預(yù)應(yīng)力CFRP加固斷絲PCCP的試驗(yàn)與仿真研究

翟科杰，方宏遠(yuǎn)，郭成超，3，4，5，倪芃芃，3，4，5，付 兵，李 斌

（1.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州 510275；2.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州 450001；3.廣東省地下空間開發(fā)工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510275；4.廣東省海洋土木工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510275；5.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東珠海 519082；6.暨南大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，廣東廣州 510632）

1 研究背景

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）是由混凝土和鋼材組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)管材［1-2］。由于其具有抗壓能力強(qiáng)、抗?jié)B性能好、口徑大等優(yōu)點(diǎn)，自問(wèn)世以來(lái)，被廣泛應(yīng)用于大型輸水供水工程，如利比亞大人工河工程和中國(guó)的南水北調(diào)工程，其效益獲得工程界廣泛認(rèn)可。

PCCP 在運(yùn)營(yíng)期間主要承受外荷載和內(nèi)部水壓荷載，為此，胡少偉等［3-4］、竇鐵生等［5-6］、Zhang等［7］曾對(duì)PCCP 進(jìn)行過(guò)一系列抗外壓和抗內(nèi)壓研究。PCCP 服役環(huán)境復(fù)雜且長(zhǎng)時(shí)間埋于地下，在腐蝕環(huán)境或氫脆作用下，PCCP中的預(yù)應(yīng)力鋼絲經(jīng)常發(fā)生斷裂，直接影響PCCP管線的安全運(yùn)營(yíng)。Zarghamee等［8-10］通過(guò)4根PCCP斷絲管道內(nèi)水壓破壞試驗(yàn)，分析了斷絲PCCP的破壞模式，指出斷絲管道的承載能力遠(yuǎn)大于鋼筒強(qiáng)度，之后基于非線性有限元對(duì)復(fù)合荷載作用下的斷絲PCCP進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析?？紤]到相鄰PCCP 管間承插口接頭的相互影響，Hajali 等［11-13］利用數(shù)值模型方法分析了斷絲位置、斷絲數(shù)量對(duì)管線承載力的影響。Hu 等［14］結(jié)合足尺試驗(yàn)與有限元方法，分析了不同斷絲率下PCCP 結(jié)構(gòu)受力響應(yīng)，研究表明斷絲后管道發(fā)生應(yīng)力重分布，斷絲處管道材料應(yīng)力集中。

PCCP 中鋼絲的斷裂導(dǎo)致管線承載能力大幅下降，進(jìn)而發(fā)生爆管事故，嚴(yán)重影響人們生活與生產(chǎn)。斷絲PCCP 管道更換成本高且施工周期長(zhǎng)，因此，PCCP 管線加固修復(fù)技術(shù)在工程中應(yīng)用較為廣泛。纖維復(fù)合材料（FRP）包括碳纖維復(fù)合材料（CFRP）、玄武巖纖維復(fù)合材料（BFRP）、玻璃纖維復(fù)合材料（GFRP）和芳綸纖維復(fù)合材料（AFRP）等。此類材料強(qiáng)度高，重量小，被廣泛應(yīng)用于土木工程加固領(lǐng)域［15-16］，包括內(nèi)襯FRP 加固斷絲PCCP。Lee 等［17］通過(guò)試驗(yàn)，研究了大口徑PCCP 在FRP 內(nèi)襯修復(fù)作用下承受外壓和內(nèi)壓的受力性能，證明了FRP內(nèi)襯修復(fù)的可行性。Lee等［18-19］考慮到各種荷載條件，提出了對(duì)劣化PCCP 管道進(jìn)行內(nèi)襯FRP 修復(fù)設(shè)計(jì)的方法，并針對(duì)不同劣化情況來(lái)確定FRP 用量。Hu 等［20-21］通過(guò)足尺試驗(yàn)與有限元方法研究了內(nèi)襯CFRP 在內(nèi)水壓及復(fù)合荷載作用下的修復(fù)效果，并介紹了一種確定CFRP修復(fù)層數(shù)的分析方法。Gipsov等［22］基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)CFRP內(nèi)襯修復(fù)PCCP在連續(xù)斷絲情況下的材料受力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，指出CFRP 在管道中的受力性能隨斷絲量增加而持續(xù)下降。

CFRP內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)已較為成熟。然而，內(nèi)襯修復(fù)施工期間需要中斷供水，且針對(duì)小口徑管道不能進(jìn)行施工，因此，文獻(xiàn)［23-25］提出對(duì)斷絲PCCP進(jìn)行外貼CFRP加固，并通過(guò)試驗(yàn)與有限元方法對(duì)外貼CFRP 修復(fù)效果進(jìn)行了分析。內(nèi)襯與外貼CFRP 修復(fù)均能使斷絲PCCP 受力性能得到改善，但卻不能彌補(bǔ)因斷絲導(dǎo)致管芯混凝土及鋼筒發(fā)生的預(yù)壓應(yīng)力的損失，使管道在承受內(nèi)水壓力時(shí)管道材料先于CFRP破壞?；诖耍疚膭?chuàng)新提出采用外部纏繞預(yù)應(yīng)力CFRP加固斷絲PCCP，該技術(shù)施工期間既可不中斷輸水，又能彌補(bǔ)斷絲引起的管道預(yù)應(yīng)力損失。通過(guò)一根內(nèi)徑1.4 m 的PCCP 管道內(nèi)水壓足尺試驗(yàn)，對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP加固效果與管道破壞情況進(jìn)行了分析；之后，基于有限元方法，建立了預(yù)應(yīng)力CFRP 加固斷絲PCCP 三維模型，有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)吻合良好；最后，分析了CFRP 預(yù)應(yīng)力和層數(shù)對(duì)斷絲管道受力性能的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 材料參數(shù)試驗(yàn)選用管道為埋置式PCCP，斷面如圖1所示。管道幾何參數(shù)如表1所示。管芯混凝土抗壓強(qiáng)度為40 MPa，砂漿抗壓強(qiáng)度為37.9 MPa，鋼筒屈服強(qiáng)度為227.5 MPa，鋼絲抗拉強(qiáng)度為1531 MPa，工作內(nèi)壓為1.0 MPa。CFRP參數(shù)如表2所示。材料參數(shù)均由生產(chǎn)廠家給出。

表1 幾何尺寸

圖1 管道斷面

表2 CFRP材料參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方案PCCP 管道總長(zhǎng)為6 m，沿管道長(zhǎng)度選取3 個(gè)截面：截面1、截面2 和截面3，其中，截面1和截面3距離兩管端1700 mm，截面2位于管道中間。在截面1和截面3上進(jìn)行斷絲處理，斷絲寬度均為600 mm。截面1斷絲后不進(jìn)行加固，截面3斷絲后使用預(yù)應(yīng)力CFRP 進(jìn)行加固。截面布置示意圖和實(shí)物如圖2所示。在截面2砂漿、混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼絲上粘貼電阻應(yīng)變片，用于管道材料應(yīng)變測(cè)量。同時(shí)，在截面3 的CFRP 材料上粘貼電阻應(yīng)變片，用于CFRP 預(yù)應(yīng)力的控制及加壓過(guò)程中的應(yīng)變測(cè)量，如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖3 應(yīng)變片及應(yīng)變測(cè)量設(shè)備

截面3加固所用CFRP寬為500 mm，厚4層。CFRP預(yù)應(yīng)力施加裝置為自制裝置，如圖4所示。預(yù)應(yīng)力施加方法為：將CFRP 兩端分別固定于兩個(gè)張拉桿上，CFRP 繞管體一圈后，通過(guò)旋緊對(duì)拉螺栓拉緊CFRP，從而達(dá)到施加預(yù)應(yīng)力的目的。旋緊對(duì)拉螺栓過(guò)程中，通過(guò)DH3816N 應(yīng)變采集設(shè)備對(duì)CFRP應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，待CFRP應(yīng)變達(dá)到控制應(yīng)變后，停止張拉。之后，對(duì)PCCP管道分級(jí)施加內(nèi)水壓，每級(jí)荷載0.1 MPa，達(dá)到預(yù)定內(nèi)水壓后，持壓5 min，并采集各材料應(yīng)變，應(yīng)變達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，再進(jìn)行下一步加壓，直至管道發(fā)生破壞，試驗(yàn)停止。

圖4 CFRP預(yù)應(yīng)力施加

3 有限元模型

使用有限元軟件ABAQUS［26］對(duì)PCCP進(jìn)行三維建模，建模過(guò)程中，對(duì)砂漿、混凝土、鋼筒、鋼絲和CFRP 分別單獨(dú)建模，之后進(jìn)行裝配［14］。PCCP 各部件模型及網(wǎng)格劃分如圖5所示。其中，混凝土管芯離散為20 160 個(gè)單元、25 600 個(gè)節(jié)點(diǎn)；鋼筒離散為8160 個(gè)單元、8240 個(gè)節(jié)點(diǎn)；每圈鋼絲離散為80 個(gè)單元、80 個(gè)節(jié)點(diǎn)；砂漿保護(hù)層離散為5016 個(gè)單元、10 164 個(gè)節(jié)點(diǎn)；CFRP 離散為2400 個(gè)單元、2560個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖5 PCCP有限元模型及網(wǎng)格劃分

砂漿保護(hù)層材料和管芯混凝土均采用實(shí)體單元（C3D8R）進(jìn)行模擬［27-28］，本構(gòu)關(guān)系采用混凝土塑性損傷模型（CDP），材料受拉和受壓的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線可表示為：

式中：E0為初始彈性模量；dt為受拉損傷因子；dc為受壓損傷因子；為拉伸等效塑性應(yīng)變；為壓縮等效塑性應(yīng)變。

鋼筒和CFRP 厚度很薄，采用殼單元（S4R）對(duì)其進(jìn)行模擬。將鋼筒和CFRP 分別等效為理想彈塑性和理想彈脆性材料。預(yù)應(yīng)力鋼絲采用T3D2單元進(jìn)行模擬，根據(jù)文獻(xiàn)［1］，鋼絲的本構(gòu)關(guān)系式表達(dá)如下：

式中：fs為鋼絲應(yīng)力；εs為鋼絲應(yīng)變；Es為鋼絲的彈性模量；fsu為鋼絲的抗拉強(qiáng)度；fsg為鋼絲的張拉控制應(yīng)力，取0.7fsu［5，29］。

在ABAQUS 中通過(guò)“Embedded（嵌入）”將鋼筒嵌入混凝土中，預(yù)應(yīng)力鋼絲嵌入砂漿中；砂漿與混凝土管芯之間接觸采用“Tie（綁定）”進(jìn)行模擬。內(nèi)水壓加載過(guò)程中，CFRP 與砂漿幾乎不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，因此，CFRP與砂漿之間接觸也使用“Tie（綁定）”進(jìn)行模擬［24］。對(duì)PCCP承口端和插口端的軸向位移和環(huán)向位移進(jìn)行約束，只允許其發(fā)生徑向位移。模擬中鋼絲斷絲位置發(fā)生在管道中間截面，利用生死單元技術(shù)“Model change（生死單元）”，將整圈鋼絲“Deactivated（失效）”用于模擬斷絲。

鋼絲和CFRP的預(yù)應(yīng)力均采用溫度法進(jìn)行施加［30-31］，溫度與應(yīng)力關(guān)系表達(dá)式如下所示：

式中：σ為材料應(yīng)力值；Δt為溫度控制值；E為材料彈性模量；α為材料膨脹系數(shù)，鋼絲取1×10-5/℃，CFRP 取-0.7×10-6/℃［29-30］。

4 結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)與仿真結(jié)果加壓初期，管體無(wú)任何破壞跡象，由于應(yīng)力集中，斷絲處材料應(yīng)變比未斷絲處稍大。內(nèi)水壓升至0.5 MPa時(shí)，截面1斷絲左側(cè)處出現(xiàn)一條約45°斜向裂紋。繼續(xù)增加內(nèi)水壓力，第一條裂紋開始擴(kuò)展，與此同時(shí)，截面1斷絲右側(cè)斜上方出現(xiàn)一條斜向裂紋。內(nèi)水壓增加至0.8 MPa時(shí)，裂紋繼續(xù)增多，且新出現(xiàn)裂紋開始與已有裂紋貫通，斷絲處砂漿與管芯混凝土有剝離現(xiàn)象。當(dāng)內(nèi)水壓增大至約0.97 MPa時(shí)，截面1處鋼筒開始發(fā)生較大變形，內(nèi)壓無(wú)法繼續(xù)增大，此時(shí)截面1管芯有大量縱向裂縫及一條環(huán)向裂縫出現(xiàn)，混凝土破壞嚴(yán)重，砂漿大面積脫落，如圖6（a）所示，試驗(yàn)停止。加壓過(guò)程中，截面3 外包裹的CFRP 無(wú)宏觀破壞跡象，斷絲處砂漿只有一條裂縫出現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，移除CFRP，砂漿保護(hù)層大面積完好，在砂漿裂縫處人工剖開截面3，發(fā)現(xiàn)混凝土管芯僅有一條斜向裂縫，如圖6（b）所示。經(jīng)預(yù)應(yīng)力CFRP 加固后的截面破壞程度明顯降低，PCCP 承載力得到提高。試驗(yàn)期間，截面2一直無(wú)宏觀破壞現(xiàn)象，但應(yīng)變計(jì)顯示截面2各材料應(yīng)變隨內(nèi)水壓增大呈線性增加，如圖7所示。

圖6 截面破壞

圖7 PCCP各材料隨內(nèi)水壓變化關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)，對(duì)一根PCCP 管道選取三個(gè)截面分別進(jìn)行斷絲、未斷絲、斷絲后預(yù)應(yīng)力CFRP 加固模擬，管道參數(shù)、截面位置、截面編號(hào)、斷絲率和加固參數(shù)與試驗(yàn)相同。圖8為管道各材料有限元模擬結(jié)果云圖。由圖8可見，截面1 未加固情況下，混凝土損傷嚴(yán)重，截面3 加固后的混凝土管芯損傷明顯降低，與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。圖8（b）（c）為鋼筒和預(yù)應(yīng)力鋼絲環(huán)向應(yīng)力云圖，由圖可見，經(jīng)預(yù)應(yīng)力CFRP加固后的截面，鋼筒和鋼絲應(yīng)力有很大幅度減小，PCCP發(fā)生爆管概率降低。

圖8 有限元模擬結(jié)果

圖9為有限元模擬材料應(yīng)變與試驗(yàn)測(cè)量應(yīng)變對(duì)比。由圖9可見，砂漿保護(hù)層、混凝土管芯和預(yù)應(yīng)力鋼絲模擬結(jié)果與試驗(yàn)吻合良好。而CFRP應(yīng)變模擬結(jié)果與試驗(yàn)相比存在較大離散性，這是由于試驗(yàn)中斷絲位置附近應(yīng)力集中，而有限元模擬中去除了整圈斷絲，因此，CFRP材料模擬應(yīng)變結(jié)果與試驗(yàn)存在一定的出入。總體而言，有限元模擬結(jié)果能較好的表示真實(shí)結(jié)果。

圖9 模擬結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比

4.2 工況分析為探究CFRP 預(yù)應(yīng)力水平和層數(shù)對(duì)加固效果的影響，選取預(yù)應(yīng)力為5%、10%、15%和20%，厚4層，寬500 mm的CFRP對(duì)斷絲率為5%的PCCP進(jìn)行加固模擬分析；隨后選取層數(shù)為0層（無(wú)加固）、2 層、4 層、6 層和8 層預(yù)應(yīng)力為10%，寬500 mm 的CFRP 對(duì)斷絲15%的PCCP 進(jìn)行加固模擬分析。

4.2.1 不同CFRP 預(yù)應(yīng)力水平 在工作內(nèi)壓1.0 MPa 作用下，斷絲5%的PCCP 經(jīng)4 層不同預(yù)應(yīng)力水平的CFRP 加固后，管芯混凝土環(huán)向應(yīng)變沿管長(zhǎng)方向分布變化如圖10所示。由圖10可見，斷絲和加固引起的混凝土管芯應(yīng)變變化范圍有限，約為其寬度的3 倍，遠(yuǎn)離斷絲區(qū)的管芯混凝土幾乎不受影響，這一現(xiàn)象與試驗(yàn)中截面2無(wú)任何破壞跡象相一致?；炷羶?nèi)芯應(yīng)變略小于混凝土外芯，且二者應(yīng)變均較小，混凝土仍處于彈性工作狀態(tài)。經(jīng)預(yù)應(yīng)力CFRP 加固后的混凝土管芯應(yīng)變降低明顯，且隨著CFRP預(yù)應(yīng)力的增加，管芯應(yīng)變不斷減小，降低了混凝土開裂的風(fēng)險(xiǎn)。管芯混凝土環(huán)向應(yīng)力分布如圖11所示。由圖可見，環(huán)向應(yīng)力最大值發(fā)生在斷絲區(qū)中間位置，遠(yuǎn)離斷絲區(qū)的混凝土應(yīng)力幾乎不受影響，且混凝土環(huán)向應(yīng)力隨著CFRP預(yù)應(yīng)力值的增大而不斷減小，與圖10中應(yīng)變分析結(jié)果一致。

圖10 混凝土環(huán)向應(yīng)變

圖11 混凝土環(huán)向應(yīng)力云圖

在工作內(nèi)壓1.0 MPa 作用下，斷絲5%的PCCP 經(jīng)4 層不同預(yù)應(yīng)力水平的CFRP 加固后，鋼筒環(huán)向應(yīng)變和預(yù)應(yīng)力鋼絲環(huán)向應(yīng)力沿管長(zhǎng)方向分布變化如圖12和圖13所示。由圖可見，鋼筒應(yīng)變和鋼絲應(yīng)力受斷絲影響區(qū)約為斷絲區(qū)長(zhǎng)度的3倍，與混凝土管芯應(yīng)變響應(yīng)相一致。鋼筒應(yīng)變值處于混凝土外芯和內(nèi)芯之間。經(jīng)加固后的鋼筒應(yīng)變和鋼絲應(yīng)力降低明顯，且隨著CFRP預(yù)應(yīng)力的增大不斷減小，鋼絲應(yīng)力由1165 MPa 降低為1145 MPa，遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度，PCCP 爆管可能性降低。圖14和圖15為鋼筒和預(yù)應(yīng)力鋼絲在工作內(nèi)壓下的環(huán)向應(yīng)力云圖。由圖可見，鋼筒和鋼絲應(yīng)力隨CFRP預(yù)應(yīng)力的增大而不斷減小，PCCP逐漸趨于更安全狀態(tài)，且斷絲和加固影響區(qū)域有限，遠(yuǎn)離斷絲區(qū)位置應(yīng)力基本不受影響。

圖12 鋼筒環(huán)向應(yīng)變

圖13 鋼絲環(huán)向應(yīng)力

圖14 鋼筒環(huán)向應(yīng)力云圖

圖15 鋼絲環(huán)向應(yīng)力云圖

工作內(nèi)壓1.0 MPa作用下，4層不同預(yù)應(yīng)力CFRP 加固斷絲5%的PCCP 后，CFRP 環(huán)向應(yīng)力云圖如圖16所示。由圖16可見，CFRP 應(yīng)力隨預(yù)應(yīng)力的增大呈明顯增大趨勢(shì)，說(shuō)明CFRP 逐漸得到充分利用，斷絲PCCP 承載性能增加。CFRP 最大應(yīng)力約為731 MPa，遠(yuǎn)小于其極限抗拉強(qiáng)度3400 MPa，PC?CP仍能承受較大內(nèi)壓。

圖16 CFRP環(huán)向應(yīng)力云圖

4.2.2 不同CFRP 層數(shù) 當(dāng)CFRP 預(yù)應(yīng)力水平為10%，采用不同層數(shù)CFRP 加固斷絲率為15%的PCCP時(shí)，混凝土最大環(huán)向應(yīng)變和鋼筒最大環(huán)向應(yīng)力隨內(nèi)水壓變化趨勢(shì)如圖17和圖18所示。由圖可見，當(dāng)內(nèi)壓較低時(shí)，混凝土應(yīng)變和鋼筒應(yīng)力隨內(nèi)壓增加而緩慢增長(zhǎng)，且隨著CFRP層數(shù)的增加而減小；當(dāng)不加固、2層、4層和6層CFRP加固時(shí)，內(nèi)壓分別達(dá)到約0.32 MPa、0.53 MPa、0.65 MPa和0.84 MPa時(shí)，混凝土開始產(chǎn)生裂縫，管道達(dá)到其工作極限狀態(tài)［1-2］，混凝土應(yīng)變和鋼筒應(yīng)力出現(xiàn)陡增，此現(xiàn)象與文獻(xiàn)［5］中試驗(yàn)分析一致；緊接著鋼筒迅速達(dá)到其屈服應(yīng)力。經(jīng)8層CFRP 加固后的PCCP 在工作內(nèi)壓下仍處于彈性狀態(tài)，此時(shí)PCCP可正常運(yùn)營(yíng)。以管道達(dá)到其工作極限狀態(tài)為依據(jù)，經(jīng)2層、4層和6層預(yù)應(yīng)力為10%的CFRP加固后的管道承載力提高分別為65.6%、103.1%和162.5%。

圖17 混凝土環(huán)向應(yīng)變

圖18 鋼筒環(huán)向應(yīng)力

圖19和圖20分別為CFRP預(yù)應(yīng)力為10%、PCCP斷絲率為15%時(shí)，混凝土損傷云圖和鋼筒應(yīng)力云圖。由圖可見，當(dāng)無(wú)加固、2層加固、4層加固和6層加固時(shí)，混凝土分別在0.6 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa和1.0 MPa 時(shí)損傷嚴(yán)重，管道不能承受工作內(nèi)壓；當(dāng)采用8 層CFRP 加固時(shí)，混凝土幾乎無(wú)損傷現(xiàn)象出現(xiàn)，管芯仍能正常工作。當(dāng)無(wú)加固和2層CFRP 加固、內(nèi)壓分別為0.6 MPa和0.8 MPa時(shí)，鋼筒達(dá)到屈服應(yīng)力，但加固后鋼筒屈服面積減小。鋼筒受力狀態(tài)隨CFRP層數(shù)增加呈明顯改善趨勢(shì)。

圖19 混凝土損傷云圖

圖20 鋼筒應(yīng)力云圖

當(dāng)CFRP 預(yù)應(yīng)力水平為10%，采用不同層數(shù)CFRP 加固斷絲率為15%的PCCP 時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼絲和CFRP環(huán)向應(yīng)力隨內(nèi)水壓變化趨勢(shì)如圖21和圖22所示。

圖21 鋼絲環(huán)向應(yīng)力

圖22 CFRP環(huán)向應(yīng)力

由圖可見，內(nèi)水壓較小時(shí)，鋼絲應(yīng)力和CFRP 應(yīng)力隨內(nèi)水壓增加緩慢增長(zhǎng)，CFRP 加固層數(shù)的變化對(duì)鋼絲應(yīng)力影響不大；當(dāng)內(nèi)壓分別達(dá)到約0.32 MPa、0.53 MPa、0.65 MPa和0.84 MPa時(shí)，管道達(dá)到其工作極限狀態(tài)，鋼絲和CFRP 應(yīng)力值發(fā)生突變，此現(xiàn)象與混凝土應(yīng)變和鋼筒應(yīng)力相似，CFRP 層數(shù)的增加可使鋼絲應(yīng)力突變時(shí)的內(nèi)壓得到明顯提升；同時(shí)，CFRP 自身應(yīng)力有所減小。圖23和圖24為不同層數(shù)CFRP 加固斷絲率為15%的PCCP 時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼絲和CFRP 環(huán)向應(yīng)力云圖。由圖可見，隨著CFRP 加固層數(shù)的增加，鋼絲受力狀態(tài)不斷改善，PCCP 承載性能持續(xù)提升，爆管可能性降低。不同層數(shù)CFRP 加固時(shí)，CFRP 最大環(huán)向應(yīng)力約為610 MPa，遠(yuǎn)小于極限抗拉強(qiáng)度3400 MPa，未能充分發(fā)揮其優(yōu)越的抗拉性能。

圖23 鋼絲環(huán)向應(yīng)力云圖

圖24 CFRP環(huán)向應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

本文針對(duì)PCCP管道斷絲病害問(wèn)題，提出使用預(yù)應(yīng)力CFRP外部纏繞PCCP加固技術(shù)。通過(guò)一根長(zhǎng)6 m、內(nèi)徑1.4 m 的埋置式PCCP 足尺試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出技術(shù)的加固效果。之后，基于有限元方法，建立了預(yù)應(yīng)力CFRP 加固斷絲PCCP 三維模型，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比評(píng)估，分析了CFRP預(yù)應(yīng)力和層數(shù)對(duì)加固效果的影響。得出主要結(jié)論如下：（1）試驗(yàn)中，預(yù)應(yīng)力CFRP 加固后的截面幾乎未發(fā)生破壞，而未加固截面破壞嚴(yán)重，預(yù)應(yīng)力CFRP 加固效果明顯。（2）斷絲和加固對(duì)管道影響區(qū)域約為斷絲寬度的3 倍，遠(yuǎn)離斷絲和加固區(qū)域的管道受力狀態(tài)不受影響。（3）以管道工作極限狀態(tài)為依據(jù)，斷絲15%的PCCP 管道經(jīng)2 層、4 層和6 層預(yù)應(yīng)力為10%的CFRP 加固后，承載力可分別提高65.6%、103.1%和162.5%。（4）當(dāng)斷絲率低于15%時(shí)，采用8 層預(yù)應(yīng)力為10%的CFRP 對(duì)其進(jìn)行加固修復(fù)，可使PCCP在工作內(nèi)壓1.0 MPa下正常運(yùn)行。