趙麗君，竇鐵生，程冰清，夏世法，張 弢，畢 然

（1.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100048）

1 研究背景

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP）是由混凝土管芯、鋼筒、預(yù)應(yīng)力鋼絲及砂漿保護(hù)層構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)度高、抗?jié)B性強(qiáng)、耐久性好和維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)［1］。自1942年內(nèi)襯式PCCP 首次在美國投入使用［2］以來，廣泛應(yīng)用于美國、墨西哥、加拿大等國家的長距離有壓輸水和市政排水等基礎(chǔ)工程中。PCCP 也是我國近20年來在引水、調(diào)水以及市政工程中廣泛采用的管型，安裝長度累計(jì)達(dá)18 000 km（截至2015年）。PCCP 受外界腐蝕環(huán)境、氫脆、水壓波動(dòng)以及超載等多種因素影響，管體會(huì)出現(xiàn)砂漿保護(hù)層的開裂和分層、預(yù)應(yīng)力鋼絲的腐蝕和斷裂、混凝土管芯的縱向裂縫及鋼筒的腐蝕泄漏等問題。由于PCCP 管徑大、內(nèi)壓高且事故發(fā)生前無征兆，PCCP事故很可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果［3］。

近年來，學(xué)者對(duì)PCCP 斷絲管的加固方法開展了多方面的研究，主要包括換管法、內(nèi)部加固法（如頸縮鋼筒內(nèi)襯、鋼管內(nèi)襯、內(nèi)貼碳纖維）和外部加固法（如施加體外預(yù)應(yīng)力）等。Ball 等［4］就大管徑PCCP 工程中斷絲管道的更換及補(bǔ)強(qiáng)加固案例進(jìn)行了研究。Rahman 等［5］對(duì)比分析了換管、頸縮鋼筒內(nèi)襯、鋼管內(nèi)襯、利用鋼絞線施加體外預(yù)應(yīng)力以及內(nèi)貼碳纖維等各加固方法的優(yōu)缺點(diǎn)。Kenny 等［6］結(jié)合圣地亞哥輸水系統(tǒng)的實(shí)際案例，詳細(xì)介紹了頸縮鋼筒內(nèi)襯的施工過程。Zarghamee 等［7-8］對(duì)碳纖維（CFRP）在PCCP 斷絲管加固中的應(yīng)用開展研究。竇鐵生等［9-11］針對(duì)PCCP 結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及不同內(nèi)水壓條件下的內(nèi)貼CFRP 加固PCCP 效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究。對(duì)PCCP 斷絲管施加體外預(yù)應(yīng)力能夠主動(dòng)地補(bǔ)償由于預(yù)應(yīng)力鋼絲斷裂而導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失［5］，使管體恢復(fù)至原承載能力，且施工過程不需要排空管道，對(duì)于無法停止供水的管道尤為適用。Elnakhat［12］和Freyssinet 公司在非洲利比亞大人工河工程中曾采用鋼絞線加固PCCP，但文獻(xiàn)［12］中未對(duì)張拉和錨固端的結(jié)構(gòu)型式、鋼絞線的布設(shè)型式、張拉程序以及加固效果進(jìn)行分析。本文針對(duì)PCCP 施加預(yù)應(yīng)力時(shí)管體受力狀態(tài)復(fù)雜的特點(diǎn)，通過原型試驗(yàn)，模擬PCCP 加載、斷絲、管芯混凝土開裂、減壓、施加體外預(yù)應(yīng)力、加載到設(shè)計(jì)荷載的全過程，分析PCCP 從破壞到實(shí)施加固各階段PCCP 力學(xué)特征。

原型試驗(yàn)采用內(nèi)徑2000 mm 的PCCP，試驗(yàn)過程中，采用集中斷絲的方式模擬管體最不利的受力狀況，對(duì)加固前后混凝土管芯、預(yù)應(yīng)力鋼絲及鋼絞線的應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和對(duì)比，最終對(duì)加固后PCCP 斷絲管的結(jié)構(gòu)特性、加固效果以及加固機(jī)理進(jìn)行分析和討論。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

2.1.1 PCCP 試驗(yàn)管是按照《Standard for Design of Prestressed Concrete Cylinder Pipe》（ANSI/AWWA C304-2014）［13］和《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》（GB/T 19685-2017）［14］設(shè)計(jì)并制造的埋置式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCPE），內(nèi)徑2000 mm，管長5000 mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要參數(shù)見表1。內(nèi)水壓的工作壓力為0.6 MPa，設(shè)計(jì)壓力［14］為0.6 MPa +0.276 MPa =0.876 MPa ≈0.9 MPa。

圖1 PCCPE 結(jié)構(gòu)（單位：mm）

表1 PCCP 試驗(yàn)管主要參數(shù)

2.1.2 鋼絞線 試驗(yàn)選用無黏結(jié)1×7-15.20-1860 型鋼絞線［15］，采用內(nèi)部環(huán)氧噴涂鋼絞線+外部雙層聚乙烯（PE）護(hù)套的結(jié)構(gòu)形式，鋼絞線的主要參數(shù)見表2。鋼絞線表層噴涂一層致密的環(huán)氧涂層，對(duì)鋼絞線母材進(jìn)行防腐保護(hù)；鋼絞線外部包裹雙層聚乙烯護(hù)套以確保鋼絞線的耐腐蝕性。PE 與鋼絞線間填充有防腐油脂，雙層PE 護(hù)套間填充有≥50 g/m 防腐潤滑脂，可實(shí)現(xiàn)兩層PE 套間的自由滑動(dòng)。

試驗(yàn)提出一種PCCP 體外預(yù)應(yīng)力加固系統(tǒng)中鋼絞線專用的新型錨固體系，主要由鋼絞線、張拉錨固單元和錨固端表面防腐封閉單元組成。每個(gè)錨固體系可以固定2 根鋼絞線，且每根鋼絞線繞管體纏繞2 圈，即每個(gè)錨固體系可固定4 圈鋼絞線。錨固間距根據(jù)管內(nèi)水壓（工作壓力為0.6 MPa）確定［12，16］，試驗(yàn)中鋼絞線以62 mm 的中心距螺旋、均勻纏繞于管體外側(cè)?？紤]到邊界效應(yīng)，試驗(yàn)中將鋼絞線的加固區(qū)域延伸至整個(gè)管體。

表2 試驗(yàn)所用鋼絞線的主要參數(shù)

圖2 試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)裝置試驗(yàn)采用如圖2所示的組合裝置，該裝置主要由2 根DN2000PCCP 標(biāo)準(zhǔn)管、承插式鋼結(jié)構(gòu)盲板及鋼制配件組成。為保證裝置兩端的密閉性，插口與盲板之間需安裝橡膠墊圈。試驗(yàn)開始前，對(duì)裝置各組件及整體進(jìn)行水密性檢查。

PCCP 體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固法屬于后張法，加固后管體的抗拉極限和抗壓極限均需滿足要求。鋼絞線的張拉應(yīng)力控制系數(shù)為0.63［17-18］，即：張拉應(yīng)力的目標(biāo)值應(yīng)為1171.8 MPa。考慮到夾片回縮以及鋼絞線的應(yīng)力松弛，試驗(yàn)中對(duì)鋼絞線進(jìn)行了超張拉。張拉步驟分為6 級(jí)：預(yù)緊力20%； 一級(jí)張拉25%；二級(jí)張拉50%；三級(jí)張拉75%；四級(jí)張拉100%；超張拉115%。張拉過程采用分級(jí)、分區(qū)張拉，利用千斤頂及油泵，沿管道軸線以兩側(cè)對(duì)稱的方式（Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ）同時(shí)進(jìn)行張拉，張拉步序見圖3。

2.3 試驗(yàn)步驟整個(gè)試驗(yàn)分為5 個(gè)階段：（1）初次分級(jí)加壓至工作壓力（0～0.6 MPa）；（2）斷絲至宏觀裂縫擴(kuò)展（恒定內(nèi)水壓0.6 MPa）；（3）逐級(jí)降壓至自流壓力（0.6～0.2 MPa）；（4）鋼絞線安裝及張拉（恒定內(nèi)水壓0.2 MPa）；（5）再次分級(jí)加壓至設(shè)計(jì)壓力（0.2～0.6～0.9 MPa）。內(nèi)水壓由壓力泵提供，進(jìn)水口處安裝有壓力傳感器以實(shí)時(shí)記錄內(nèi)部水壓力的變化。試驗(yàn)過程中時(shí)刻記錄砂漿與外側(cè)混凝土管芯的裂縫變化情況，如裂縫位置、裂縫長度及寬度等。由于張拉過程持續(xù)時(shí)間較長，試驗(yàn)結(jié)果僅選取其中3 個(gè)代表性節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行繪圖。

試驗(yàn)步驟共分為24 步，如表3所示。試驗(yàn)過程如下：（1）確保試驗(yàn)裝置提前充水24 h。（2）試驗(yàn)裝置逐級(jí)加壓至工作壓力0.6 MPa，每一級(jí)增加0.1 MPa，穩(wěn)壓5 min。（3）達(dá)到工作壓力0.6 MPa 后，穩(wěn)壓5 min后開始斷絲，每次斷絲3根并穩(wěn)壓5min，斷絲過程中及時(shí)補(bǔ)壓，保持內(nèi)水壓力穩(wěn)定在0.6 MPa。（4）當(dāng)試驗(yàn)管管體（砂漿保護(hù)層或混凝土管芯）宏觀裂縫擴(kuò)展時(shí)，停止斷絲。（5）減壓至0.2 MPa，安裝預(yù)應(yīng)力錨固體系，進(jìn)行張拉操作。（6）張拉操作完成后，再次逐級(jí)加壓，每一級(jí)增加0.1 MPa，穩(wěn)壓5 min，直至達(dá)到設(shè)計(jì)壓力0.9 MPa。整個(gè)試驗(yàn)過程中時(shí)刻記錄砂漿和混凝土管芯裂縫變化及對(duì)應(yīng)的內(nèi)水壓力。

表3 試驗(yàn)管加載步驟

2.4 監(jiān)測(cè)內(nèi)容試驗(yàn)采用抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高的電阻應(yīng)變片對(duì)內(nèi)側(cè)混凝土管芯、外側(cè)混凝土管芯、預(yù)應(yīng)力鋼絲和預(yù)應(yīng)力鋼絞線的受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖4 試驗(yàn)管監(jiān)測(cè)斷面布置（單位：mm）

圖5 鋼絞線測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)管沿軸向選取3 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面：斷絲中心區(qū)斷面（S1）、斷絲影響區(qū)斷面（S2）和非斷絲區(qū)斷面（S3），各斷面位置如圖4所示。應(yīng)變片分別粘貼于管底（360°）、管頂（180°）和管腰（90°，270°）位置的混凝土管芯內(nèi)表面、外表面和預(yù)應(yīng)力鋼絲上。由于大多數(shù)的斷絲破壞并不發(fā)生于管頂、管腰或管底位置，而是出現(xiàn)在4 點(diǎn)鐘或8 點(diǎn)鐘位置［3］，因此，斷絲位置選在8 點(diǎn)鐘方向（圖4）。鋼絞線的測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖5所示，各測(cè)點(diǎn)同樣分別位于管底（360°）、管頂（180°）和管腰（90°，270°）位置。應(yīng)變片規(guī)格根據(jù)混凝土骨料大小、鋼絲直徑及鋼絞線直徑確定，混凝土管芯、預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼絞線上所用電阻應(yīng)變片的規(guī)格分別為50 mm×3 mm，10 mm×2 mm和2 mm×1 mm。

應(yīng)變片監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由美國LDS 公司的128 通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)——LDS 數(shù)據(jù)采集儀（LDS data acquisition instrument）自動(dòng)收集，試驗(yàn)開始前需對(duì)其調(diào)零。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果修正試驗(yàn)管管芯混凝土抗壓強(qiáng)度fcu,k為55 MPa，混凝土達(dá)到抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值時(shí)所對(duì)應(yīng)的彈性應(yīng)變?chǔ)拧鋞由下式計(jì)算得到［19］：

式中： ft為混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；Ec為混凝土管芯彈性模量設(shè)計(jì)值，MPa； fcu,k為混凝土管芯抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa。

混凝土管芯微觀裂縫出現(xiàn)時(shí)應(yīng)變［13，19］需達(dá)到1.5ε′t，即207με；出現(xiàn)宏觀裂縫時(shí)應(yīng)變值［13，19］需達(dá)到11ε′t，即1522 με。

預(yù)應(yīng)力鋼絲對(duì)管體施加徑向壓應(yīng)力，使管體產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)變。內(nèi)水壓對(duì)管體產(chǎn)生的拉應(yīng)變先由預(yù)應(yīng)力鋼絲產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)變所抵消，管體仍處于受壓狀態(tài)，直到應(yīng)變片所測(cè)拉應(yīng)變大于預(yù)壓應(yīng)變的情況下，混凝土管芯才處于實(shí)際受拉狀態(tài)。因此，混凝土管芯和鋼絲的實(shí)際應(yīng)變應(yīng)當(dāng)按照下式進(jìn)行修正：

式中： εture為實(shí)際應(yīng)變；εi為由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)變；εm為應(yīng)變片監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變值。正值表示受拉，負(fù)值表示受壓。

根據(jù)AWWA C304-2014［13］，單層纏絲的PCCP 管道應(yīng)力狀態(tài)根據(jù)以下公式計(jì)算：

混凝土管芯初始預(yù)應(yīng)力：

預(yù)應(yīng)力鋼絲的初始預(yù)應(yīng)力：

混凝土管芯的最終預(yù)應(yīng)力：

預(yù)應(yīng)力鋼絲的最終預(yù)應(yīng)力：

混凝土管芯的最終預(yù)應(yīng)變：

預(yù)應(yīng)力鋼絲的最終預(yù)應(yīng)變：

式中：As為預(yù)應(yīng)力鋼絲的總面積，mm2/m；Ac為混凝土管芯面積（不包括鋼筒），mm2/m；Ay為鋼筒面積，mm2/m； fsg為預(yù)應(yīng)力鋼絲總纏繞應(yīng)力，MPa；ni、nr為纏繞時(shí)和制成后預(yù)應(yīng)力鋼絲與混凝土管芯的彈性模量比；n′i、 n′r為纏繞時(shí)/制成后鋼筒與混凝土管芯的彈性模量比；Ec、Es、Ey為混凝土管芯、預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼筒的彈性模量設(shè)計(jì)值，MPa；s 為埋地管收縮應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)值；φ 為埋地管徐變系數(shù)設(shè)計(jì)值；R 為單層配筋時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼絲松弛系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，混凝土管芯的初始應(yīng)變?yōu)?227με，預(yù)應(yīng)力鋼絲的初始應(yīng)變?yōu)?492με。文中所有數(shù)據(jù)均為修正后的應(yīng)變值，即實(shí)際應(yīng)變值。

3.2 初次加壓階段內(nèi)水壓逐級(jí)增加，每級(jí)增加0.1 MPa，穩(wěn)壓5 min。圖6為初次加壓至工作壓力（0～0.6 MPa）時(shí)，管體2.5 m（S1）、2 m（S2）和1 m（S3）斷面的混凝土管芯及預(yù)應(yīng)力鋼絲的應(yīng)變變化曲線。由圖6可見，內(nèi)側(cè)混凝土管芯、外側(cè)混凝土管芯和預(yù)應(yīng)力鋼絲的應(yīng)變均隨內(nèi)水壓的增加呈線性增加，混凝土管芯處于彈性變形階段，無裂縫出現(xiàn)?；炷凉苄驹诠茼敗⒐艿缀凸苎恢玫膽?yīng)變差異不大，管體均勻受力。由于預(yù)應(yīng)力鋼絲的預(yù)壓作用，混凝土管芯的應(yīng)變均為負(fù)值，處于受壓狀態(tài)。不同位置預(yù)應(yīng)力鋼絲的應(yīng)變幾乎相等，表明在斷絲前預(yù)應(yīng)力鋼絲中的應(yīng)力是均勻分布的。PCCP 管體結(jié)構(gòu)完好，各層結(jié)構(gòu)處于彈性階段，具有良好的變形協(xié)調(diào)，共同承擔(dān)內(nèi)水壓力，應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)基本一致。

3.3 斷絲過程在恒定內(nèi)水壓力0.6 MPa 下，沿管道軸線由中間向兩端以對(duì)稱的方式進(jìn)行斷絲，每次3 根，穩(wěn)壓5 min，圖7為斷絲過程中管體各斷面的混凝土管芯及預(yù)應(yīng)力鋼絲隨斷絲率變化的應(yīng)變變化曲線。由圖7可見，隨著斷絲率的增加，由預(yù)應(yīng)力鋼絲提供的預(yù)應(yīng)力不斷損失，混凝土管芯的應(yīng)變變化由線性轉(zhuǎn)為非線性，管體逐步發(fā)生破壞，斷絲中心區(qū)斷面S1 及斷絲影響區(qū)斷面S2 各個(gè)位置的混凝土管芯應(yīng)變均出現(xiàn)突變，非斷絲區(qū)斷面S3 的混凝土管芯、預(yù)應(yīng)力鋼絲在斷絲過程中應(yīng)力狀態(tài)變化不大，斷絲對(duì)于非斷絲區(qū)域沒有明顯影響。隨著斷絲數(shù)量的不斷增加，管芯混凝土所承受的拉應(yīng)變不斷增大，達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度時(shí)管芯混凝土出現(xiàn)裂縫。管芯混凝土的裂縫數(shù)量不斷增加，裂縫寬度和長度逐步發(fā)展變大，并形成新的裂縫。鋼筒內(nèi)側(cè)混凝土管芯出現(xiàn)裂縫后，由混凝土管芯和鋼筒承擔(dān)內(nèi)水壓力，徑向應(yīng)力通過鋼筒進(jìn)行傳遞。

圖6 初次加壓階段混凝土管芯及鋼絲的應(yīng)變變化曲線

圖7 斷絲階段混凝土管芯及鋼絲的應(yīng)變變化曲線

管體2.5 m（S1）、2 m（S2）和1 m（S3）斷面的內(nèi)側(cè)混凝土管芯（圖7（a））管頂位置的應(yīng)變幅度均大于管底和管腰位置。以2.5 m 斷面S1 為例，內(nèi)側(cè)混凝土管芯管頂位置（S1-i-2）的應(yīng)變隨斷絲率的增加由壓應(yīng)變轉(zhuǎn)為拉應(yīng)變，而此時(shí)兩側(cè)管腰位置（S1-i-1 和S1-i-3）仍處于受壓狀態(tài)。測(cè)點(diǎn)1#和測(cè)點(diǎn)3#雖均位于管腰處，但由于預(yù)應(yīng)力鋼絲的突然斷裂，靠近斷絲位置的管腰處（即測(cè)點(diǎn)1#-90°）附近的應(yīng)力瞬時(shí)釋放，應(yīng)變?cè)谒查g大幅降低，而在另一側(cè)管腰處（即測(cè)點(diǎn)3#-270°）由于砂漿對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絲的握裹作用，預(yù)應(yīng)力部分損失，應(yīng)變只出現(xiàn)一定程度的降低，因此兩側(cè)管腰處的應(yīng)力狀態(tài)不完全相同。

管體2.5 m（S1）、2 m（S2）和1 m（S3）斷面的外側(cè)混凝土管芯（圖7（b））管腰處（90°）受斷絲影響較大。同樣以2.5 m 斷面S1 為例，外側(cè)混凝土管芯管腰位置（S1-O-1）的應(yīng)變隨斷絲率的增加而陡升，在斷絲率為16.14%時(shí)呈受拉狀態(tài)，此時(shí)管頂位置（S1-O-2）的應(yīng)變?nèi)詾閴簯?yīng)變。由圖7（c），斷絲中心區(qū)斷面S1 和斷絲影響區(qū)斷面S2，管腰處預(yù)應(yīng)力鋼絲（S1-W-1、S2-W-1）應(yīng)變由于突然的預(yù)應(yīng)力損失產(chǎn)生陡然下降，而管頂處（S1-W-2、S2-W-2）的預(yù)應(yīng)力鋼絲由于砂漿與鋼絲的握裹能力良好［3］，應(yīng)變僅有一定程度的下降，在遠(yuǎn)離斷絲位置一定距離的位置預(yù)應(yīng)力恢復(fù)。

當(dāng)斷絲率達(dá)到20.2%時(shí)，管腰處（90°）的砂漿保護(hù)層表面最先出現(xiàn)可見裂縫，且斷絲率的增加進(jìn)一步加速了砂漿保護(hù)層裂縫的擴(kuò)展。外側(cè)混凝土管芯表面裂縫在管腰處（90°）也隨之出現(xiàn)。隨著斷絲率的增加，裂縫沿著管道軸向迅速擴(kuò)展，不斷加密、變寬，并逐漸形成分支，同時(shí)與新的裂縫共同形成裂縫帶。砂漿和外側(cè)混凝土管芯在管腰處（90°）部分脫開。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)聽到一聲響亮的聲音，推測(cè)是由于兩者脫開引起。裂縫的出現(xiàn)加劇了管道結(jié)構(gòu)的破壞，使混凝土管芯不能承受任何拉應(yīng)力。斷絲率達(dá)到37.7%時(shí)停止斷絲，外側(cè)混凝土管芯管腰處（90°）的最大裂縫寬度為2.2 mm，如圖8所示。

3.4 減壓及鋼絞線張拉為保證操作的安全性，在進(jìn)行鋼絞線安裝及張拉操作時(shí)，將內(nèi)水壓逐級(jí)降至自流壓力（0.6～0.2 MPa），每級(jí)0.1 MPa，穩(wěn)壓5 min，混凝土管芯應(yīng)變（圖9）隨內(nèi)水壓的降低而減小。裂縫的出現(xiàn)及內(nèi)水壓的動(dòng)態(tài)變化導(dǎo)致了試驗(yàn)管的應(yīng)力重分布，外側(cè)混凝土管芯測(cè)點(diǎn)1#（S1-O-1）位于管腰處（90°），裂縫寬度大且較為集中，應(yīng)變略微上升?；炷凉苄竞蜕皾{保護(hù)層中的可見裂縫雖略微閉合，但外側(cè)混凝土管芯管腰處（90°）的裂縫仍清晰可見，最大寬度為1.2 mm。隨后將鋼絞線等間距地螺旋纏繞于斷絲管壁外側(cè)，并對(duì)鋼絞線進(jìn)行張拉。由于分步及分區(qū)域張拉，混凝土管芯應(yīng)變?cè)趶埨^程中出現(xiàn)波動(dòng)，但總體變化趨勢(shì)一致。

圖8 外側(cè)混凝土管芯裂縫最大寬度變化曲線

圖9 減壓及張拉階段混凝土管芯的應(yīng)變變化曲線

鋼絞線張拉應(yīng)力控制系數(shù)的確定是基于“斷絲后預(yù)應(yīng)力完全損失”的假設(shè)。而試驗(yàn)結(jié)果顯示斷絲后預(yù)應(yīng)力鋼絲中的預(yù)應(yīng)力在遠(yuǎn)離斷絲位置一段距離之后仍然是存在的（圖7（c）），并不為零，因此，試驗(yàn)確定的鋼絞線張拉應(yīng)力控制系數(shù)是偏于保守和安全的。

3.5 加固后再次加壓階段為驗(yàn)證加固效果，鋼絞線張拉完成后，再次逐級(jí)加壓，每級(jí)增加0.1 MPa，穩(wěn)壓5 min，直至設(shè)計(jì)壓力（0.2 MPa～0.9 MPa）。混凝土管芯應(yīng)變（圖10）隨內(nèi)水壓的增加稍有增加，當(dāng)內(nèi)水壓再次達(dá)到工作壓力0.6 MPa 時(shí)，混凝土管芯各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變均小于加固前內(nèi)水壓同為0.6 MPa時(shí)的應(yīng)變。在加壓至內(nèi)水壓設(shè)計(jì)值0.9 MPa 的過程中，混凝土管芯應(yīng)變隨張拉的進(jìn)行而大幅下降，外側(cè)混凝土管芯管腰處（90°）的裂縫最大寬度由1.2 mm 減小到0.1 mm 左右后幾乎保持不變（圖8（b）），大多數(shù)可見裂縫閉合，最終很難用肉眼觀察到。預(yù)應(yīng)力鋼絞線既能夠主動(dòng)補(bǔ)償由于鋼絲斷裂造成的預(yù)應(yīng)力損失，同時(shí)能夠使管體裂縫閉合，限制管體裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。此時(shí)試驗(yàn)裝置未出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，試驗(yàn)管的水密性良好。作為一種主動(dòng)加固措施，預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)由于斷絲導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行補(bǔ)償，此時(shí)的內(nèi)水壓力主要由預(yù)應(yīng)力鋼絞線承擔(dān)。

圖10 加固后再次加壓階段混凝土管芯的應(yīng)變變化曲線

混凝土管芯各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值均小于出現(xiàn)微裂縫的應(yīng)變值207με，表明裂縫在擴(kuò)展過程中并沒有穿過應(yīng)變片粘貼區(qū)域，雖未捕捉到裂縫的出現(xiàn)及擴(kuò)展，但所測(cè)應(yīng)變值仍能反映管體整體的受力狀態(tài)。

試驗(yàn)所用鋼絞線的極限拉應(yīng)變?chǔ)舠按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：σs為鋼絞線的抗拉強(qiáng)度/MPa；Es為鋼絞線的彈性模量/MPa。

由于鋼絞線沒有明顯的屈服點(diǎn)，其受力狀態(tài)以產(chǎn)生0.2%殘余變形的應(yīng)力值作為其屈服極限［15］。對(duì)于試驗(yàn)所用1×7-15.20-1860 型鋼絞線，屈服極限對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?388.28με。

鋼絞線測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變隨壓力的增加略有增加（圖11），但均未達(dá)到8388.28με。所測(cè)鋼絞線處于管道受力最不利位置，由此推斷所有鋼絞線均未達(dá)到屈服極限。由于鋼絞線能夠在雙層PE 護(hù)套間以較小的摩擦力自由滑動(dòng)且其自身具備良好的應(yīng)力傳遞性能，鋼絞線的預(yù)應(yīng)力在理論上應(yīng)當(dāng)沿管道環(huán)向進(jìn)行有效傳遞，呈均勻分布。但鋼絞線與管道之間的摩擦阻力、變角損失、錨固端變形、夾片回縮以及由分步張拉引起的混凝土彈性壓縮等因素均有可能影響鋼絞線的應(yīng)力分布，導(dǎo)致鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失。

圖11 加固后再次加壓階段鋼絞線的應(yīng)變變化曲線

4 加固機(jī)理分析

PCCP 在全荷載作用下，管體結(jié)構(gòu)中各材料體聯(lián)合承載。但內(nèi)水壓力主要由纏繞在混凝土管芯上的預(yù)應(yīng)力鋼絲承擔(dān)，混凝土管芯主要承擔(dān)外荷載。通過全過程試驗(yàn)，清晰反映了體外預(yù)應(yīng)力加固PCCP 的力學(xué)特征。在加壓至工作壓力0.6 MPa 作用下，PCCP 結(jié)構(gòu)各材料體均處于彈性階段；管體斷絲后，施加在斷絲區(qū)的預(yù)應(yīng)力失效，由混凝土管芯和鋼筒承擔(dān)內(nèi)水壓力，隨著斷絲數(shù)量的增加，斷絲區(qū)范圍擴(kuò)大，達(dá)到管芯混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，在內(nèi)壓作用下，混凝土逐漸開裂，裂縫數(shù)量不斷增加，裂縫寬度和長度逐步發(fā)展變大；斷絲率達(dá)到37.7%時(shí)，混凝土管芯裂縫最大寬度為2.2 mm，停止斷絲，并減壓至0.2 MPa，開裂區(qū)域的裂縫寬度略有減??；在PCCP 斷絲管上布設(shè)鋼絞線施加體外預(yù)應(yīng)力加固后，補(bǔ)償了由于斷絲導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失，管芯混凝土裂縫閉合；內(nèi)水壓力增加到設(shè)計(jì)壓力0.9 MPa 后，PCCP 管體斷絲區(qū)由鋼絞線承擔(dān)內(nèi)水壓力。

5 結(jié)論

通過對(duì)內(nèi)徑2000 mm 的PCCP 進(jìn)行不同內(nèi)壓狀態(tài)下的原型試驗(yàn)，對(duì)比加固前后混凝土管芯、預(yù)應(yīng)力鋼絲及鋼絞線的應(yīng)力狀態(tài)，研究了體外預(yù)應(yīng)力對(duì)PCCP 斷絲管的加固效果。由試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：（1）PCCP 斷絲后，斷絲中心區(qū)及斷絲影響區(qū)管腰處（90°）的預(yù)應(yīng)力大幅降低，但由于砂漿與鋼絲間良好的握裹力作用，遠(yuǎn)離斷絲位置一定距離的預(yù)應(yīng)力并未完全損失。非斷絲區(qū)的混凝土管芯、預(yù)應(yīng)力鋼絲受斷絲影響不大。（2）斷絲率達(dá)到20.2%時(shí)管芯混凝土出現(xiàn)可見裂縫，斷絲率的增加加速了裂縫的擴(kuò)展，使裂縫不斷變寬、加密；斷絲率為37.7%時(shí)停止斷絲，此時(shí)外側(cè)混凝土管芯裂縫最大寬度為2.2 mm。（3）內(nèi)水壓的減小使混凝土管芯裂縫寬度有所減小，但仍清晰可見，裂縫最大寬度為1.2 mm。鋼絞線張拉完成后，混凝土管芯應(yīng)變大幅下降，外側(cè)混凝土管芯裂縫最大寬度由1.2 mm 減小到0.1 mm，大多數(shù)可見裂縫閉合。（4）再次加壓，直至設(shè)計(jì)壓力的過程中，混凝土管芯的應(yīng)變未出現(xiàn)大幅增加，外側(cè)混凝土管芯可見裂縫最大寬度幾乎保持在0.1 mm 左右不變，鋼絞線未達(dá)到屈服極限。（5）體外預(yù)應(yīng)力加固PCCP，既能夠主動(dòng)補(bǔ)償由于斷絲造成的預(yù)應(yīng)力損失，也能夠使混凝土管芯裂縫閉合，并在加壓過程中限制裂縫的擴(kuò)展。PCCP 斷絲管在施加體外預(yù)應(yīng)力加固后，仍可以承受設(shè)計(jì)壓力，且水密性良好，加固效果明顯。