PCCP管內(nèi)環(huán)向預(yù)應(yīng)力加固驗(yàn)證試驗(yàn)研究

魯文妍，劉海祥，柯敏勇，許珉凡，呂康偉，洪 欣

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029； 2.河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 211000)

在役預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP）出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼絲失效、預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)不足等情況時，管壁安全性、抗裂性下降，加壓運(yùn)行時存在開裂、爆管等風(fēng)險[1-2]。現(xiàn)有的修復(fù)方法主要有管外加固法、換管法、管內(nèi)常規(guī)加固方法等[3-5]。管外加固法的缺點(diǎn)是需要開挖大量的土方，雖然在管外粘貼碳纖維布[6]、施加預(yù)應(yīng)力鋼環(huán)、預(yù)應(yīng)力鋼絞線[7]等可以有效提供環(huán)向約束并且精準(zhǔn)地針對斷絲的位置進(jìn)行加固，但是造價較高且工程量大，不適宜在工程實(shí)踐中大規(guī)模推廣。換管法是通過探傷找到損壞管道所在的位置，然后先挖去上部土層，再將損壞的管道移去，換上新的PCCP管。這種方法造成的影響較大，管道移除的施工難度較大，接縫處的處理也是一個亟待解決的施工難題。管內(nèi)加固方法包括頸縮鋼筒內(nèi)襯法、鋼管內(nèi)襯法、內(nèi)貼碳纖維法等[8-9]，頸縮鋼筒內(nèi)襯法和鋼管內(nèi)襯法往往造成過流斷面的較大損失，內(nèi)貼碳纖維法通常采用非預(yù)應(yīng)力加固的方法，在內(nèi)管壁直接粘貼碳纖維布進(jìn)行加固，由于碳纖維材料彈性模量與鋼筋相似，抗拉強(qiáng)度為鋼材的7～10倍，高強(qiáng)度的發(fā)揮需要較大變形，內(nèi)貼難以充分利用碳纖維材料的高強(qiáng)度特性。這種方法屬于非主動受力，即只有在外界荷載的情況下才能發(fā)揮作用，并不能主動發(fā)揮碳纖維材料的作用，在一定程度上造成了碳纖維材料性能的浪費(fèi)。

由于PCCP管埋深、周邊環(huán)境、維修期等原因，無法進(jìn)行大面積開挖維修。目前管內(nèi)維修采用內(nèi)襯復(fù)合管材、內(nèi)貼碳纖維布材等辦法，一定程度上解決了以上問題，但仍存在很多不足，如過水?dāng)嗝鏈p小、不能充分發(fā)揮加固材料強(qiáng)度及原有結(jié)構(gòu)剛度等。

碳纖維板具有高強(qiáng)高效的特點(diǎn)，在混凝土結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)等補(bǔ)強(qiáng)加固中得到了廣泛應(yīng)用。通過將預(yù)應(yīng)力技術(shù)和碳纖維板材相結(jié)合，可以有效、主動地改善結(jié)構(gòu)受力性能，已大量應(yīng)用在混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等加固中，但預(yù)應(yīng)力碳纖維板目前多應(yīng)用于梁板結(jié)構(gòu)加固的直線形張拉，很少應(yīng)用于管內(nèi)環(huán)向。

為快速有效修復(fù)難以開挖區(qū)域破損PCCP，減少甚至避免PCCP爆裂事故的發(fā)生，研究提出PCCP管內(nèi)環(huán)向預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)，應(yīng)用自主設(shè)計(jì)的環(huán)向預(yù)應(yīng)力加固裝置，為PCCP管內(nèi)的碳纖維板材施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力，再利用高性能結(jié)構(gòu)膠粘貼至PCCP管道內(nèi)壁，達(dá)到加固目的。在此加固方法中，管內(nèi)環(huán)向預(yù)應(yīng)力的施加是關(guān)鍵，通過三階段試驗(yàn)驗(yàn)證該方法，包括基礎(chǔ)性驗(yàn)證試驗(yàn)、管內(nèi)環(huán)向預(yù)應(yīng)力加固試驗(yàn)和PCCP原型管加固試驗(yàn)，本文介紹第一階段基礎(chǔ)性驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)方案

通過基礎(chǔ)性驗(yàn)證試驗(yàn)，采用內(nèi)環(huán)、外環(huán)相結(jié)合進(jìn)行試驗(yàn)，將施加預(yù)應(yīng)力的碳纖維板粘貼至混凝土外環(huán)內(nèi)壁，驗(yàn)證PCCP管內(nèi)預(yù)應(yīng)力加固試驗(yàn)方案的可行性。內(nèi)環(huán)、外環(huán)分弧段澆筑，澆筑期各弧段之間間隙設(shè)置隔板（圖1）。外環(huán)為300°，共分6段，其中4段45°（含隔板），主要用于粘結(jié)試驗(yàn)；2段60°，主要用于平衡結(jié)構(gòu)。內(nèi)環(huán)分3段，含隔板分別為90°、90°、180°。外環(huán)、內(nèi)環(huán)對應(yīng)設(shè)置拉桿孔，便于粘貼時緊密貼合。首先實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)的外側(cè)環(huán)向預(yù)應(yīng)力；然后將外環(huán)內(nèi)側(cè)主動與碳纖維板粘貼；撤除內(nèi)環(huán)，外環(huán)形成所需工況，研究粘貼效果。試驗(yàn)過程包含立模、澆筑、張拉錨固、粘貼至外環(huán)內(nèi)側(cè)、外環(huán)形成整體、體系轉(zhuǎn)換等步驟。應(yīng)變傳感器布置見圖1。

（1）立模。 采用鋅鍍鐵皮立模（圖2），內(nèi)、外環(huán)分段見圖1，弧間隔板分隔板A、隔板B兩種類型，隔板A采用鋼板，隔板B為2°的楔形滑板，便于弧段拆模。立模后，確保內(nèi)、中、外3層為同心圓，圓弧平順，固定可靠；模板厚度2 mm，確保實(shí)施過程中剛度、操作性合適。隔板與內(nèi)、中、外模相接部位保證平順；澆筑前隔板兩側(cè)涂刷脫模劑。

圖1 圓環(huán)分段及應(yīng)變傳感器布置Fig.1 Plane layout of curved concrete blocks and strain sensors

圖2 環(huán)向封閉模板立模Fig.2 Erection of circumferentially closed formwork

（2）澆筑。澆筑包括弧形混凝土塊段（圖3）和卸載塊。卸載（滑）塊由水泥基高強(qiáng)灌料外包不銹鋼板、減阻板組成（拼裝試驗(yàn)階段安裝形式見圖4）。擋板、化學(xué)錨栓配合限位與卸載。水泥基材料需提前開展性能試驗(yàn)，確保強(qiáng)度達(dá)到C50。外環(huán)、內(nèi)環(huán)對應(yīng)地設(shè)置拉桿孔，便于粘貼時緊密貼合。

圖3 弧形混凝土塊段澆筑Fig.3 Placement diagram of curved concrete blocks

圖4 楔形卸載塊安裝Fig.4 Installation diagram of wedge unloading block

（3）張拉錨固。將內(nèi)環(huán)拼裝，通過開槽、鉆孔植螺栓、粘貼安裝設(shè)置預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固端、張拉端，采用一端錨固、另一端用液壓千斤頂張拉的方式給內(nèi)環(huán)外側(cè)施加碳纖維板環(huán)向預(yù)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)的外側(cè)環(huán)向預(yù)應(yīng)力（圖5）。張拉、固定端不設(shè)交叉重疊，加強(qiáng)錨固、張拉區(qū)配筋；錨固件、張拉件均需部分埋設(shè)在混凝土面以下，可預(yù)埋同等大小木板，減小安裝工作量；3段間設(shè)計(jì)穩(wěn)定連接，確保安全措施；通過碳纖維板與混凝土環(huán)間設(shè)置減阻板，確保碳纖維板張拉近似無摩阻；90°與180°構(gòu)件間間隙采用鋼板+鍍鋅鐵皮隔層，可與澆筑期一致。

圖5 張拉錨固Fig.5 Diagram of tensioning and anchorage

（4）粘貼至外環(huán)內(nèi)側(cè) 。將外環(huán)吊至內(nèi)環(huán)外側(cè)，將外環(huán)各段粘貼至帶有預(yù)應(yīng)力（內(nèi)力）的碳纖維板內(nèi)環(huán)（圖6）。在粘貼過程中需確保膠飽滿、碳纖維板以外區(qū)域內(nèi)環(huán)與外環(huán)不粘在一起。可采取以下措施：碳纖維板兩側(cè)粘貼橡膠止水條（具有低彈模、高壓縮特性），止水條之間涂碳纖維板膠，厚度2 mm，厚度控制最終采用限位裝置實(shí)現(xiàn)。

圖6 粘貼至外環(huán)內(nèi)側(cè)Fig.6 Paste to the inside of outer ring

（5）外環(huán)形成整體。試驗(yàn)粘貼期，運(yùn)用微膨脹材料、連接塊及楔形塊封閉各連接段間隙（圖7），確保內(nèi)環(huán)卸載外環(huán)受力后整個裝置穩(wěn)定，各段不產(chǎn)生偏心受壓。

圖7 外環(huán)形成整體Fig.7 Outer ring forms a whole

（6）內(nèi)環(huán)撤除，完成體系轉(zhuǎn)換。待碳纖維板與外環(huán)混凝土間結(jié)構(gòu)膠達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，依次撤除內(nèi)環(huán)卸載塊和兩段90°部分塊段，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力由內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)至外環(huán)（圖8），即達(dá)到管內(nèi)環(huán)向預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。

圖8 體系轉(zhuǎn)換Fig.8 System transformation

2 試驗(yàn)過程及分析

采用C50混凝土澆筑，齡期達(dá)到28 d后開展試驗(yàn)。依次按照試驗(yàn)方案的立模、澆筑、張拉錨固、外環(huán)鑿毛、粘貼至外環(huán)內(nèi)側(cè)、外環(huán)形成整體、體系轉(zhuǎn)換等步驟實(shí)施試驗(yàn)，試驗(yàn)部分照片見圖9。

圖9 試驗(yàn)步驟照片F(xiàn)ig.9 Photos of the test

試驗(yàn)過程中，充分做好內(nèi)環(huán)卸載、外環(huán)受力的準(zhǔn)備工作：（1）強(qiáng)度等待；（2）應(yīng)變傳感器測試調(diào)試；（3）內(nèi)環(huán)分級、慢速卸載措施；（4）內(nèi)環(huán)卸載過程中，各個塊段收緊螺栓桿的措施。試驗(yàn)用碳纖維板寬5 cm，厚3 mm，彈性模量為180 GPa。測得碳纖維板拉伸前長9 352 mm，拉伸后長9 382 mm。由應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系ε=σ/E及薄壁圓筒公式（P= δt/R，其中：P為徑向應(yīng)力；δ為環(huán)向應(yīng)力；t為圓筒厚度；R為圓筒半徑）可求得碳纖維板拉伸后所受徑向應(yīng)力為1.15 MPa。當(dāng)卸除內(nèi)環(huán)后，碳纖維板失去內(nèi)環(huán)支撐，略有收縮，碳纖維板長9 373 mm，即此時碳纖維板徑向應(yīng)力變?yōu)?.8 MPa，這一徑向應(yīng)力主要由外環(huán)混凝土與碳纖維板間粘接膠平衡。

圖10為混凝土外環(huán)測點(diǎn)和內(nèi)環(huán)測點(diǎn)應(yīng)變時程曲線。在t=157 s時發(fā)生體系轉(zhuǎn)換。內(nèi)環(huán)拆除后，外環(huán)混凝土壓應(yīng)變突增至1.8×10-7，內(nèi)環(huán)混凝土由基本不受力狀態(tài)突變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)（相對于碳纖維板張拉以后）。經(jīng)過體系轉(zhuǎn)換，碳纖維板成功粘貼至外環(huán)混凝土，預(yù)應(yīng)力施加在內(nèi)環(huán)混凝土上的預(yù)壓應(yīng)力釋放，內(nèi)環(huán)應(yīng)變片表現(xiàn)為拉應(yīng)變，碳纖維板預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)移至外環(huán)，使外環(huán)混凝土受到預(yù)壓。放置7 d后，經(jīng)敲擊檢測，未見脫空，這表明經(jīng)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固形成的混凝土-結(jié)構(gòu)膠-碳纖維板體系是可靠的。

圖10 內(nèi)外環(huán)典型測點(diǎn)應(yīng)變時程曲線Fig.10 Strain-time curve of typical measuring points at inner and outer ring

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了PCCP管內(nèi)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固基礎(chǔ)驗(yàn)證試驗(yàn)，碳纖維板在帶有內(nèi)力的情況下，成功粘結(jié)至管道混凝土內(nèi)壁，證明了方案的可行性。環(huán)向預(yù)應(yīng)力施加本質(zhì)是對管道施加徑向力，在運(yùn)行期可與內(nèi)水壓力平衡；混凝土表層經(jīng)過鑿毛、基底處理，形成的混凝土-結(jié)構(gòu)膠-預(yù)應(yīng)力碳纖維板體系是可靠的，可以提供不低于0.8 MPa黏結(jié)力。適當(dāng)加厚結(jié)構(gòu)膠體厚度、選用柔性物質(zhì)與碳纖維板接觸，可以滿足碳纖維板與弧形管壁密貼。

在驗(yàn)證了該加固方法可行基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步在PCCP管道上開展加固驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)時粘貼碳板成封閉圓環(huán)，即內(nèi)環(huán)本身不設(shè)錨固端、張拉端，通過裝置撐開內(nèi)環(huán)，使碳板拉伸，然后粘貼到外環(huán)。