預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管插口內(nèi)壁環(huán)裂機(jī)理分析

王菁菁

摘 要： 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管PCCP插口端內(nèi)壁混凝土環(huán)向裂縫主要出現(xiàn)在靠插口端300mm范圍內(nèi)。根據(jù)PCCP 出廠時(shí)存在一定程度的環(huán)裂，但是在管道服役過(guò)程中，可能出現(xiàn)裂縫無(wú)法全部閉合的情況，在內(nèi)外壓力共同作用下，由插口內(nèi)壁環(huán)裂縫滲入的液體會(huì)使鋼筒和鋼絲發(fā)生腐蝕，降低管道的承載能力，減少管道使用壽命，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致鋼筒或鋼絲發(fā)生斷裂，造成爆管事故發(fā)生。本文根據(jù)環(huán)裂形成機(jī)理提出抗裂措施，以解決 PCCP 生產(chǎn)過(guò)程中的插口內(nèi)壁混凝土的環(huán)裂問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管;插口;環(huán)裂

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU528.73 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.38.086

預(yù)應(yīng)力鋼筒 混凝土管PCCP）是由帶鋼筒的高強(qiáng)混凝土管芯纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲后，再噴涂水泥砂漿保護(hù)層制成的復(fù)合型管材。PCCP 將高強(qiáng)鋼絲的抗拉、混凝土的抗壓和鋼筒的防滲有機(jī)結(jié)合在一起，以其承壓能力高、抗震性能好、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于大口徑、長(zhǎng)距離輸水工程，PCCP 在生產(chǎn)、安裝和服役過(guò)程中會(huì)因各種原因出現(xiàn)混凝土裂縫，的是在管道內(nèi)壁出現(xiàn)螺旋裂縫、環(huán)向裂縫和縱向裂縫，其中，以插口端200-300mm 范圍內(nèi)的內(nèi)壁環(huán)向裂縫最為常見(jiàn)。

1 PCCP 裂縫機(jī)理現(xiàn)狀

PCCP 在生產(chǎn)、安裝和服役過(guò)程中會(huì)因各種原因出現(xiàn)混凝土裂縫，較為典型的是在管道內(nèi)壁出現(xiàn)螺旋裂縫、環(huán)向裂縫和縱向裂縫，其中以插口端 200～300mm范圍內(nèi)的環(huán)向裂縫最為常見(jiàn)。盡管?chē)?guó)家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》PCCP 管芯內(nèi)壁混凝土存在裂縫，但是由于中外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于管芯外壁裂縫的規(guī)定不統(tǒng)一，造成裂縫的防治、處理缺乏科學(xué)依據(jù)，特別是在后續(xù)的服役過(guò)程中，環(huán)向裂縫無(wú)法全部閉合，造成管內(nèi)液體通過(guò)環(huán)向縫隙直接接觸到插口異型鋼板，甚至?xí)由熘龄撏蔡?，使鋼筒產(chǎn)生腐蝕，加劇PCCP結(jié)構(gòu)狀態(tài)的退化，縮短了使用壽命。因此，科學(xué)揭示PCCP插口內(nèi)壁的環(huán)裂機(jī)理，對(duì)于插口環(huán)裂的預(yù)防措施、診治處理以及管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)價(jià)具有積極意義。

我國(guó)對(duì) PCCP 混凝土裂縫形成的原因和機(jī)理已有一定研究。[1]對(duì)裂縫管和斷絲管分別進(jìn)行原型試驗(yàn)，并運(yùn)用 ABAQUS 對(duì)原型試驗(yàn)管道進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)行了原型管道的抗裂外壓承載力試驗(yàn)，探討了預(yù)存管芯外壁縱向裂縫對(duì)承載力的影響，分析了混凝土管的受力特性，對(duì) PCCP抗裂外壓試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬，對(duì) PCCP 各種裂縫的產(chǎn)生原因進(jìn)行了總結(jié)，探討了消除裂縫的具體措施。

2 PCCP插口環(huán)向裂縫產(chǎn)生的原因

管材插口端內(nèi)壁環(huán)向裂縫形成機(jī)理復(fù)雜，其主要受管材結(jié)構(gòu)、混凝土抗拉力、立式起吊、混凝土收縮、纏絲工藝局部剪切受力狀態(tài)以及混凝土的干燥收縮等多種因素綜合影響形成。

2.1 結(jié)構(gòu)方面的原因PCCP管芯內(nèi)嵌埋的防滲薄鋼筒厚度為1.5mm，而插口鋼環(huán)的型材尾部厚度為7.5mm，薄鋼 板卷通過(guò)螺旋焊機(jī)卷制搭接在插口鋼環(huán)的型材尾部，搭接長(zhǎng)度約20mm，搭接焊后在插口鋼環(huán)的型 材尾部處的整個(gè)環(huán)向截面形成厚度差為7.5mm的截面突變。理論上，插口鋼環(huán)尾部可采取加大 寬度并削薄的加工措施，但由于其不經(jīng)濟(jì)，行業(yè)內(nèi) 無(wú)生產(chǎn)廠家采取;且搭接焊縫必須存在并經(jīng)致密 性水壓試驗(yàn)合格，故搭接焊縫引起的截面突變?cè)?結(jié)構(gòu)上不可避免。

2.2 混凝土強(qiáng)度的原因。管芯插口端的內(nèi)壁混凝土強(qiáng)度自身偏弱。在 管芯混凝土立式澆筑的振動(dòng)密實(shí)過(guò)程中，石子往 下沉，往往造成插口端的管芯混凝土缺少石子而 富含砂漿，致使上層的插口端管芯混凝土強(qiáng)度低 于中、下層管芯混凝土，該部位混凝土的實(shí)際抗拉 強(qiáng)度值下降，不足以抵抗纏繞鋼絲時(shí)該部位因截 面突變形成的應(yīng)力集中而直接頂壓管芯內(nèi)壁混凝 土形成的表面拉應(yīng)力，從而形成環(huán)向裂縫。

2.3 立式起吊原因。標(biāo)準(zhǔn)管生產(chǎn)過(guò)程中，管芯到成品工序均由專用圓盤(pán)式吊具吊運(yùn)。圓盤(pán)式吊具通過(guò)卡具鎖死插 口鋼圈的第二個(gè)凹槽，對(duì)插口鋼圈施加環(huán)向壓力 起吊重達(dá)50t的管芯。該環(huán)向壓力在插口鋼圈與 薄鋼板搭接焊形成的截面突變處造成應(yīng)力集中，同時(shí)，插口端內(nèi)壁混凝土則因傳導(dǎo)管材自身重量 形成拉力，兩項(xiàng)應(yīng)力疊加易形成環(huán)向裂縫。

3 插口內(nèi)壁混凝土的抗裂措施

根據(jù)PCCP 插口內(nèi)壁混凝土環(huán)裂的形成機(jī)理可概括為：管芯在纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲時(shí)，因插口工作面不纏絲，插口端管芯受壓變形向外翻產(chǎn)生附加縱向彎矩，當(dāng)附加彎矩值超過(guò)管芯截面的抗彎能力臨界值時(shí)，管芯內(nèi)壁混凝土被拉伸破壞產(chǎn)生裂縫，并且隨著預(yù)應(yīng)力的不斷施加，裂縫向鋼筒內(nèi)壁深處發(fā)展。管道自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及現(xiàn)有生產(chǎn)工藝，發(fā)生環(huán)裂是不可避免。[1]在不改變管芯壁厚設(shè)計(jì)尺寸的前提下，通過(guò)調(diào)整插口鋼環(huán)內(nèi)側(cè)鋼絲網(wǎng)片直徑、置換插口端浮漿層、加強(qiáng)原材料的質(zhì)量控制等措施，分散插口端管芯承受的拉應(yīng)力及提升插口端混凝土強(qiáng)度，試圖避免環(huán)裂現(xiàn)象的發(fā)生。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，單純提高插口端的抗彎能力并不能適應(yīng)高工壓、 雙層纏絲管道的抗裂要求，原因在于提高插口抗彎能力的同時(shí)，對(duì)插口外翻變形的限制作用將導(dǎo)致插口端根部附加彎矩的增大。因此，預(yù)防 PCCP 插口內(nèi)壁混凝土環(huán)裂，既要提高插口端的抗彎能力，也要降低因限制管芯外翻變形而產(chǎn)生的附加彎矩，才能達(dá)到防止環(huán)裂的目的。由于高工壓、雙層纏絲管道施加在管芯上的預(yù)應(yīng)力較大，導(dǎo)致纏絲過(guò)程在插口端內(nèi)壁產(chǎn)生的縱向附加彎矩較單層纏絲管道更大，因此，僅僅提高插口端內(nèi)壁混凝土的抗彎能力以避免環(huán)裂的措施無(wú)法奏效，必須同時(shí)通過(guò)一定的疏導(dǎo)措施，使過(guò)大的附加彎矩得到釋放。該措施中鋼纖維混凝土的范圍、變形縫的尺寸以及內(nèi)襯鋼環(huán)的尺寸等，需根據(jù)具體管道參數(shù)以及管道結(jié)構(gòu)分析結(jié)果予以確定。

結(jié)束語(yǔ)：基于抗裂措施對(duì)于保證管道整體性、提高承載能力、 延長(zhǎng)使用年限等方面具有積極意義。但是PCCP 生產(chǎn)工藝復(fù)雜，環(huán)裂除了與管道結(jié)構(gòu)因素有關(guān)，還受制于施工質(zhì)量、環(huán)境條件等多種因素，未來(lái)應(yīng)結(jié)合 PCCP 生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)一步完善具體工藝。

參考文獻(xiàn)

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[2] 孫紹平，王貫明.預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管特性[J].市政技術(shù)，2018，24（2）：15.