混凝土与水泥制品
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  • 文章内容

CFRP修复PCCP的内水压试验

作者:窦铁生1,2,程冰清1,2,胡 赫1,2,夏世法1,2,赵丽君1,2    单位:1.流域水循环模拟与调控国家重点实验室, 北京 100038; 2.中国水利水电科学研究院,北京 100038

关键词:碳纤维增强复合材料(CFRP);预应力钢筒混凝土管(PCCP);内水压;承载能力;断丝

摘  要:为了验证CFRP的补强加固效果,采用2根内径2.6m的PCCP进行了内水压力试验,并通过集中断丝模拟了最不利断丝管的受力状况。结果表明,未粘贴碳纤维的断丝管,在设计内水压0.9MPa的状态下,断丝40根后管芯混凝土开裂。分部位粘贴1层、2层和3层环向碳纤维的加固管,在设计内压0.9MPa下,断丝70根后管芯混凝土开裂。CFRP在管芯混凝土出现微裂缝后参与应力重分布,一定程度上缓解了裂缝尖端的应力集中,延缓管芯混凝土开裂,同时,改善了非断丝区钢丝受力状态,延迟了钢丝和钢筒进入屈服状态。

 0   前言

  预应力钢筒混凝土管(以下简称PCCP)是由混凝土管芯、钢筒、预应力钢丝以及砂浆保护层构成的复合结构[1],具有强度高、抗渗性强、耐久性好、工程造价和维护费用低等特点,广泛应用于长距离有压输水和市政排水等基础工程中。法国人邦纳于1893年设计并生产了钢筒混凝土管,并将其应用于巴黎科隆贝的水管网铺设工程。1939年,法国邦纳管道公司最早制造了PCCP,在巴黎郊区的某个工程中投入并使用。1942年,美国罗克昭公司对PCCP的技术和理论作了深入的研究,并开始制造嵌入式PCCP,加快了PCCP的发展。PCCP是美国、墨西哥、加拿大等国水系统的主选管道,美国和加拿大已铺设了30.48万km。PCCP也是我国近年来在引水、调水以及市政工程中广泛采用的管型。由于氢脆和环境腐蚀等原因,PCCP预应力钢丝易断裂,致使PCCP结构劣化,对PCCP的使用产生影响。PCCP的口径大,内部压力大,其破坏一般会造成严重后果。
  近年来,国内外学者开始重视PCCP结构劣化的研究。国内学者窦铁生、燕佳琪、赵晓露、胡赫等对PCCP管的破坏模式、破坏原因及断丝数量对内压承载力的影响等方面做了研究[2-4]。国外学者Mehdi S. Zarghamee、Murat Engindeniz和Yongjei Lee做了相关方面的一些研究。Mehdi S. Zarghamee等做了PCCP断丝后性能试验,Yongjei Lee研究了断丝数、CFRP层数与粘贴角度对PCCP承载力的影响。但我国对PCCP运行可靠性和补强加固的研究较少,更是缺乏相关的试验研究。本文所做的CFRP修复PCCP内水压试验,是我国首次开展该领域的研究工作,通过对PCCP加固断丝管与未加固断丝管的内压试验对比分析,研究了CFRP补强加固PCCP断丝管的效果。
  PCCP的补强加固需针对管体的损伤程度、荷载以及管子接近破坏的状态,提出不同的补强加固修复方案。目前,针对PCCP补强加固的方法分为外部加固法和内部加固法,外部加固法主要包括外部后张预应力法、外包混凝土法等;内部加固法包括用碳纤维增强复合材料(以下简称CFRP)进行里衬和安装钢衬等。钢衬法适用于长且连续的管修复。CFRP加固法的优点是在不开挖不换管的情况下,为PCCP提供一种内部补强加固有效的方法。本文为研究CFRP对PCCP断丝管补强加固的效果,采用2根内径2.6m的PCCP,管A为原始管,管B为管芯混凝土内壁粘贴CFRP的试验管,分别进行内水压力和断丝试验。试验时全过程监测PCCP中各层材料的力学性态变化,研究两根管在工作压力和设计压力下的破坏过程和CFRP补强加固效果。
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