PCCP復式碳纖維加固1∶1模型試驗研究

孫志恒 楊進新 李萌 韋昊南

摘要：針對PCCP的預應力鋼絲斷裂數目增多給PCCP運行帶來的安全隱患問題，提出了PCCP復式碳纖維加固技術。在原型PCCP內壁進行了現場測試，證實了PCCP復式碳纖維加固技術的可行性。試驗采用電阻應變片和光纖兩種測量手段，監(jiān)測了1∶1模型在內水壓力作用下斷絲對PCCP內壁混凝土及碳纖維的影響。試驗結果表明：與傳統碳纖維加固方案相比，對4 m管徑的PCCP采用內壁復式碳纖維加固方案可提高碳纖維的拉應力水平約4～5倍。

關鍵詞：PCCP;1∶1模型;復式碳纖維加固;傳統碳纖維加固

中圖法分類號：TV746.3文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.010

文章編號：1006 - 0081（2021）06 - 0049 - 04

1? ? 研究背景

預應力鋼筒混凝土管（PCCP）是在帶有鋼筒的混凝土管芯外側纏繞環(huán)向預應力鋼絲，并在管體外側輥射水泥砂漿保護層而制的一種復合型管材，其中預應力鋼絲對于PCCP的承載力有較大影響。目前，中國引調水工程中使用PCCP的工程越來越多，但由于設計、施工質量缺陷，土壤腐蝕環(huán)境，運行管理不當等原因，多個工程已出現爆管情況，且大部分爆管是由于高強預應力鋼絲出現斷絲所致。修復破損PCCP主要采用開挖更換、鋼絞線修復、頸縮鋼筒、鋼管穿插、外貼碳纖維及內貼碳纖維等方法。其中，內貼碳纖維加固PCCP技術是通過樹脂類膠結材料將碳纖維材料粘貼于PCCP內側混凝土表面，通過兩者的共同作用達到加固補強、改善結構受力性能的一種加固技術。與其他加固技術相比，該技術無需大型施工機具，施工簡便、高效、質量易保證。但是，傳統粘貼碳纖維加固PCCP技術存在一些固有缺陷，混凝土的開裂應變與碳纖維的極限拉應變相差甚遠，直接粘貼碳纖維難以抑制PCCP結構的變形、裂縫的發(fā)展和外側預應力鋼絲的斷裂，使碳纖維材料的高強度優(yōu)勢不能得到有效發(fā)揮。復式碳纖維加固技術是指在碳纖維與混凝土內壁之間增設一層高壓縮彈性墊層，在相同的內水壓力下，復式碳纖維加固方法中碳纖維的徑向位移囊括了彈性墊層的壓縮量，導致碳纖維環(huán)向位移增大，進而提高了碳纖維的環(huán)向應力，使碳纖維承擔更多的內水壓力。因此，有必要將PCCP傳統碳纖維加固方法與復式碳纖維加固方法進行對比，來驗證復式碳纖維加固方法的可行性與優(yōu)越性，并為以后的PCCP內部補強加固處理積累經驗。

2 試驗方案設計

2.1 現場試驗布置

模型現場試驗采用兩節(jié)直徑為4 m的PCCP、一節(jié)連接管、兩個堵頭和兩個鎮(zhèn)墩。圖1為PCCP修復技術1∶1模型內加固試驗布置。其中1號PCCP采用復式碳纖維加固方法，即在碳纖維與PCCP內壁混凝土表面之間粘貼一層高壓縮彈性墊層（厚5 mm），碳纖維選用一層環(huán)向+一層縱向+一層環(huán)向，碳纖維表面涂刷SK單組分聚脲（厚1.0～1.5 mm）防護，簡稱“復式碳纖維加固管”。2號PCCP采用傳統碳纖維加固方法，即在PCCP內壁混凝土表面直接粘貼碳纖維，碳纖維選用一層環(huán)向+一層縱向+一層環(huán)向，碳纖維表面涂刷SK單組分聚脲防護，簡稱“傳統碳纖維加固管”;中間的鋼管作為連接管，堵頭留有進出人孔，鎮(zhèn)墩要求能夠承受試驗中內水壓力的推力。在PCCP承插接口30～40 cm范圍內涂刷厚4 mm的SK單組分聚脲封邊來增加表面柔性止水。

2.2 試驗參數

PCCP試驗管道設計工作壓力為0.6 MPa、9 m覆土。管芯厚320 mm，兩個試驗管均有內、外兩層鋼絞線，其中1號復式碳纖維加固管外層鋼絲226根、內層鋼絲227根;2號傳統碳纖維加固管外層鋼絲291根、內層鋼絲297根。PCCP材料力學性能參數如下：

管芯混凝土彈性模量設計值 27 860.6 MPa

鋼筒彈性模量設計值206 850 MPa

鋼絲彈性模量設計值193 035 MPa

砂漿彈性模量設計值24 864 MPa

鋼絲纏繞應力 1 177.5 MPa

鋼筒拉伸屈服強度 227.53 MPa

鋼筒抗拉強度 310 MPa

保護層砂漿抗壓強度37.92 MPa

試驗使用碳纖維布力學參數見表1。

選擇的高壓縮彈性墊層具有在彈性范圍內壓縮量大、本體強度較高、抗?jié)B、耐老化、耐低溫、與混凝土和碳纖維黏接強度大于墊層本體強度等特點，壓縮40%以內時的泊松比約為0.3，墊層拉伸強度值大于2.0 MPa，拉伸斷裂伸長率大于100%。

3 PCCP內部碳纖維補強加固及測量

3.1 碳纖維補強加固

PCCP復式碳纖維加固施工工藝為： PCCP內壁混凝土表面打磨、清洗、晾干。在混凝土表面布置電阻應變片和分布式光纖測點，分別粘貼應變片和分布式光纖，并進行保護。混凝土表面粘貼高壓縮彈性墊片，墊片表面輥壓平整，并刮涂膩子找平，圖2為高壓縮彈性墊層表面刮涂膩子找平現場。在高壓縮彈性墊片表面粘貼兩層環(huán)向和一層縱向碳纖維布，圖3為墊層表面粘貼環(huán)向碳纖維施工現場，在碳纖維表面布置應變片和光纖測點，粘貼電阻應變片和分布式光纖，并進行保護。在碳纖維表面涂刷厚1.0～1.5 mm的SK手刮聚脲（抗沖磨型）進行防護。PCCP傳統碳纖維加固施工工藝同上，不同之處是在混凝土表面直接粘貼兩層環(huán)向和一層縱向碳纖維布。

3.2 應變測量方法及測點布置

在1∶1模型試驗中，PCCP混凝土及碳纖維應變測量分別采用電阻應變片和分布式光纖應變測量方法。

試驗對每節(jié)管道前后間隔1.25 m的3個斷面進行監(jiān)測，即將電阻應變片和環(huán)向光纖粘貼在這3個斷面的位置。

1號管內混凝土表面應變片布置14個測點，碳纖維表面應變片布置10個測點。2號管內混凝土表面應變片布置4個測點，碳纖維表面應變片布置12個測點 。管內混凝土表面光纖采用一條龍的方式粘貼，每節(jié)管道混凝土內壁分別貼有3個光纖環(huán)，共計6個光纖環(huán)。在每節(jié)管道內壁粘貼的碳纖維表面貼了3個環(huán)向光纖，共計6個光纖環(huán)。在接近管底的位置粘貼縱向光纖。

4? ?現場試驗步驟

在未斷絲情況下，施加內水壓力，每次以0.1 MPa遞增方式加載，直到達到0.9 MPa，每次穩(wěn)壓10 min。在穩(wěn)壓0.9 MPa的情況下，外層預應力鋼絲分4次均勻切斷。外層預應力鋼絲全部切斷后，為試驗安全起見，將內水壓力卸載至零，開始切斷內層預應力鋼絲。復式碳纖維加固管內層預應力鋼絲每次斷絲28根，內水壓力分別為0.3，0.5，0.7，0.9 MPa，直至全部斷絲后卸載，抽空管內水。傳統碳纖維加固管內層預應力鋼絲每次斷絲28根，內水壓力分別為0.3，0.5，0.7，0.9 MPa，直至剩余87根鋼絲后卸載，抽空管內水。

5 試驗數據分析

5.1 內水壓力作用下外層預應力鋼絲斷絲工況

（1）PCCP內壁混凝土表面測點環(huán)向應變。在PCCP內水壓力從0增加至0.9 MPa以及在保持內水壓力為0.9 MPa，外層預應力鋼絲斷絲的工況下，復式碳纖維加固管和傳統碳纖維加固管混凝土表面測點的環(huán)向拉應變均隨著內水壓力的增加而增大。但當內水壓力保持在0.9 MPa后開始斷絲，隨著外層預應力鋼絲斷絲數量的增加，混凝土表面測點應變的增量變化很小，說明外層預應力鋼絲對內加固后的PCCP承受0.9 MPa內水壓力情況的影響不大。兩個管混凝土表面測點的應變值小，但差值不明顯。當內水壓力達到0.9 MPa時，兩個管內壁混凝土應變片測點拉應變增量最大值為220 με;外層預應力鋼絲全部斷絲后，兩個管內壁混凝土應變片測點拉應變增量最大值為240 με。光纜測量結果與應變片測量結果基本相當。

（2） PCCP內壁碳纖維表面測點環(huán)向應變。在PCCP內水壓力從0增加至0.9 MPa，并且保持內水壓力0.9 MPa不變，外層預應力鋼絲分4次均勻斷絲的工況下，PCCP內壁碳纖維表面電阻應變片測點環(huán)向應變增量變化見圖4。從圖4可以看出，隨著內水壓力的增加，復式碳纖維加固管內壁碳纖維表面應變值較傳統加固碳纖維表面應變值顯著增加，管腰部和管頂應變增加值約為80%，管底部測點應變增加值約為40%。當內水壓力保持在0.9 MPa后開始斷絲，隨著外層預應力鋼絲斷絲的增加，各測點應變增加值基本不變。傳統碳纖維加固管內壁碳纖維表面的測點應變增量與混凝土表面的測點應變增量基本相同。

圖5為光纖測量碳纖維應變數據。從圖5可以看出：每個管道碳纖維表面有對應3個光纖環(huán)應變，對比復式碳纖維加固管和傳統碳纖維加固管內壁碳纖維表面的相對應變可以發(fā)現，復式碳纖維加固管碳纖維相對應變明顯增大，加壓至0.9 MPa時，相對應變值在1 300 με左右;傳統碳纖維加固管碳纖維相對應變較小，加壓至0.9 MPa時，相對應變值在300 με左右，二者相差1 000 με。

電阻應變片和分布式光纖測量結果均表明：復式碳纖維承擔的內水壓力較傳統碳纖維顯著增大。

5.2 內水壓力作用下內層預應力鋼絲斷絲后工況

（1） 內層預應力鋼絲數量與PCCP內壁混凝土環(huán)向應變增量。電阻應變片和分布式光纖測量結果表明，試驗管的內層預應力鋼絲均勻切斷后，隨著內水壓力的增加，混凝土表面各測點的環(huán)向應變增量不斷增大，當內水壓力為0.9 MPa時，復式碳纖維加固管管道內壁混凝土應變?yōu)?50～300 με，傳統碳纖維加固管管道內壁混凝土應變?yōu)?00～350 με。復式碳纖維加固管混凝土應變較傳統碳纖維加固管混凝土應變小50 με左右。當第一次加壓至0.9 MPa后卸壓至零，再進行第二次切割。各應變片測點應變值變化規(guī)律基本一致。

（2）內層預應力鋼絲數量與PCCP內壁碳纖維環(huán)向測點應變增量。電阻應變片結果表明：傳統碳纖維加固管內層預應力鋼絲第一次均勻切斷37根，隨著內水壓力的增加，碳纖維表面應變片各測點的環(huán)向應變增量不斷增大，當內水壓力為0.9 MPa時，碳纖維表面的應變片測點應變?yōu)?89～283 με;相應的復式碳纖維加固管第一次均勻切斷28根，隨著內水壓力的增加，各測點的應變增量迅速增大;當內水壓力為0.9 MPa時，碳纖維表面的應變片測點應變?yōu)?17～1 091 με，復式碳纖維加固管較傳統碳纖維加固管中的碳纖維應變大4～5倍。當第一次加壓至0.9 MPa后卸壓至零，再進行第二次切割，應變片各測點應變值變化規(guī)律基本一致。

表2為內層預應力鋼絲數量與碳纖維表面光纖環(huán)向應變增量變化情況。從表2可以看出：傳統碳纖維加固管第一次均勻切斷37根，當內水壓力為0.9 MPa時，管中碳纖維表面光纖測得的應變?yōu)?50～250 με;相應的復式碳纖維加固管第一次均勻切斷28根，當內水壓力為0.9 MPa時，管中碳纖維表面光纖測得的應變?yōu)?20～920 με。復式碳纖維加固管中的碳纖維表面的環(huán)向應變較傳統碳纖維加固管中的碳纖維應變大4～5倍。光纖與應變片測量結果基本一致。

5.3 卸載后管內部檢查

試驗完成后排空管內水，進入PCCP內部進行檢查。從現場檢查情況來看，復式碳纖維加固管和傳統碳纖維加固管管道內部均未發(fā)現碳纖維剝落及脫空現象。復式碳纖維加固管內部管體內徑同試驗前沒有變化。

6? ? 結 論

（1）試驗過程采用電阻應變片測量和分布式光纖測量兩種方式同時監(jiān)測混凝土及碳纖維表面應變，兩種測量方式獲得的測點應變結果基本一致，起到了相互印證了效果，試驗數據可靠。

（2）試驗結果證明：采用碳纖維內加固后的兩節(jié)PCCP在0.9 MPa內水壓力作用下，外層鋼絞線全部斷絲，對內壁采用碳纖維加固的兩節(jié)PCCP的結構影響不大。

（3）采用復式碳纖維加固的1號管和采用傳統碳纖維加固的2號管在多次加、卸壓的情況下，PCCP管道內部均未發(fā)現碳纖維剝落情況，管體內部尺寸與試驗前相比沒有明顯變化，說明在PCCP內部粘貼碳纖維補強加固工藝是可行的，結構是可靠的。

（4）在內水壓力作用下，對4 m直徑的PCCP采用內壁復式碳纖維加固方案，較傳統碳纖維加固方案可以提高碳纖維的拉應力水平4～5倍，提升了碳纖維加固PCCP的效果，起到了使碳纖維與PCCP聯合共同承受內水壓力的效果及預防PCCP爆管的作用。

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（編輯：李 慧）