胡少伟 汪 旭 任姝璇 朱开源

(重庆大学 重庆 400045)

0 引言

预应力钢筒混凝土管(Prestressed concrete cylinder pipe,PCCP)是由混凝土管芯、钢筒、高强预应力钢丝和砂浆保护层4 部分组成的大型复合输水管，是在带钢筒的混凝土管芯上环向缠绕预应力钢丝并在其上辊射砂浆保护层而制成的[1−4]。PCCP在我国已经有30年的使用历程，累计使用里程3 万多千米[5]。PCCP 的应用大多为国家基础建设重大工程，敷设里程巨大，关乎国计民生，其结构安全性和运行的稳定性是值得重点关注的技术问题。

由于PCCP 管道在生产和施工中就会产生一定缺陷，运营过程中还将承受极大的水压，环境复杂，易遭侵蚀，达到一定工作时间后PCCP管道的砂浆保护层会出现开裂和剥落，导致预应力钢丝遭受腐蚀进而断裂，最终出现爆管等严重后果[1−4]。因此，对PCCP 砂浆保护层的裂缝发展进行监测能够有效预测和预防力钢丝的断裂。目前，关于PCCP砂浆保护层开裂监测的研究很少，本文在基于此背景下，利用PZT表面应力波动法对PCCP保护层裂缝发展进行数值仿真研究，结果表明该方法对裂缝发展敏感，有极强的实用价值。

1 模型的建立与优化

1.1 几何尺寸及材料参数

在本文数值仿真研究中，利用ABAQUS 有限元软件模拟了对埋置式PCCP 砂浆保护层的开裂监测，所选用的压电材料为PZT-5A。PCCP从内而外依次为内管芯、钢筒、外管芯、预应力钢丝、砂浆保护层，如图1所示。PCCP实体模型尺寸及其材料参数列于表1～2中。

图1 PCCP 模型Fig.1 PCCP model

表1 PCCP 模型各组分尺寸Table 1 Sizes of PCCP Components(单位：mm)

表2 材料参数Table 2 Materials parameters

PCCP 在实际生产、施工、运营过程中可能出现的裂缝形式有环向裂缝和纵向裂缝。……