預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）體外預(yù)應(yīng)力加固方法研究

張志紅，呂兵，李記興，王帆，陳曉 ，李軍

（1.柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西 柳州 545000；2.北京市南水北調(diào)干線管理處，北京 100195；3.北京韓建水利水電工程有限公司，北京 102488）

1 引言

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，簡稱PCCP），它是在帶有鋼筒的管芯混凝土上螺旋纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲，在其外噴涂致密的水泥砂漿作為保護層，并涂覆環(huán)氧煤瀝青防腐涂層，是由鋼板、混凝土、高強鋼絲和水泥砂漿幾種材料組成的復(fù)合型管材[1]。這種管材綜合了鋼材和混凝土的優(yōu)點，綠色環(huán)保、抗?jié)B性能好、承壓高，接頭采用雙膠圈密封，密封性能好，它充分發(fā)揮了鋼絲的高強性、鋼筒密封性、混凝土的抗壓和耐腐蝕性。

PCCP是長距離、高工壓、高覆土、大口徑輸水管道工程的首選管材，廣泛應(yīng)用于長距離引水和供水工程、工業(yè)供水工程、各種市政壓力排污主管道和倒虹吸管等工程[2]。國外典型工程應(yīng)用：利比亞大人工河鋪設(shè)了約四千公里的PCCP管道，由于高腐蝕性的環(huán)境造成了一些管道爆裂，F(xiàn)reyssinet公司利用體外預(yù)應(yīng)力法對關(guān)鍵管道進行了修復(fù)作業(yè)[3]。

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP），由于設(shè)計、制造、安裝缺陷或是運行不恰當(dāng)，或是受惡劣環(huán)境的影響，會出現(xiàn)砂漿保護層分層甚至脫落、混凝土管芯出現(xiàn)環(huán)向或者縱向裂縫、預(yù)應(yīng)力鋼絲銹蝕或者斷裂、薄鋼筒銹蝕等問題。為使PCCP斷絲管恢復(fù)至原有承載力，消除安全隱患，國內(nèi)外學(xué)者對PCCP補強加固方法進行了研究。目前常用的方法主要有換管法、內(nèi)部加固法（頸縮鋼筒內(nèi)襯、鋼管內(nèi)襯、內(nèi)貼碳纖維）和外部加固法（加強鋼帶補強法、體外預(yù)應(yīng)力法）等[4-6]。

本文是采用外部加固法中的施加體外預(yù)應(yīng)力的方法對PCCP斷絲管（見圖1）進行加固。通過施加體外預(yù)應(yīng)力來主動補償由PCCP鋼絲斷裂而導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失，從而使管體恢復(fù)至原有承載力，同時PCCP斷絲管加固施工過程中無需排空管道，可以帶壓修復(fù)，對于無法停止供水的管道尤為適用。

圖1 南水北調(diào)工程開挖段PCCP管損傷圖

2 本方案施加體外預(yù)應(yīng)力加固方法

常規(guī)的施加體外預(yù)應(yīng)力法，就是將預(yù)應(yīng)力鋼絞線按一定的間距螺旋纏繞于在PCCP斷絲管外表面，通過張拉和錨固鋼絞線，對PCCP斷絲管體施加預(yù)應(yīng)力，使斷絲管體恢復(fù)至原有承載能力；鋼絞線的布設(shè)完之后，需在外側(cè)噴射水泥砂漿保護層進行保護，再按步驟回填。此技術(shù)難以修復(fù)爆管的管道，只能修復(fù)結(jié)構(gòu)完整的管道。同時，施加體外預(yù)應(yīng)力法也面臨著基坑大開挖的問題，由于預(yù)應(yīng)力鋼絞線需要穿過管體的底部，所以穿預(yù)應(yīng)力鋼絞線之前必須需要掏空管底土體，同時提前做好支護和保護措施。

根據(jù)上面內(nèi)容，原有的施加體外預(yù)應(yīng)力加固方法需要整段開挖，工程量大。但本方案可以在PCCP斷絲管局部開挖工況下，安全且高效地進行預(yù)應(yīng)力管道外加固施工作業(yè)。

加固機理：在PCCP斷絲節(jié)段位置，先將錨臺結(jié)構(gòu)用粘鋼膠安裝在斷絲管節(jié)段上，然后用我司研發(fā)的專用PCCP環(huán)管鉆機在基坑半開挖情況下鉆出用于預(yù)應(yīng)力鋼絞線穿束的孔道，接著將一定間距的雙圈預(yù)應(yīng)力鋼絞線穿過孔道纏繞在管體外表面，用專用張拉機具對雙圈預(yù)應(yīng)力鋼絞線兩端同步對稱張拉，鋼絞線拉力分布穩(wěn)定后切除多余工作長度，用專用防腐及封裝材料進行封錨處理，重復(fù)以上步驟完成整根PCCP斷絲管的外加固施工。

圖2 PCCP斷絲管體外預(yù)應(yīng)力加固三維模型

2.1 預(yù)應(yīng)力鋼絞線的伸長量計算

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）[7]與《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》[8]教材中均有提到預(yù)應(yīng)力損失計算相關(guān)的內(nèi)容。見《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》教材第三章中預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失內(nèi)容，有：

預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失值：

于是，從張拉端到計算截面預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)加力的下降值為

式中：N0—張拉端的預(yù)加力；

σcon—預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉控制應(yīng)力；

μ—預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)孔道壁之間的摩擦系數(shù)；

θ—從張拉端至計算截面各曲線段孔道彎曲角之和（rad）；

k—孔道偏差摩擦影響系數(shù)（1/m）；

X—從張拉端至計算截面的孔道長度（m），可近似取該孔道在構(gòu)件軸上的投影長度。

PCCP管預(yù)應(yīng)力加固時，取PCCP管直徑4.8m，張拉力N0為200kN；鋼絞線采用直徑15.2的無粘結(jié)鋼絞線，其彈性模量為196GPa，其公稱截面積為140mm2；鋼絞線與PE管之間的摩擦系數(shù)取0.12。同時，計算模型將圓形孔道分成60份，每份是6度。于是，這樣可以得到預(yù)應(yīng)力鋼絞線伸長量值，見表1。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線伸長量 表1

從表1可以看出，假設(shè)采用單圈的預(yù)應(yīng)力鋼絞線對PCCP斷絲管進行加固，初始端拉力值為200kN，末尾端的拉力值則為89.485kN，預(yù)應(yīng)力損失了一半，由此可見單圈鋼絞線單端張拉時，預(yù)應(yīng)力的損失量很大，管周預(yù)應(yīng)力的分布也是不均勻的。因此，經(jīng)過以上數(shù)據(jù)分析，決定采用雙圈預(yù)應(yīng)力體系兩端同步張拉的操作工法對PCCP斷絲管進行體外預(yù)應(yīng)力加固施工。

2.2 鋼絞線環(huán)錨用錨臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用三維有限元分析軟件，建立由六面體單元組成的錨臺空間結(jié)構(gòu)模型。錨臺結(jié)構(gòu)采用Solid186單元[9]，彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，質(zhì)量密度為7850kg/m3。錨臺的有限元模型，見圖3。將計算的每根鋼絞線的力值，施加在對應(yīng)的錨具作用面位置，同時在模型底面施加豎向支撐。

圖3 錨臺結(jié)構(gòu)有限元模型

有限元分析結(jié)果：如圖4所示，錨臺的最大Von-Mises應(yīng)力位于單孔錨對應(yīng)力穿鋼絞線的孔洞與馬蹄孔之間的位置，原因：一是此位置正好在邊界條件施加處，存在一定范圍的應(yīng)力集中；二是這個位置本身比較薄弱。大應(yīng)力的單元數(shù)目很少，模型總單元數(shù)為193895（由于模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、孔洞較多，且角度傾斜，給網(wǎng)格劃分造成極大困難），大應(yīng)力的單元占比例極小。錨臺模型的單元應(yīng)力結(jié)果大部分均在350MPa以內(nèi)，滿足此結(jié)構(gòu)在實際PCCP斷絲管加固工程中的使用需求。

圖4 錨臺結(jié)構(gòu)Von-Mises應(yīng)力圖（Pa）

2.3 專用張拉裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

張拉裝置的主要結(jié)構(gòu)采用ANSYS有限元軟件進行數(shù)值模擬，各桿件均采用實體20node186單元[9]進行建模。荷載的組合形式：①恒載，張拉裝置的自重；②活載，面荷載66.67MPa（作用面的面積6000mm2，張拉力為40tonf），具體如圖5所示。

圖5 專用張拉裝置計算模型

有限元分析結(jié)果：見圖6，張拉裝置最大Von-Misesstress應(yīng)力為267.385MPa，按照安全系數(shù)n=1.25，應(yīng)力超過235/1.25=188MPa的比例非常小，且位于千斤頂內(nèi)外缸之間和千斤頂與擋板之間。說明原設(shè)計結(jié)構(gòu)符合實際加固工程需求。

圖6 專用張拉裝置Von-Mises應(yīng)力圖（MPa）

2.4 PCCP斷絲管加固試驗效果

應(yīng)北京水務(wù)局下轄中線進京管道的維護需要，我司于2017年配合北京水利規(guī)劃設(shè)計院，在北京韓建河山管廠內(nèi)，對兩段PCCP試驗管道進行了管外預(yù)應(yīng)力加固試驗，試驗結(jié)果良好。參照合作單位發(fā)表的文獻《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管體外預(yù)應(yīng)力加固試驗研究》可知試驗結(jié)果[10]。

試驗中：預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PC?CPE），內(nèi)徑為2m，管長為5m，內(nèi)水壓的工作壓力為0.6MPa；鋼絞線采用直徑15.2mm，公稱抗拉強度為1860MPa的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

試驗結(jié)果表明：PCCP斷絲管在通過施加體外預(yù)應(yīng)力加固后，能夠主動補償由PCCP管鋼絲斷裂而造成的預(yù)應(yīng)力損失，也能夠使混凝土管體裂縫閉合并限制裂縫的擴展，仍可以承受原設(shè)計水壓，滿足了PCCP管的使用要求，加固效果明顯。

圖7 本方案施加體外預(yù)應(yīng)力加固試驗圖

3 結(jié)論

本方案中的施加體外預(yù)應(yīng)力體系加固方法，針對預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PC?CP）有良好的加固效果，在原有的不需要停水及排空管道、可帶壓修復(fù)的優(yōu)勢基礎(chǔ)上，對比普通的體外預(yù)應(yīng)力加固法有：

①在對PCCP斷絲管進行體外預(yù)應(yīng)力加固施工中，單圈鋼絞線單端張拉時，預(yù)應(yīng)力的損失量很大，管周預(yù)應(yīng)力的分布也不均勻，于是決定采用雙圈預(yù)應(yīng)力體系兩端同步張拉的操作工法；

②利用雙圈預(yù)應(yīng)力鋼絞線對PCCP斷絲管加固而開發(fā)的專用鋼絞線環(huán)錨用錨臺結(jié)構(gòu)和鋼絞線環(huán)錨用錨臺結(jié)構(gòu)，通過ANSYS有限元分析，此兩種結(jié)構(gòu)的Von-Mises應(yīng)力均在各自的材料強度容許范圍內(nèi)，有一定的安全系數(shù)，滿足在實際PCCP斷絲管加固工程中的使用需求；

③本方案采用利用半管淺開挖工況進行PCCP管道的預(yù)應(yīng)力外加固施工，不需要進行基槽大開挖，避免了深基坑開挖的高施工風(fēng)險，有效降低施工對環(huán)境的破壞；

④本方案專業(yè)的施工設(shè)備提高了預(yù)應(yīng)力外加固作業(yè)的裝備化程度，同時可有效降低施工費用，提高施工效能，更好地保證加固效果。

綜上所述，此施加體外預(yù)應(yīng)力對PCCP斷絲管的加固方案，加固效果良好，拓寬了PCCP管道外加固的技術(shù)領(lǐng)域，有很高的市場推廣價值。