高壓縮彈性墊層對(duì)復(fù)式碳纖維加固PCCP的應(yīng)變影響分析

韋昊南，孫志恒

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 研究背景

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，簡(jiǎn)稱(chēng)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)層而制成的一種復(fù)合型管材，其中預(yù)應(yīng)力鋼絲對(duì)于PCCP的承載力有重要影響［1-3］。目前我國(guó)引調(diào)水工程中使用PCCP管的工程越來(lái)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?，多個(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［4-6］。PCCP缺陷補(bǔ)強(qiáng)加固主要采用開(kāi)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。這些方法各具特色，互有優(yōu)劣［7-8］。內(nèi)貼碳纖維加固PCCP管技術(shù)是通過(guò)樹(shù)脂類(lèi)膠結(jié)材料將碳纖維增強(qiáng)聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱(chēng)CFRP）粘貼于PCCP管內(nèi)側(cè)混凝土表面，通過(guò)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，這種技術(shù)無(wú)需大型施工機(jī)具，施工簡(jiǎn)便、高效、質(zhì)量易保證［9-11］。碳纖維材料一般具有良好的耐腐蝕性和耐久性，片材較輕且薄，基本不增加原結(jié)構(gòu)自重及不減少PCCP管的過(guò)水?dāng)嗝妫?2］。美國(guó)水務(wù)協(xié)會(huì)最新頒布了關(guān)于CFRP加固PCCP的規(guī)范ANSI/AWWA C305［13］，其目標(biāo)是在預(yù)期使用壽命50年內(nèi)，加固后的整體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、耐久性、可靠性和承插接口部位止水性的要求，該規(guī)范采用的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法確定了不同極限荷載組合下結(jié)構(gòu)的破壞模式，根據(jù)承擔(dān)荷載的結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，對(duì)應(yīng)不同的環(huán)向和縱向極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，該規(guī)范同時(shí)建立了對(duì)加固結(jié)構(gòu)材料性能、粘貼性能、施工工藝和質(zhì)量控制等相關(guān)要求［14-15］。

但是，傳統(tǒng)的CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)存在著一些缺陷，混凝土的開(kāi)裂應(yīng)變（0.02%）與碳纖維的極限拉應(yīng)變（1.7%）相差甚遠(yuǎn)，伴隨著混凝土的脆性開(kāi)裂，CFRP仍處于較低的應(yīng)力水平還未發(fā)揮其高強(qiáng)特性，二者之間環(huán)氧樹(shù)脂膠的剪切變形不斷增大，而呈現(xiàn)軟化情況［16］。在碳纖維加固PCCP方面存在類(lèi)似的問(wèn)題，由于碳纖維布在粘貼時(shí)可能出現(xiàn)鼓包的施工質(zhì)量問(wèn)題［17］，且碳纖維加固結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)性能在非斷絲區(qū)域發(fā)揮有限［18］，或在管壁已存在裂縫的位置脫粘而無(wú)法持續(xù)發(fā)揮作用，難以有效抑制PCCP結(jié)構(gòu)的變形和裂縫的發(fā)展［19］，導(dǎo)致傳統(tǒng)直接使用碳纖維布加固PCCP效果不明顯。復(fù)式碳纖維加固PCCP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（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“墊層”），該墊層具有在彈性范圍內(nèi)壓縮量大、抗拉強(qiáng)度較高、抗?jié)B、耐老化、耐低溫、與混凝土和碳纖維粘接強(qiáng)度大于墊層本體強(qiáng)度等特點(diǎn)，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墊層的壓縮量，導(dǎo)致碳纖維環(huán)向變形增大，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。該加固方法可以較充分發(fā)揮碳纖維布高強(qiáng)的特性，更好的起到碳纖維布與PCCP聯(lián)合受力的效果［20-22］。現(xiàn)有研究已經(jīng)針對(duì)0.75 m管徑鋼筒進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)，并通過(guò)建立基于彈性力學(xué)厚壁圓筒理論的計(jì)算模型和有限元模型，將試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本一致［21］。

目前國(guó)內(nèi)外主要PCCP工程管道管徑主要在1.6 m～4 m，工作壓力在0.4 MPa～0.8 MPa，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19685《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》［2］提出使用的管道制造公稱(chēng)內(nèi)徑為400 mm～4000 mm，基于上述情況，為探究墊層對(duì)復(fù)式碳纖維加固PCCP的效果及應(yīng)變規(guī)律，本文分別建立了PCCP內(nèi)徑為4.0 m、3.2 m、2.6 m、2.0 m和1.52 m，工作壓力均為0.6 MPa的有限元模型，研究在不同內(nèi)水壓力作用和預(yù)應(yīng)力鋼絲斷絲等工況下，分別采用復(fù)式碳纖維加固PCCP結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)碳纖維加固PCCP結(jié)構(gòu)情況下碳纖維和混凝土內(nèi)壁的應(yīng)變情況。另外選取4種厚度的墊層，通過(guò)有限元計(jì)算2.6 m管徑復(fù)式碳纖維加固PCCP，分析不同厚度的墊層對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的影響。

2 計(jì)算模型及相關(guān)參數(shù)

2.1PCCP管道及加固結(jié)構(gòu)參數(shù)表1為計(jì)算所采用的6種管道的相關(guān)參數(shù)，均為埋置式PCCP，即鋼筒將管芯混凝土分為內(nèi)層和外層，預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞在管芯混凝土外側(cè)，相關(guān)參數(shù)來(lái)自于實(shí)際工程或滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)于管芯混凝土厚度和配筋率等要求。

表1 PCCP相關(guān)參數(shù)

參照目前大多數(shù)PCCP管的設(shè)計(jì)參數(shù)，選擇這6種管道的工作內(nèi)水壓力為0.6 MPa，設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為0.9 MPa；管芯混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度為55 MPa；薄鋼筒拉伸屈服強(qiáng)度為227 MPa，最小抗拉強(qiáng)度為310 MPa；其中4.0 m、3.2 m、2.6 m、2.0 m管徑PCCP預(yù)應(yīng)力鋼絲最小抗拉強(qiáng)度為1570 MPa，1.52 m管徑PCCP預(yù)應(yīng)力鋼絲最小抗拉強(qiáng)度為1654.8 MPa。使用的碳纖維片材為高強(qiáng)Ⅰ型碳纖維，其力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 CFRP力學(xué)指標(biāo)

通過(guò)對(duì)墊層性能室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，墊層拉伸強(qiáng)度值大于1.7 MPa，拉伸斷裂伸長(zhǎng)率大于100%，密度為0.55 g/cm3。圖1為墊層受壓應(yīng)力～應(yīng)變曲線，這是本文計(jì)算模型中墊層受壓性能取值的依據(jù)。

圖1 墊層受壓應(yīng)力～應(yīng)變曲線

2.2有限元模型復(fù)式碳纖維加固PCCP各層結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。復(fù)式碳纖維加固對(duì)6種型號(hào)PCCP先采用5 mm厚的墊層布置于3層CFRP和混凝土內(nèi)壁之間，傳統(tǒng)碳纖維加固對(duì)6種型號(hào)PCCP采用3層CFRP與混凝土管壁直接粘接。CFRP與鋼筒采用殼單元模擬，混凝土與砂漿采用實(shí)體單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼絲采用桿單元模擬。墊層在模型中使用有限元軟件專(zhuān)門(mén)提供的墊層單元模擬，這是一個(gè)三維八節(jié)點(diǎn)的線性界面單元，常被用于模擬墊圈的接頭，墊片的主變形被限制在厚度方向，劃分網(wǎng)格只需要一層。在有限元計(jì)算中，墊片處于受壓的狀態(tài)，并在兩個(gè)組件之間傳遞接觸力。模型假設(shè)CFRP、混凝土管芯、鋼筒、砂漿與預(yù)應(yīng)力鋼絲之間沒(méi)有相對(duì)滑移和脫空，采用共用節(jié)點(diǎn)的方式模擬各層結(jié)構(gòu)之間的相互協(xié)調(diào)工作。采用約束方程方式實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼絲與管體結(jié)構(gòu)與砂漿層之間的相互作用。根據(jù)實(shí)際纏絲間距，逐圈建立單獨(dú)作用于管體的預(yù)應(yīng)力鋼絲，這區(qū)別于實(shí)際PCCP結(jié)構(gòu)的螺旋型預(yù)應(yīng)力鋼絲。為了探究復(fù)式碳纖維加固PCCP在不同內(nèi)水壓力及預(yù)應(yīng)力損失情況下的表現(xiàn)，所建立的模型將管道視為無(wú)限長(zhǎng)，在管道端部施加對(duì)稱(chēng)約束，即約束節(jié)點(diǎn)對(duì)稱(chēng)面外的位移和面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)自由度。斷絲方式采用沿管道縱向按纏絲圈數(shù)的固定比例均勻斷絲，各圈預(yù)應(yīng)力鋼絲完全退出工作。

圖2 復(fù)式碳纖維加固PCCP有限元模型

3 碳纖維加固PCCP結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析

3.1CFRP應(yīng)變?cè)趦?nèi)水壓力作用下，復(fù)式碳纖維加固PCCP中的CFRP變形以環(huán)向變形為主。管道中部管腰處在不同內(nèi)水壓力作用下CFRP環(huán)向應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖3可以看出，在未斷絲階段，伴隨著內(nèi)水壓力的增加，復(fù)式碳纖維加固PCCP中的CFRP環(huán)向應(yīng)變迅速增大，在達(dá)到正常內(nèi)水壓力0.6 MPa后，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度略有下降。在正常內(nèi)水壓力0.6 MPa作用下，復(fù)式碳纖維加固PCCP中的CFRP環(huán)向應(yīng)變值在690～1250με之間，傳統(tǒng)碳纖維加固PCCP中的CFRP環(huán)向應(yīng)變值在65～105με，兩種加固結(jié)構(gòu)中CFRP應(yīng)變相差8～16倍。這一結(jié)果證明，墊層為表層的CFRP提供了更多的徑向變形空間，從而使CFRP承擔(dān)了更多的內(nèi)水壓力。在0.9 MPa設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下不同斷絲比例環(huán)向應(yīng)變曲線如圖4所示。從圖4可以看出，在達(dá)到設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力0.9 MPa后的斷絲階段，CFRP環(huán)向應(yīng)變值增長(zhǎng)速度明顯放緩，傳統(tǒng)碳纖維加固PCCP中的CFRP環(huán)向應(yīng)變則一直保持緩慢的增長(zhǎng)速度。斷絲后，在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力0.9 MPa作用下，CFRP環(huán)向應(yīng)變最大值在1100～1800με之間，傳統(tǒng)碳纖維加固PCCP中的CFRP環(huán)向應(yīng)變值在265～450με。管徑越小，復(fù)式碳纖維加固PCCP中的CFRP環(huán)向應(yīng)變?cè)酱?，表明CFRP承受的內(nèi)水壓力越大，而傳統(tǒng)碳纖維加固PCCP中的CFRP則沒(méi)有明顯規(guī)律。結(jié)合彈性力學(xué)厚壁圓筒理論，管道所受環(huán)向應(yīng)力從內(nèi)壁到外壁逐漸降低，復(fù)式碳纖維加固結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)碳纖維加固中碳纖維承擔(dān)了更多的內(nèi)水壓力，使CFRP與PCCP更好地發(fā)揮聯(lián)合受力的效果。

圖3 不同內(nèi)水壓力下兩種加固結(jié)構(gòu)中CFRP環(huán)向應(yīng)變曲線

圖4 0.9MPa設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力下兩種加固結(jié)構(gòu)中不同斷絲比例CFRP環(huán)向應(yīng)變曲線

3.2管芯混凝土內(nèi)壁應(yīng)變?cè)趦?nèi)水壓力作用下，復(fù)式碳纖維加固PCCP中的管芯混凝土變形以環(huán)向變形為主，管腰處環(huán)向應(yīng)變小于管頂和管底處的環(huán)向應(yīng)變值，PCCP環(huán)向應(yīng)變自混凝土內(nèi)壁至外壁逐漸增大。表3給出了管道中部管腰處混凝土內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)變變化結(jié)果。從表3可以看出，6種管型PCCP由于不同的預(yù)應(yīng)力綱絲纏絲間距、纏絲應(yīng)力產(chǎn)生的初始受壓預(yù)應(yīng)力，管芯混凝土結(jié)構(gòu)幾何尺寸的不同，和混凝土材料彈性模量的不同，造成了管芯混凝土結(jié)構(gòu)初始環(huán)向應(yīng)變的不同。伴隨著內(nèi)水壓力的增大及管壁外側(cè)預(yù)應(yīng)力的損失，不同加固方式PCCP的管芯混凝土從相同的初始環(huán)向應(yīng)變開(kāi)始逐漸增大。復(fù)式碳纖維加固結(jié)構(gòu)中碳纖維擁有更大的變形空間，能承擔(dān)更多的內(nèi)水壓力，對(duì)比傳統(tǒng)碳纖維加固結(jié)構(gòu)，復(fù)式結(jié)構(gòu)混凝土環(huán)向應(yīng)變得到了改善。

表4為復(fù)式碳纖維加固PCCP與傳統(tǒng)碳纖維加固PCCP對(duì)混凝土內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)變的改善比例。由表3和4結(jié)果可以看出，復(fù)式碳纖維加固較傳統(tǒng)碳纖維加固對(duì)PCCP混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)向應(yīng)變有明顯改善，在0.6 MPa內(nèi)水壓力作用下，復(fù)式碳纖維加固結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)變的差值在6～30με之間，改善比例在11.5%～38.7%之間；在0.9 MPa內(nèi)水壓力作用下，復(fù)式碳纖維加固對(duì)混凝土內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)變的差值在7～39με之間，改善比例在6.4%～33.2%之間。管徑越小，復(fù)式碳纖維加固對(duì)PCCP混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)向應(yīng)變的改善越明顯。

表3 復(fù)式與傳統(tǒng)碳纖維加固PCCP混凝土內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)變結(jié)果 （單位：με）

表4 復(fù)式與傳統(tǒng)碳纖維加固對(duì)PCCP混凝土內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)變改善比例

4 墊層厚度對(duì)復(fù)式碳纖維加固PCCP的影響分析

4.1CFRP應(yīng)變采用復(fù)式碳纖維加固管徑為2.6 m的PCCP，四種墊層厚度對(duì)CFRP環(huán)向應(yīng)變的影響見(jiàn)表5。從表5可以看出，未斷絲時(shí)，在0.9 MPa設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下，傳統(tǒng)碳纖維加固PCCP中的CFRP環(huán)向應(yīng)變?yōu)?57με，4種厚度墊層復(fù)式碳纖維加固PCCP中的CFRP環(huán)向應(yīng)變?yōu)?260～2629με，相差1103～2472με。隨著斷絲數(shù)量的增加到70%，傳統(tǒng)碳纖維加固PCCP中的CFRP環(huán)向應(yīng)變?yōu)?37με，4種厚度墊層復(fù)式碳纖維加固PCCP中的CFRP環(huán)向應(yīng)變?yōu)?515～2852με，相差1078～2415με，斷絲與未斷絲時(shí)的差值基本相當(dāng)。復(fù)式碳纖維加固PCCP中的墊層越厚，碳纖維的徑向變形空間越多，CFRP環(huán)向應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

表5 墊層厚度對(duì)PCCP碳纖維環(huán)向應(yīng)變的影響 （單位：με）

4.2管芯混凝土內(nèi)壁應(yīng)變復(fù)式加固結(jié)構(gòu)中墊層厚度對(duì)PCCP混凝土內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)變改善比例見(jiàn)表6。在未斷絲、0.9 MPa設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下，復(fù)式碳纖維加固PCCP與傳統(tǒng)碳纖維加固PCCP中的混凝土內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)變改善比例在19.5%～41.7%，墊層越厚，改善效果越明顯。

表6 復(fù)式加固結(jié)構(gòu)中墊層厚度對(duì)PCCP混凝土內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)變改善比例

5 結(jié)論

本文通過(guò)建立不同管徑和墊層厚度的復(fù)式碳纖維加固PCCP有限元模型，模擬不同內(nèi)水壓力作用及不同預(yù)應(yīng)力損失程度的情況，得到CFRP與混凝土內(nèi)壁的應(yīng)變結(jié)果，計(jì)算結(jié)果表明：（1）在0.6 MPa內(nèi)水壓力作用下，復(fù)式碳纖維加固PCCP中墊層厚度為5 mm時(shí)，較傳統(tǒng)碳纖維加固PCCP中的CFRP環(huán)向應(yīng)變值增加8～16倍，混凝土內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)變改善比例在11.5%～38.7%之間；在0.9 MPa內(nèi)水壓力作用下，復(fù)式碳纖維加固PCCP混凝土內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)變改善比例在6.4%～33.2%之間。（2）4.0 m和2.6 m管徑復(fù)式碳纖維加固結(jié)構(gòu)中，在0.6 MPa內(nèi)水壓力作用下CFRP環(huán)向應(yīng)變值分別為690με和930με；在0.9 MPa內(nèi)水壓力作用下CFRP環(huán)向應(yīng)變值分別為900με和1260με。管徑越小，復(fù)式碳纖維加固PCCP中的CFRP環(huán)向應(yīng)變?cè)酱螅珻FRP承受的內(nèi)水壓力越大，加固效果越好。（3）采用復(fù)式碳纖維加固2.6 m管徑的PCCP，在0.9 MPa內(nèi)水壓力作用下，若墊層厚度從5 mm增至10 mm，CFRP環(huán)向應(yīng)變值從1260με增至2212με，混凝土內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)變改善比例從19.5%增至35.0%。CFRP環(huán)向應(yīng)變隨著墊層厚度的增加而增大，CFRP承受的內(nèi)水壓力也增加，混凝土內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)變改善效果越明顯。