竇鐵生，程冰清，胡 赫，夏世法，趙麗君

（中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038）

1 研究背景

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP）主要是依靠纏繞在管芯混凝土外側(cè)的預(yù)應(yīng)力鋼絲承擔內(nèi)水壓力，預(yù)應(yīng)力鋼絲由于腐蝕環(huán)境、氫脆性或者內(nèi)水壓力的劇烈變化等因素發(fā)生斷裂，導致PCCP斷絲區(qū)預(yù)應(yīng)力損失和承載能力下降，甚至會造成嚴重事故。

PCCP斷絲管的修復(fù)方法取決于現(xiàn)場情況、材料、荷載以及管體接近破壞的程度，補強加固措施包括換管法、后張法、在管芯內(nèi)壁粘貼碳纖維增強復(fù)合材料CFRP（Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）里襯和安裝鋼襯等方法。鋼襯更適用于長且連續(xù)性的修復(fù)，鋼襯會減小管道的過水斷面，且鋼襯的腐蝕問題也需要特別注意。由于CFRP抗拉強度較高、耐腐蝕、質(zhì)量輕、且施工方便，CFRP里襯能顯著地提高PCCP斷絲管的承載能力，并且可以在不開挖的條件下，從管道內(nèi)部對PCCP斷絲管進行修復(fù)，國外已有成功案例，如普羅維登斯供水系統(tǒng)的CFRP加固項目，Zarghamee、Lee、Engindeniz等［1-3］學者曾針對CFRP補強加固PCCP斷絲管進行過試驗研究。國內(nèi)竇鐵生等［4-5］學者對PCCP管破壞模式及原因、斷絲數(shù)量對內(nèi)壓承載力的影響等方面做了研究，但針對PCCP斷絲管修復(fù)的研究還處于空白，為了驗證CFRP的修復(fù)效果，采用2根內(nèi)徑2.6m的PCCP進行了原型試驗，也是國內(nèi)首次開展該領(lǐng)域的研究工作。

2 試驗方案

圖1 試驗管管壁截面示意圖

圖2 監(jiān)測剖面布置(單位：mm)

兩根試驗管編號為A、B，管A和管B由C55混凝土澆筑而成，管芯混凝土厚度為220mm，砂漿厚度為25mm，鋼絲直徑為6mm，工作壓力為0.6MPa，管壁截面如圖1所示。對兩管混凝土管芯內(nèi)壁進行打磨清洗，沿管軸向共布設(shè)四個監(jiān)測縱剖面，各縱斷面間隔90°分布；沿垂直于管軸向布置橫剖面，管A布置6個橫剖面，管B布置7個橫剖面（管B在斷絲區(qū)加剖面7，距承口2600mm），剖面位置如圖2所示，在測點位置切割20 cm×20 cm的“窗口”，露出預(yù)應(yīng)力鋼絲和管芯混凝土，以便布置應(yīng)變計。管A不做修復(fù)處理，管B采用分部位粘貼CFRP里襯的形式進行加固，先在全管內(nèi)壁粘貼1層環(huán)向CFRP，然后再距插口1880 mm至承口布設(shè)第2層環(huán)向CFRP，最后在距插口3430 mm至距承口600 mm處布設(shè)第3層環(huán)向CFRP，以獲得不同CFRP層數(shù)加固管體變形數(shù)據(jù)。兩試驗管在試驗前需浸泡24 h，使管芯混凝土充分吸水。

管A每級加壓0.1 MPa，穩(wěn)壓5 min，加壓至工作壓力0.6 MPa后，開始割斷預(yù)應(yīng)力鋼絲，每次割斷5根，直至斷絲區(qū)砂漿保護層局部脫落，暫停斷絲。將壓力逐級升至設(shè)計壓力0.9 MPa，繼續(xù)斷絲，每次5根至管芯混凝土開裂為止，記錄此時的斷絲數(shù)目m。持續(xù)升壓至管體破壞，記錄破壞壓力。

管B（分部位粘貼CFRP加固管）分級加壓至工作壓力0.6 MPa，開始斷絲，斷絲至m后，將壓力逐級升至設(shè)計壓力0.9 MPa，繼續(xù)斷絲，直至管芯混凝土開裂為止，記錄斷絲數(shù)目n。持續(xù)升壓至管體破壞，記錄破壞壓力。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗現(xiàn)象管A試驗壓力0.6MPa，總斷絲30根（位置距承口1680mm～1736mm），斷絲區(qū)左側(cè)砂漿開裂脫落。升壓至0.9MPa，砂漿裂縫擴展，管芯混凝土無變化。試驗壓力0.9MPa，總斷絲50根（位置距承口1820mm～1876mm），管芯混凝土距承口約1600 mm出現(xiàn)1條環(huán)向裂縫，縫寬1mm。停止斷絲，持續(xù)加壓至1.2MPa，管芯混凝土出現(xiàn)多條環(huán)向和縱向裂縫，隨著裂縫的增多，水泵持續(xù)加壓已不能使壓力升高，維持此壓力3 h，管A管芯混凝土內(nèi)壁原0.5mm寬的環(huán)向裂縫擴展至2.5 mm寬，水從裂縫處滲入鋼筒與管芯混凝土之間縫隙。

管B試驗壓力0.6MPa，總斷絲50根（位置距承口1820mm～1876mm），斷絲區(qū)砂漿出現(xiàn)環(huán)向裂縫。升壓至0.9MPa，砂漿裂縫擴展，出現(xiàn)新的裂縫，管芯混凝土無變化。斷絲70根（位置距承口1960mm～2016mm）后，壓力表顯示管內(nèi)壓力降至0.6MPa，水泵持續(xù)加壓，壓力回升至0.9MPa時，斷絲區(qū)部分砂漿脫落，管芯混凝土距承口1550mm處出現(xiàn)1條環(huán)向裂縫。停止斷絲，持續(xù)加壓至0.95 MPa，無法繼續(xù)升壓，維持此壓力3h，管芯混凝土出現(xiàn)多條環(huán)向裂縫，裂縫平均間距減小，分布較為均勻。管芯混凝土內(nèi)壁原1mm環(huán)向裂縫擴展至7mm，最終此處CFRP撕裂，其余位置CFRP與管芯混凝土內(nèi)壁粘貼緊密。

3.2 應(yīng)變判別標準按照AWWA C304［6］，管芯混凝土和保護層砂漿應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系在彈性階段呈線性關(guān)系，隨著拉應(yīng)變的增大，將出現(xiàn)非線性特征，彈性與塑性階段之間的臨界點對應(yīng)的就是極限應(yīng)變ε′t。管芯混凝土控制極限應(yīng)變?nèi)绫?，保護層砂漿控制極限應(yīng)變?nèi)绫?。試驗數(shù)據(jù)只代表測點位置的應(yīng)變，不代表整個管體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變。

預(yù)應(yīng)力鋼絲應(yīng)是符合規(guī)范要求的冷拔鋼絲，彈性模量Es為193 550MPa，纏絲應(yīng)力fsg為1099 MPa，

表1 AWWA C304規(guī)定管芯混凝土控制極限應(yīng)變

表2 AWWA C304規(guī)定保護層砂漿控制極限應(yīng)變

預(yù)應(yīng)力鋼絲的初始應(yīng)變εsg：

鋼絲屈服強度fsy為1177.5MPa，假設(shè)鋼絲在達到屈服強度前應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系，屈服應(yīng)變εsy為：

由于試驗前預(yù)應(yīng)力鋼絲已產(chǎn)生初始應(yīng)變，故試驗測試中屈服的判斷值ε′y為：

3.3 試驗結(jié)果分析（1）剖面6測試結(jié)果分析（管A不做修復(fù)，管B粘貼一層CFRP）。圖3、4、5分別是斷絲過程中管A與管B的管芯混凝土、鋼絲、砂漿剖面6處的應(yīng)變變化，管B在該剖面處粘貼一層CFRP進行補強加固。該剖面距承口4800mm，離斷絲區(qū)較遠，隨著斷絲數(shù)的增加，應(yīng)變響應(yīng)較小，而對升壓響應(yīng)較為明顯。

圖3 斷絲過程中剖面6管芯混凝土應(yīng)變變化

圖4 斷絲過程中剖面6鋼絲應(yīng)變變化

圖5 斷絲過程中剖面6砂漿應(yīng)變變化

如圖3所示，管A試驗壓力0.9MPa，斷絲35根后管芯混凝土剖面6-1應(yīng)變計失效。試驗壓力0.9MPa，斷絲累計50根時，管芯混凝土應(yīng)變值為2624.28με，大于11ε′tm（1524.6με），出現(xiàn)宏觀裂縫；管B在相同試驗壓力0.9 MPa，斷絲70根，應(yīng)變值為285.7με，大于1.5ε′tm（207.8με），出現(xiàn)微裂縫，之后加壓至0.95 MPa，管芯混凝土開裂，CFRP延緩了斷絲管管芯混凝土的裂縫擴展。

如圖4所示，管A試驗壓力0.9 MPa，累計斷絲35根后鋼絲6-1S測點應(yīng)變計失效，試驗壓力0.9 MPa，斷絲50根時，鋼絲6-2S測點應(yīng)變值為2623.2με，大于405.6με，鋼絲屈服；管B試驗壓力0.9MPa，斷絲60根，應(yīng)變值為297.4με，該處鋼絲仍處于彈性階段，累計斷絲65根開始，由于斷絲區(qū)擴展，周圍砂漿開裂剝落，鋼絲失去砂漿握裹力，開始出現(xiàn)“卸力”現(xiàn)象，同時這也體現(xiàn)砂漿不但具有保護鋼絲不被腐蝕，還具有在存在斷絲情況下維持剩余鋼絲預(yù)應(yīng)力的作用。

因為此試驗是破壞性試驗，試驗前已在斷絲區(qū)砂漿上切割15cm寬的條帶，露出預(yù)應(yīng)力鋼絲以便斷絲，因此斷絲區(qū)砂漿在試驗開始前已局部切割破壞，其他部位保護層砂漿不受影響。如圖5所示，管A試驗壓力0.9MPa，斷絲50根時，砂漿應(yīng)變值為2621.6με，大于8ε′tm（1122.4με），微裂縫擴展為宏觀裂縫；管B測點位置砂漿在斷絲過程中處于彈性階段，累計斷絲70根之后加壓至0.95 MPa，砂漿應(yīng)變值升至2638.461με，砂漿開裂。

（2）剖面5和剖面7測試結(jié)果分析（管A不做修復(fù)，管B粘貼兩層CFRP）。圖6、7、8分別是斷絲過程中管A與管B的管芯混凝土、鋼絲、砂漿剖面5、7處的應(yīng)變變化，管B在這兩個剖面處粘貼兩層CFRP進行補強加固。剖面5、7分別距承口3180mm、2600mm，剖面5靠近斷絲區(qū)，隨著斷絲數(shù)的增加，斷絲區(qū)擴展至7剖面。

圖6 斷絲過程中剖面5、7管芯混凝土應(yīng)變變化

圖7 斷絲過程中剖面5、7鋼絲應(yīng)變變化

圖8 斷絲過程中剖面5、7砂漿應(yīng)變變化

如圖6所示，管A在試驗壓力0.9MPa，斷絲30根時，剖面5管芯混凝土應(yīng)變達到274.4με，大于1.5ε′tm（207.8με），出現(xiàn)微裂縫，累計斷絲40根時，5-1S鋼絲屈服，對應(yīng)測點5-1C位置管芯混凝土應(yīng)變突增至2625.2με，微裂縫擴展為宏觀裂縫。管B在試驗壓力0.9MPa，斷絲70根，剖面5管芯混凝土應(yīng)變?yōu)?22.5με，處于彈性階段，水泵持續(xù)，加壓至0.95MPa，應(yīng)變達到2628.3με，出現(xiàn)宏觀裂縫。管B在試驗壓力0.9MPa，斷絲70根，剖面7（斷絲區(qū)）管芯混凝土應(yīng)變?yōu)?93.5με，出現(xiàn)微裂縫，水泵持續(xù)加壓，斷絲區(qū)管芯混凝土應(yīng)變在486.7με～761.2με之間變化，加壓至0.95 MPa，應(yīng)變達到2634.8με，擴展為宏觀裂縫。越靠近斷絲位置，CFRP的作用越明顯。隨著斷絲區(qū)微裂縫的集中出現(xiàn)，應(yīng)力發(fā)生重分布，該位置應(yīng)變計的數(shù)值大小不斷調(diào)整，碳纖維在斷絲管預(yù)應(yīng)力損失區(qū)充分發(fā)揮了作用。

如圖7所示，鋼絲為預(yù)應(yīng)力鋼絲，有初始應(yīng)變，剖面5靠近斷絲區(qū)，累計斷絲達到一定數(shù)量，斷絲區(qū)管體迅速膨脹，影響斷絲區(qū)周圍鋼絲的受力。管A試驗壓力0.9 MPa，斷絲40根時，測點5-1S處鋼絲屈服，該點也對應(yīng)圖7中管芯混凝土的開裂。管B剖面5鋼絲隨著斷絲數(shù)的增加，應(yīng)變穩(wěn)步增加，斷絲過程中該剖面鋼絲處于彈性階段，最后加壓至0.95 MPa，鋼絲應(yīng)變突增至2628.3με，剖面5鋼絲屈服。管B剖面7鋼絲正好處于斷絲區(qū)，隨著斷絲數(shù)的增加，斷絲區(qū)擴展，陸續(xù)有應(yīng)變曲線突降，鋼絲出現(xiàn)“卸載”的現(xiàn)象。由于未貼CFRP之前，管B在斷絲區(qū)存在環(huán)向裂縫，斷絲過程中該裂縫沿縱向張開，直至斷絲70根后該處CFRP撕裂，內(nèi)水通過該裂縫直接作用在鋼筒上，影響了CFRP更加持久的發(fā)揮抵御內(nèi)壓的作用。

管A試驗壓力0.9MPa，斷絲50根時，剖面5砂漿應(yīng)變?yōu)?397.9με，斷絲區(qū)擴展，砂漿開裂。管B試驗壓力0.9MPa，斷絲70根，剖面5砂漿應(yīng)變?yōu)?13.3με，大于0.8ε′tm（112.2με），出現(xiàn)微裂縫，最后加壓至0.95MPa，砂漿開裂；而管B剖面7（斷絲區(qū)）測點位置砂漿在斷絲30根后受斷絲影響提前開裂，如圖8所示。

（3）剖面3測試結(jié)果分析（管A不做修復(fù)，管B粘貼三層CFRP）。圖9、10、11分別是斷絲過程中管A與管B的管芯混凝土、鋼絲、砂漿剖面3處的應(yīng)變變化，管B在該剖面處粘貼三層CFRP進行補強加固。該剖面距承口1500mm，靠近斷絲區(qū)。

如圖9所示，管A在試驗壓力0.9MPa，斷絲30根時，管芯混凝土最大應(yīng)變出現(xiàn)在3-1C剖面處，大小為234.4με，該處管芯混凝土出現(xiàn)微裂縫。在試驗壓力0.9MPa，斷絲50根時，管芯混凝土同樣位置應(yīng)變?yōu)?625.1με，微裂縫擴展為宏觀裂縫。管B在試驗壓力0.9MPa，斷絲70根，管芯混凝土最大應(yīng)變?yōu)?32.1με，管芯混凝土處于彈性狀態(tài)。 隨著斷絲區(qū)的擴展，CFRP的作用愈加明顯。

圖9 斷絲過程中剖面3管芯混凝土應(yīng)變變化

圖10 斷絲過程中剖面3鋼絲應(yīng)變變化

圖11 斷絲過程中剖面3砂漿應(yīng)變變化

如圖10所示，管A試驗壓力0.9MPa，斷絲50根時，鋼絲最大應(yīng)變值為2625.16με，鋼絲屈服。管B試驗壓力0.9MPa，斷絲70根，最大應(yīng)變值為124.7με，鋼絲仍處于彈性階段。管B在該剖面貼了三層CFRP，補強加固效果明顯。

如圖11所示，砂漿布置測點較少，管A試驗壓力0.9MPa，斷絲50根時，砂漿最大應(yīng)變值為255με，出現(xiàn)微裂縫。管B試驗壓力0.9MPa，斷絲70根，最大應(yīng)變值為102με，小于ε′tm（140.3με），砂漿未開裂。管B加固效果較好，明顯延緩砂漿的破壞。

4 結(jié)論

本文試驗采用的是人工集中斷絲的方法，考慮管斷絲破壞最不利的情況。

（1）因為預(yù)應(yīng)力鋼絲為管芯混凝土提供預(yù)壓應(yīng)力，一旦斷絲累計至一定數(shù)量，管A斷絲區(qū)管芯混凝土出現(xiàn)脆性破壞；在試驗壓力0.9 MPa，斷絲40根時，管A管芯混凝土應(yīng)變突增，達到2625.16 με，出現(xiàn)宏觀裂縫。管B進行了碳纖維修復(fù)加固后，不但延緩了這種破壞，增加了管體發(fā)生破壞對應(yīng)的累計斷絲數(shù)，還通過調(diào)整應(yīng)力重分布有效控制了脆性破壞程度，減少了加載過程中原始裂紋尖端的應(yīng)力集中，出現(xiàn)密而均勻的微裂縫直至管體破壞。離斷絲區(qū)較遠的非斷絲區(qū)管芯混凝土受斷絲影響較小，砂漿握裹力發(fā)揮作用。

（2）鋼絲為預(yù)應(yīng)力鋼絲，有初始應(yīng)變，當鋼絲失去預(yù)拉應(yīng)力，鋼絲應(yīng)變曲線會出現(xiàn)突降，表現(xiàn)出“卸載”的現(xiàn)象。管A試驗壓力0.9 MPa，斷絲40根時，斷絲區(qū)管芯混凝土開裂，該處管體迅速膨脹，附近鋼絲迅速進入屈服階段。在相同試驗壓力條件下，斷絲70根之前管B剩余預(yù)應(yīng)力鋼絲都沒有屈服，因為CFRP與管體其他結(jié)構(gòu)共同承載，減緩了管體在斷絲區(qū)的膨脹速度，保護了管芯混凝土，分別延緩和減少了破壞發(fā)生的速度和程度，管體斷絲區(qū)未出現(xiàn)迅速膨脹，同時鋼絲也受到了“保護”。

（3）砂漿沒有預(yù)壓應(yīng)力，斷絲并不會降低其承載力，但由于斷絲和內(nèi)水壓力的聯(lián)合作用，管體變形過大，砂漿保護層一般會最先開裂，管B通過CFRP的修復(fù)和加固后在一定程度上控制了斷絲過程中管體變形的速度和程度，由于CFRP前期的共同承載和管芯混凝土開裂后起到的應(yīng)力重分配作用都延緩了其破壞速度，同時延緩了砂漿的開裂，因此，PCCP管芯混凝土內(nèi)側(cè)粘貼CFRP對斷絲管，補強加固效果明顯。