

2.2 分析過(guò)程

對(duì)PCCP管進(jìn)行破壞邊界分析可以概括為以下四個(gè)步驟：

(1)收集相關(guān)資料，包括：設(shè)計(jì)參數(shù)、管道中可能出現(xiàn)的最大壓力、覆土厚度、管道檢測(cè)及檢測(cè)的歷史數(shù)據(jù)及相關(guān)信息。

(2)建立工作極限狀態(tài)、彈性極限狀態(tài)、強(qiáng)度極限狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)曲線。

(3)劃分維修等級(jí)。利用所建立的風(fēng)險(xiǎn)曲線，根據(jù)PCCP管承受的最大壓力和有效斷絲數(shù)目判斷管子所處的狀態(tài)，確定每根損傷管的維修等級(jí)。斷絲率可參考相同管子或類似管子的歷史評(píng)估數(shù)據(jù)進(jìn)行估算。最大壓力可利用水力瞬變分析或壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)確定。由于在高壓力作用下管道的承載力會(huì)有所降低，因此歷史上承受過(guò)高壓狀態(tài)的管道在某低壓作用下就可能發(fā)生破壞，從而管道所承受的歷史最大壓力在管道分析時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。

(4)破壞邊界分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。預(yù)測(cè)斷絲數(shù)目時(shí)產(chǎn)生的不確定性，以及斷絲的性質(zhì)(腐蝕或氫脆性)會(huì)直接影響PCCP破壞邊界分析的結(jié)果，因此上述的分析結(jié)果僅僅是一個(gè)初步結(jié)果，必須要對(duì)管道進(jìn)行外部檢測(cè)，對(duì)斷絲數(shù)目和斷絲位置以及斷絲模式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，才能得到最終的分析結(jié)果，給出管道修復(fù)的最終建議。

3 PCCP修復(fù)方案的確定

要制定PCCP合理的修復(fù)計(jì)劃，除對(duì)損傷管的斷絲數(shù)目和最大壓力進(jìn)行分析外，還需要詳細(xì)調(diào)查PCCP管的損傷程度；對(duì)存在顯著腐蝕和斷絲的PCCP管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，檢查其管芯是否出現(xiàn)裂縫及其開裂的程度，并檢查鋼筒的腐蝕性。已知斷絲數(shù)目的PCCP管在承受可能的最大壓力作用下，通過(guò)分析計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)檢測(cè)，并根據(jù)PCCP的材料、荷載、損傷程度以及所處的極限狀態(tài)劃分管道修復(fù)等級(jí)，制定修復(fù)方案。

3.1 修復(fù)等級(jí)劃分

在確定斷絲管的修復(fù)等級(jí)前，需要先確定管子中將出現(xiàn)的最大壓力和有效斷絲數(shù)目，同時(shí)考慮檢測(cè)管子斷絲時(shí)產(chǎn)生的不確定因素以及斷絲隨時(shí)間的發(fā)展，在事先繪制的風(fēng)險(xiǎn)曲線圖上確定斷絲管所處的位置，確定斷絲PCCP管的修復(fù)等級(jí)?；赑CCP不同極限狀態(tài)下的風(fēng)險(xiǎn)曲線，可以將斷絲PCCP管的修復(fù)等級(jí)劃分如下[19]：

等級(jí)1：管道中出現(xiàn)的最大壓力超過(guò)強(qiáng)度極限狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的壓力。根據(jù)管子接近強(qiáng)度極限狀態(tài)的程度，將這一修復(fù)等級(jí)劃分為兩組，1A和1B。

等級(jí)2：管道中出現(xiàn)的最大壓力大于彈性極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的壓力，但小于強(qiáng)度極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的壓力。將這一修復(fù)等級(jí)劃分為兩組，2A和2B。

等級(jí)3：管道中出現(xiàn)的最大壓力大于工作極限狀態(tài)(管芯混凝土不出現(xiàn)裂縫)對(duì)應(yīng)的壓力，但小于彈性極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的壓力。將修復(fù)等級(jí)劃分為兩組，3A和3B。

等級(jí)4：管道中出現(xiàn)的最大壓力不超過(guò)工作極限狀態(tài)(管芯混凝土不出現(xiàn)裂縫)對(duì)應(yīng)的壓力。這一優(yōu)先級(jí)被劃分為兩組，4A和4B。

3.2 PCCP的修復(fù)方法

在工作壓力、瞬時(shí)壓力、土壓力或活荷載作用下，要保證PCCP管正常運(yùn)行，需要對(duì)處于高破壞風(fēng)險(xiǎn)的管子制定修復(fù)計(jì)劃。PCCP管的修復(fù)跟管道材料、荷載以及管子損傷程度有關(guān)，PCCP管的損傷程度與斷絲數(shù)目、斷絲位置、斷絲性質(zhì)(腐蝕或氫脆性)以及管道可能承受的最大歷史壓力等因素有關(guān)，同時(shí)還要考慮檢測(cè)斷絲數(shù)目時(shí)可能產(chǎn)生的不確定因素，以及損傷管不及時(shí)維修所增加的斷絲數(shù)目。

將處于較高破壞風(fēng)險(xiǎn)的PCCP管劃分為較高的修復(fù)等級(jí)，修復(fù)等級(jí)較高的管子可能要采取更換新管的措施。將處于較低破壞風(fēng)險(xiǎn)的PCCP管劃分為較低的修復(fù)等級(jí)，修復(fù)等級(jí)較低的管子往往經(jīng)過(guò)修補(bǔ)加固等有效措施，可以正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)PCCP的結(jié)構(gòu)破壞是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，很難利用數(shù)值模型進(jìn)行模擬。風(fēng)險(xiǎn)曲線技術(shù)是基于PCCP的結(jié)構(gòu)分析，考慮其破壞過(guò)程的一種簡(jiǎn)化工具。同時(shí)需要結(jié)合斷絲管的靜水壓力試驗(yàn)，利用非線性有限元法模擬損傷管的破壞行為，以及對(duì)斷絲管進(jìn)行外部檢測(cè)，驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)曲線的分析結(jié)果，提高管道評(píng)估的精度。

(2)隨著PCCP在我國(guó)管道工程的廣泛使用，破壞問(wèn)題也越來(lái)越值得關(guān)注，將損傷程度小的管道判斷為高風(fēng)險(xiǎn)的管道，將增加不必要的維修成本；將破壞風(fēng)險(xiǎn)較高的管道判別為低風(fēng)險(xiǎn)的管道，沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行及時(shí)修復(fù)或更換，會(huì)影響工程正常運(yùn)行而提高運(yùn)營(yíng)成本。因此選擇恰當(dāng)?shù)脑u(píng)估方法，劃分管道修復(fù)等級(jí)，對(duì)損傷嚴(yán)重、破壞風(fēng)險(xiǎn)較高的管道給予高度重視，制定合理的管道修復(fù)計(jì)劃，有助于PCCP工程正常高效的運(yùn)行。

(3)斷絲是引起PCCP破壞的最重要因素，斷絲的出現(xiàn)會(huì)引起管道其他部件的損傷。對(duì)PCCP的評(píng)估我國(guó)仍處于起步階段，未來(lái)PCCP管的評(píng)估需要進(jìn)行更多的分析鑒定、數(shù)據(jù)收集，進(jìn)一步提高斷絲PCCP 管評(píng)估的精度。