张志红，吕兵，李记兴，王帆，陈晓 ，李军

（1.柳州欧维姆机械股份有限公司，广西 柳州 545000；2.北京市南水北调干线管理处，北京 100195；3.北京韩建水利水电工程有限公司，北京 102488）

1 引言

预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，简称PCCP），它是在带有钢筒的管芯混凝土上螺旋缠绕预应力钢丝，在其外喷涂致密的水泥砂浆作为保护层，并涂覆环氧煤沥青防腐涂层，是由钢板、混凝土、高强钢丝和水泥砂浆几种材料组成的复合型管材[1]。这种管材综合了钢材和混凝土的优点，绿色环保、抗渗性能好、承压高，接头采用双胶圈密封，密封性能好，它充分发挥了钢丝的高强性、钢筒密封性、混凝土的抗压和耐腐蚀性。

PCCP是长距离、高工压、高覆土、大口径输水管道工程的首选管材，广泛应用于长距离引水和供水工程、工业供水工程、各种市政压力排污主管道和倒虹吸管等工程[2]。国外典型工程应用：利比亚大人工河铺设了约四千公里的PCCP管道，由于高腐蚀性的环境造成了一些管道爆裂，Freyssinet公司利用体外预应力法对关键管道进行了修复作业[3]。

预应力钢筒混凝土管（PCCP），由于设计、制造、安装缺陷或是运行不恰当，或是受恶劣环境的影响，会出现砂浆保护层分层甚至脱落、混凝土管芯出现环向或者纵向裂缝、预应力钢丝锈蚀或者断裂、薄钢筒锈蚀等问题。为使PCCP断丝管恢复至原有承载力，消除安全隐患，国内外学者对PCCP补强加固方法进行了研究。目前常用的方法主要有换管法、内部加固法（颈缩钢筒内衬、钢管内衬、内贴碳纤维）和外部加固法（加强钢带补强法、体外预应力法）等[4-6]。

本文是采用外部加固法中的施加体外预应力的方法对PCCP断丝管（见图1）进行加固。通过施加体外预应力来主动补偿由PCCP钢丝断裂而导致的预应力损失，从而使管体恢复至原有承载力，同时PCCP断丝管加固施工过程中无需排空管道，可以带压修复，对于无法停止供水的管道尤为适用。

图1 南水北调工程开挖段PCCP管损伤图

2 本方案施加体外预应力加固方法

常规的施加体外预应力法，就是将预应力钢绞线按一定的间距螺旋缠绕于在PCCP断丝管外表面，通过张拉和锚固钢绞线，对PCCP断丝管体施加预应力，使断丝管体恢复至原有承载能力；钢绞线的布设完之后，需在外侧喷射水泥砂浆保护层进行保护，再按步骤回填。此技术难以修复爆管的管道，只能修复结构完整的管道。同时，施加体外预应力法也面临着基坑大开挖的问题，由于预应力钢绞线需要穿过管体的底部，所以穿预应力钢绞线之前必须需要掏空管底土体，同时提前做好支护和保护措施。

根据上面内容，原有的施加体外预应力加固方法需要整段开挖，工程量大。但本方案可以在PCCP断丝管局部开挖工况下，安全且高效地进行预应力管道外加固施工作业。

加固机理：在PCCP断丝节段位置，先将锚台结构用粘钢胶安装在断丝管节段上，然后用我司研发的专用PCCP环管钻机在基坑半开挖情况下钻出用于预应力钢绞线穿束的孔道，接着将一定间距的双圈预应力钢绞线穿过孔道缠绕在管体外表面，用专用张拉机具对双圈预应力钢绞线两端同步对称张拉，钢绞线拉力分布稳定后切除多余工作长度，用专用防腐及封装材料进行封锚处理，重复以上步骤完成整根PCCP断丝管的外加固施工。

图2 PCCP断丝管体外预应力加固三维模型

2.1 预应力钢绞线的伸长量计算

《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[7]与《预应力混凝土结构设计原理》[8]教材中均有提到预应力损失计算相关的内容。见《预应力混凝土结构设计原理》教材第三章中预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失内容，有：

预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失值：

于是，从张拉端到计算截面预应力钢筋预加力的下降值为

式中：N0—张拉端的预加力；

σcon—预应力钢筋张拉控制应力；

μ—预应力钢筋预孔道壁之间的摩擦系数；

θ—从张拉端至计算截面各曲线段孔道弯曲角之和（rad）；

k—孔道偏差摩擦影响系数（1/m）；

X—从张拉端至计算截面的孔道长度（m），可近似取该孔道在构件轴上的投影长度。

PCCP管预应力加固时，取PCCP管直径4.8m，张拉力N0为200kN；钢绞线采用直径15.2的无粘结钢绞线，其弹性模量为196GPa，其公称截面积为140mm2；钢绞线与PE管之间的摩擦系数取0.12。同时，计算模型将圆形孔道分成60份，每份是6度。于是，这样可以得到预应力钢绞线伸长量值，见表1。

预应力钢绞线伸长量 表1

从表1可以看出，假设采用单圈的预应力钢绞线对PCCP断丝管进行加固，初始端拉力值为200kN，末尾端的拉力值则为89.485kN，预应力损失了一半，由此可见单圈钢绞线单端张拉时，预应力的损失量很大，管周预应力的分布也是不均匀的。因此，经过以上数据分析，决定采用双圈预应力体系两端同步张拉的操作工法对PCCP断丝管进行体外预应力加固施工。

2.2 钢绞线环锚用锚台结构设计

利用三维有限元分析软件，建立由六面体单元组成的锚台空间结构模型。锚台结构采用Solid186单元[9]，弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，质量密度为7850kg/m3。锚台的有限元模型，见图3。将计算的每根钢绞线的力值，施加在对应的锚具作用面位置，同时在模型底面施加竖向支撑。

图3 锚台结构有限元模型

有限元分析结果：如图4所示，锚台的最大Von-Mises应力位于单孔锚对应力穿钢绞线的孔洞与马蹄孔之间的位置，原因：一是此位置正好在边界条件施加处，存在一定范围的应力集中；二是这个位置本身比较薄弱。大应力的单元数目很少，模型总单元数为193895（由于模型结构复杂、孔洞较多，且角度倾斜，给网格划分造成极大困难），大应力的单元占比例极小。锚台模型的单元应力结果大部分均在350MPa以内，满足此结构在实际PCCP断丝管加固工程中的使用需求。

图4 锚台结构Von-Mises应力图（Pa）

2.3 专用张拉装置结构设计

张拉装置的主要结构采用ANSYS有限元软件进行数值模拟，各杆件均采用实体20node186单元[9]进行建模。荷载的组合形式：①恒载，张拉装置的自重；②活载，面荷载66.67MPa（作用面的面积6000mm2，张拉力为40tonf），具体如图5所示。

图5 专用张拉装置计算模型

有限元分析结果：见图6，张拉装置最大Von-Misesstress应力为267.385MPa，按照安全系数n=1.25，应力超过235/1.25=188MPa的比例非常小，且位于千斤顶内外缸之间和千斤顶与挡板之间。说明原设计结构符合实际加固工程需求。

图6 专用张拉装置Von-Mises应力图（MPa）

2.4 PCCP断丝管加固试验效果

应北京水务局下辖中线进京管道的维护需要，我司于2017年配合北京水利规划设计院，在北京韩建河山管厂内，对两段PCCP试验管道进行了管外预应力加固试验，试验结果良好。参照合作单位发表的文献《预应力钢筒混凝土管体外预应力加固试验研究》可知试验结果[10]。

试验中：预应力钢筒混凝土管（PC⁃CPE），内径为2m，管长为5m，内水压的工作压力为0.6MPa；钢绞线采用直径15.2mm，公称抗拉强度为1860MPa的无粘结预应力钢绞线。

试验结果表明：PCCP断丝管在通过施加体外预应力加固后，能够主动补偿由PCCP管钢丝断裂而造成的预应力损失，也能够使混凝土管体裂缝闭合并限制裂缝的扩展，仍可以承受原设计水压，满足了PCCP管的使用要求，加固效果明显。

图7 本方案施加体外预应力加固试验图

3 结论

本方案中的施加体外预应力体系加固方法，针对预应力钢筒混凝土管（PC⁃CP）有良好的加固效果，在原有的不需要停水及排空管道、可带压修复的优势基础上，对比普通的体外预应力加固法有：

①在对PCCP断丝管进行体外预应力加固施工中，单圈钢绞线单端张拉时，预应力的损失量很大，管周预应力的分布也不均匀，于是决定采用双圈预应力体系两端同步张拉的操作工法；

②利用双圈预应力钢绞线对PCCP断丝管加固而开发的专用钢绞线环锚用锚台结构和钢绞线环锚用锚台结构，通过ANSYS有限元分析，此两种结构的Von-Mises应力均在各自的材料强度容许范围内，有一定的安全系数，满足在实际PCCP断丝管加固工程中的使用需求；

③本方案采用利用半管浅开挖工况进行PCCP管道的预应力外加固施工，不需要进行基槽大开挖，避免了深基坑开挖的高施工风险，有效降低施工对环境的破坏；

④本方案专业的施工设备提高了预应力外加固作业的装备化程度，同时可有效降低施工费用，提高施工效能，更好地保证加固效果。

综上所述，此施加体外预应力对PCCP断丝管的加固方案，加固效果良好，拓宽了PCCP管道外加固的技术领域，有很高的市场推广价值。