PCCP复式碳纤维加固1∶1模型试验研究
孙志恒 杨进新 李萌 韦昊南
摘要：针对PCCP的预应力钢丝断裂数目增多给PCCP运行带来的安全隐患问题，提出了PCCP复式碳纤维加固技术。在原型PCCP内壁进行了现场测试，证实了PCCP复式碳纤维加固技术的可行性。试验采用电阻应变片和光纤两种测量手段，监测了1∶1模型在内水压力作用下断丝对PCCP内壁混凝土及碳纤维的影响。试验结果表明：与传统碳纤维加固方案相比，对4 m管径的PCCP采用内壁复式碳纤维加固方案可提高碳纤维的拉应力水平约4～5倍。
关键词：PCCP;1∶1模型;复式碳纤维加固;传统碳纤维加固
中图法分类号：TV746.3文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.010
文章编号：1006 - 0081（2021）06 - 0049 - 04
1 研究背景
预应力钢筒混凝土管（PCCP）是在带有钢筒的混凝土管芯外侧缠绕环向预应力钢丝，并在管体外侧辊射水泥砂浆保护层而制的一种复合型管材，其中预应力钢丝对于PCCP的承载力有较大影响。目前，中国引调水工程中使用PCCP的工程越来越多，但由于设计、施工质量缺陷，土壤腐蚀环境，运行管理不当等原因，多个工程已出现爆管情况，且大部分爆管是由于高强预应力钢丝出现断丝所致。修复破损PCCP主要采用开挖更换、钢绞线修复、颈缩钢筒、钢管穿插、外贴碳纤维及内贴碳纤维等方法。其中，内贴碳纤维加固PCCP技术是通过树脂类胶结材料将碳纤维材料粘贴于PCCP内侧混凝土表面，通过两者的共同作用达到加固补强、改善结构受力性能的一种加固技术。与其他加固技术相比，该技术无需大型施工机具，施工简便、高效、质量易保证。但是，传统粘贴碳纤维加固PCCP技术存在一些固有缺陷，混凝土的开裂应变与碳纤维的极限拉应变相差甚远，直接粘贴碳纤维难以抑制PCCP结构的变形、裂缝的发展和外侧预应力钢丝的断裂，使碳纤维材料的高强度优势不能得到有效发挥。复式碳纤维加固技术是指在碳纤维与混凝土内壁之间增设一层高压缩弹性垫层，在相同的内水压力下，复式碳纤维加固方法中碳纤维的径向位移囊括了弹性垫层的压缩量，导致碳纤维环向位移增大，进而提高了碳纤维的环向应力，使碳纤维承担更多的内水压力。因此，有必要将PCCP传统碳纤维加固方法与复式碳纤维加固方法进行对比，来验证复式碳纤维加固方法的可行性与优越性，并为以后的PCCP内部补强加固处理积累经验。
2 试验方案设计
2.1 现场试验布置
模型现场试验采用两节直径为4 m的PCCP、一节连接管、两个堵头和两个镇墩。图1为PCCP修复技术1∶1模型内加固试验布置。其中1号PCCP采用复式碳纤维加固方法，即在碳纤维与PCCP内壁混凝土表面之间粘贴一层高压缩弹性垫层（厚5 mm），碳纤维选用一层环向+一层纵向+一层环向，碳纤维表面涂刷SK单组分聚脲（厚1.0～1.5 mm）防护，简称“复式碳纤维加固管”。2号PCCP采用传统碳纤维加固方法，即在PCCP内壁混凝土表面直接粘贴碳纤维，碳纤维选用一层环向+一层纵向+一层环向，碳纤维表面涂刷SK单组分聚脲防护，简称“传统碳纤维加固管”;中间的钢管作为连接管，堵头留有进出人孔，镇墩要求能够承受试验中内水压力的推力。在PCCP承插接口30～40 cm范围内涂刷厚4 mm的SK单组分聚脲封边来增加表面柔性止水。
2.2 试验参数
PCCP试验管道设计工作压力为0.6 MPa、9 m覆土。管芯厚320 mm，两个试验管均有内、外两层钢绞线，其中1号复式碳纤维加固管外层钢丝226根、内层钢丝227根;2号传统碳纤维加固管外层钢丝291根、内层钢丝297根。PCCP材料力学性能参数如下：
管芯混凝土弹性模量设计值 27 860.6 MPa
钢筒弹性模量设计值206 850 MPa
钢丝弹性模量设计值193 035 MPa
砂浆弹性模量设计值24 864 MPa
钢丝缠绕应力 1 177.5 MPa
钢筒拉伸屈服强度 227.53 MPa
鋼筒抗拉强度 310 MPa
保护层砂浆抗压强度37.92 MPa
试验使用碳纤维布力学参数见表1。
选择的高压缩弹性垫层具有在弹性范围内压缩量大、本体强度较高、抗渗、耐老化、耐低温、与混凝土和碳纤维黏接强度大于垫层本体强度等特点，压缩40%以内时的泊松比约为0.3，垫层拉伸强度值大于2.0 MPa，拉伸断裂伸长率大于100%。
3 PCCP内部碳纤维补强加固及测量
3.1 碳纤维补强加固
PCCP复式碳纤维加固施工工艺为：
PCCP内壁混凝土表面打磨、清洗、晾干。在混凝土表面布置电阻应变片和分布式光纤测点，分别粘贴应变片和分布式光纤，并进行保护。混凝土表面粘贴高压缩弹性垫片，垫片表面辊压平整，并刮涂腻子找平，图2为高压缩弹性垫层表面刮涂腻子找平现场。在高压缩弹性垫片表面粘贴两层环向和一层纵向碳纤维布，图3为垫层表面粘贴环向碳纤维施工现场，在碳纤维表面布置应变片和光纤测点，粘贴电阻应变片和分布式光纤，并进行保护。在碳纤维表面涂刷厚1.0～1.5 mm的SK手刮聚脲（抗冲磨型）进行防护。PCCP传统碳纤维加固施工工艺同上，不同之处是在混凝土表面直接粘贴两层环向和一层纵向碳纤维布。
3.2 应变测量方法及测点布置
在1∶1模型试验中，PCCP混凝土及碳纤维应变测量分别采用电阻应变片和分布式光纤应变测量方法。
试验对每节管道前后间隔1.25 m的3个断面进行监测，即将电阻应变片和环向光纤粘贴在这3个断面的位置。
1号管内混凝土表面应变片布置14个测点，碳纤维表面应变片布置10个测点。2号管内混凝土表面应变片布置4个测点，碳纤维表面应变片布置12个测点 。管内混凝土表面光纤采用一条龙的方式粘贴，每节管道混凝土内壁分别贴有3个光纤环，共计6个光纤环。在每节管道内壁粘贴的碳纤维表面贴了3个环向光纤，共计6个光纤环。在接近管底的位置粘贴纵向光纤。
4 现场试验步骤
在未断丝情况下，施加内水压力，每次以0.1 MPa递增方式加载，直到达到0.9 MPa，每次稳压10 min。在稳压0.9 MPa的情况下，外层预应力钢丝分4次均匀切断。外层预应力钢丝全部切断后，为试验安全起见，将内水压力卸载至零，开始切断内层预应力钢丝。复式碳纤维加固管内层预应力钢丝每次断丝28根，内水压力分别为0.3，0.5，0.7，0.9 MPa，直至全部断丝后卸载，抽空管内水。传统碳纤维加固管内层预应力钢丝每次断丝28根，内水压力分别为0.3，0.5，0.7，0.9 MPa，直至剩余87根钢丝后卸载，抽空管内水。
5 试验数据分析
5.1 内水压力作用下外层预应力钢丝断丝工况
（1）PCCP内壁混凝土表面测点环向应变。在PCCP内水压力从0增加至0.9 MPa以及在保持内水压力为0.9 MPa，外层预应力钢丝断丝的工况下，复式碳纤维加固管和传统碳纤维加固管混凝土表面测点的环向拉应变均随着内水压力的增加而增大。但当内水压力保持在0.9 MPa后开始断丝，随着外层预应力钢丝断丝数量的增加，混凝土表面测点应变的增量变化很小，说明外层预应力钢丝对内加固后的PCCP承受0.9 MPa内水压力情况的影响不大。两个管混凝土表面测点的应变值小，但差值不明显。当内水压力达到0.9 MPa时，两个管内壁混凝土应变片测点拉应变增量最大值为220 με;外层预应力钢丝全部断丝后，两个管内壁混凝土应变片测点拉应变增量最大值为240 με。光缆测量结果与应变片测量结果基本相当。
（2） PCCP内壁碳纤维表面测点环向应变。在PCCP内水压力从0增加至0.9 MPa，并且保持内水压力0.9 MPa不变，外层预应力钢丝分4次均匀断丝的工况下，PCCP内壁碳纤维表面电阻应变片测点环向应变增量变化见图4。从图4可以看出，随着内水压力的增加，复式碳纤维加固管内壁碳纤维表面应变值较传统加固碳纤维表面应变值显著增加，管腰部和管顶应变增加值约为80%，管底部测点应变增加值约为40%。当内水压力保持在0.9 MPa后开始断丝，随着外层预应力钢丝断丝的增加，各测点应变增加值基本不变。传统碳纤维加固管内壁碳纤维表面的测点应变增量与混凝土表面的测点应变增量基本相同。
图5为光纤测量碳纤维应变数据。从图5可以看出：每个管道碳纤维表面有对应3个光纤环应变，对比复式碳纤维加固管和传统碳纤维加固管内壁碳纤维表面的相对应变可以发现，复式碳纤维加固管碳纤维相对应变明显增大，加壓至0.9 MPa时，相对应变值在1 300 με左右;传统碳纤维加固管碳纤维相对应变较小，加压至0.9 MPa时，相对应变值在300 με左右，二者相差1 000 με。
电阻应变片和分布式光纤测量结果均表明：复式碳纤维承担的内水压力较传统碳纤维显著增大。
5.2 内水压力作用下内层预应力钢丝断丝后工况
（1） 内层预应力钢丝数量与PCCP内壁混凝土环向应变增量。电阻应变片和分布式光纤测量结果表明，试验管的内层预应力钢丝均匀切断后，随着内水压力的增加，混凝土表面各测点的环向应变增量不断增大，当内水压力为0.9 MPa时，复式碳纤维加固管管道内壁混凝土应变为250～300 με，传统碳纤维加固管管道内壁混凝土应变为300～350 με。复式碳纤维加固管混凝土应变较传统碳纤维加固管混凝土应变小50 με左右。当第一次加压至0.9 MPa后卸压至零，再进行第二次切割。各应变片测点应变值变化规律基本一致。
（2）内层预应力钢丝数量与PCCP内壁碳纤维环向测点应变增量。电阻应变片结果表明：传统碳纤维加固管内层预应力钢丝第一次均匀切断37根，随着内水压力的增加，碳纤维表面应变片各测点的环向应变增量不断增大，当内水压力为0.9 MPa时，碳纤维表面的应变片测点应变为189～283 με;相应的复式碳纤维加固管第一次均匀切断28根，随着内水压力的增加，各测点的应变增量迅速增大;当内水压力为0.9 MPa时，碳纤维表面的应变片测点应变为717～1 091 με，复式碳纤维加固管较传统碳纤维加固管中的碳纤维应变大4～5倍。当第一次加压至0.9 MPa后卸压至零，再进行第二次切割，应变片各测点应变值变化规律基本一致。
表2为内层预应力钢丝数量与碳纤维表面光纤环向应变增量变化情况。从表2可以看出：传统碳纤维加固管第一次均匀切断37根，当内水压力为0.9 MPa时，管中碳纤维表面光纤测得的应变为150～250 με;相应的复式碳纤维加固管第一次均匀切断28根，当内水压力为0.9 MPa时，管中碳纤维表面光纤测得的应变为820～920 με。复式碳纤维加固管中的碳纤维表面的环向应变较传统碳纤维加固管中的碳纤维应变大4～5倍。光纤与应变片测量结果基本一致。
5.3 卸载后管内部检查
试验完成后排空管内水，进入PCCP内部进行检查。从现场检查情况来看，复式碳纤维加固管和传统碳纤维加固管管道内部均未发现碳纤维剥落及脱空现象。复式碳纤维加固管内部管体内径同试验前没有变化。
6 结 论
（1）试验过程采用电阻应变片测量和分布式光纤测量两种方式同时监测混凝土及碳纤维表面应变，两种测量方式获得的测点应变结果基本一致，起到了相互印证了效果，试验数据可靠。
（2）试验结果证明：采用碳纤维内加固后的两节PCCP在0.9 MPa内水压力作用下，外层钢绞线全部断丝，对内壁采用碳纤维加固的两节PCCP的结构影响不大。
（3）采用复式碳纤维加固的1号管和采用传统碳纤维加固的2号管在多次加、卸压的情况下，PCCP管道内部均未发现碳纤维剥落情况，管体内部尺寸与试验前相比没有明显变化，说明在PCCP内部粘贴碳纤维补强加固工艺是可行的，结构是可靠的。
（4）在内水压力作用下，对4 m直径的PCCP采用内壁复式碳纤维加固方案，较传统碳纤维加固方案可以提高碳纤维的拉应力水平4～5倍，提升了碳纤维加固PCCP的效果，起到了使碳纤维与PCCP联合共同承受内水压力的效果及预防PCCP爆管的作用。
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（编辑：李 慧）
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