PCCP管芯混凝土防裂控裂技术研究进展

预应力钢筒混凝土管(PCCP)在我国引调水工程中发挥着重要作用,PCCP运行的安全性对水资源的配置至关重要,关系国计民生。当管芯混凝土内表面产生有害裂缝后,在水压力的作用下会引起内管芯混凝土破坏,导致钢筒被锈蚀,形成安全隐患,因此,针对管芯内壁混凝土裂缝预防和控制的研究对水资源的合理利用具有重大意义。为了预防和减少PCCP内壁出现有害裂缝,根据国内外学者的研究成果,概述了PCCP管芯内壁混凝土裂缝的种类和形式,即纵向裂缝、螺旋裂缝和插口端裂缝;总结了干燥收缩、沉降收缩、温度收缩、焊缝、缠丝应力、吊装运输等因素与PCCP内壁混凝土裂缝的关系;分别从PCCP设计、原材料、配合比、养护制度、焊缝、钢筒、插口和裂缝自愈合、纤维增强材料等方面总结了PCCP管芯内壁裂缝的预防和控制方法。最后,对PCCP管芯混凝土内壁裂缝的控制和预防进行了展望,为继续研究提供思路。

供水工程中长距离直顶PCCP管施工技术分析

长距离供水工程管线施工,往往因地形、施工条件的限制而选择顶管施工,穿越铁路、公路、市内重要建筑物等采用直顶PCCP管道较多。结合山西省辛安泉供水改扩建工程某施工标318m长度的直顶PCCP管的施工案例,从前期准备、顶力计算、施工过程控制等各方面进行分析研究,为长距离直顶PCCP管施工技术在水利工程中的应用提供了参考。

超大口径PCCP管内水压承载能力试验

采用原型现场试验的方法,分析PCCP的管内水压试验方法、破坏特征和承载机理。详细叙述了试验前试件成型与测量方案,阐述了内水压承载试验的具体过程及试验破坏特征。基于试验结果分析了PCCP的承载机理:PCCP较普通混凝土管承载力的提高是由于预应力钢丝的作用,极限内水压时,表现为钢丝的屈服和混凝土的最终拉裂破坏,发挥了组合结构中各材料的性能。试验研究为超大口径PCCP管道的生产、施工积累了经验,为制订超大口径PCCP管道标准及其质量验收标准提供依据。

基于ABAQUS的在役PCCP管道承载水压有限元分析

结合南水北调中线工程,利用有限元软件ABAQUS建立了预应力钢筒混凝土管与地基基础相互作用的有限元计算模型,通过模拟管道在运行过程中不同的内水压力,分析管体在不同水压作下的应力变化,得出标准工作内压0.6 MPa下PCCP各部件应力均满足要求,且有较高的可靠性;内水压增加的过程中预应力钢丝中应力增长均匀,钢筒中应力增长先快后慢,混凝土中拉应力增长先慢后快;达到极限内压1.4 MPa时,混凝土管芯最大拉应力超过混凝土抗拉强度,出现裂缝,其他部件应力仍能满足要求。

预应力钢筒混凝土管(PCCP)的数值仿真分析

根据预应力钢筒混凝土管的结构型式及特点,分析国内外有关PCCP数值研究现状.采用大型有限元分析软件ANSYS研究PCCP从制造、施工到运行的各个阶段的力学特性,采取依次施加预应力、管自重、回填土压、流体自重及内水压力等荷载方法研究PCCP的结构受力特性,得出PCCP的变形、应力、裂缝在不同荷载作用下的变化规律,以及裂缝出现后PCCP的应力重分布方式,为PCCP的设计制造和运行管理提供数值仿真分析方法和路线.

远场涡流技术在PCCP断丝检测中的应用

利用远场涡流变压器耦合技术可探测预应力钢筒混凝土管中的钢丝断丝现象。介绍了钢丝断丝检测仪的基本原理,当预应力钢筒混凝土管出现钢丝断丝时会对两次穿透管壁的远场涡流信号产生幅度和相位上的畸变,利用这一现象就可以实现对预应力钢筒混凝土管钢丝断丝根数和断丝位置进行判断;通过试验对该方法进行了验证。

预应力钢筒混凝土管(PCCP)的计算方法

在山西省万家寨引黄工程、南水北调等重大工程之中,采用了预应力钢筒混凝土管(PCCP),如何对其进行计算分析十分重要。在此,对现有的结构计算与数值计算这两类PCCP计算方法进行了全面的综述与评价,分析其各自的优势与局限性,并给出算例加以说明,最后指出了未来PCCP计算方法的可能突破方向与发展趋势。

预应力钢丝松弛对超大口径PCCP承载能力的影响

以南水北调中线工程为背景,利用光纤光栅计测取预应力钢丝实际松弛量。基于试验结果,采用非线性有限元法建立了PCCP承载数值计算分析模型,进行了钢丝预应力松弛对PCCP承载能力的影响研究。计算结果表明:在正常使用极限状态和弹性极限状态下,PCCP内压值随预应力松弛量的增加而减小;在承载能力极限状态时PCCP内压值保持不变。基于现场测试结果和计算结果,评价了预应力松弛对PCCP承载能力的影响,为PCCP的生产和运行积累了工程经验,为制定超大口径PCCP标准以及质量验收提供依据。

预应力钢筒混凝土管(PCCP)的破坏模式及原因分析

将PCCP的破坏模式归纳为沿环向和纵向破坏两大类,指出PCCP破坏的原因主要包括设计、制造、安装、环境和运行这5个方面,并结合几个典型的工程实例,对PCCP的破坏类型和原因进行了分析。

PCCP内壁复式碳纤维加固技术及应力计算分析

现有碳纤维加固预应力钢筒混凝土管(PCCP)技术不能有效发挥碳纤维的作用,也无法有效地抑制PCCP的变形和裂缝的扩展。为此,提出了PCCP内壁复式碳纤维加固技术,即在碳纤维与PCCP之间增设高压缩弹性垫层,研制出具有压缩量大、本体强度高、抗渗、与混凝土粘接强度大等特点的高压缩弹性垫层材料。根据弹性力学推导出内壁复式碳纤维加固PCCP的弹性解,并分别计算了在不同内水压力作用下对三种直径PCCP的应力分布情况。结果表明,当弹性垫层厚度为5 mm时,碳纤维的应力增加4.2~4.6倍,即增设弹性垫层后碳纤维加固PCCP的作用显著增加,作用于PCCP的内压明显减少;对于同一管径的PCCP,在固定内水压力下,随着高压缩弹性垫层厚度的增加,碳纤维的应力近似呈线性提高,碳纤维承担内水压力的比例也近似呈线性提高。

超大口径PCCP内断丝对其承载能力影响研究

以南水北调中线工程为背景,进行PCCP断丝原型试验,基于试验结果,利用杆单元模拟钢丝,采用等效降温法施加钢丝预应力,建立PCCP承载数值计算分析模型,基于非线性有限元理论,选取混凝土塑性损伤模型,对超大口径PCCP断丝问题进行承载能力和受力状态分析。计算结果表明:PCCP管芯混凝土损伤开裂位置为断丝对应区域,断丝数增加加剧了管芯混凝土的开裂破坏;断丝数增加急剧降低了PCCP的承载性能;当断丝数达到一定根数时,管芯混凝土更易开裂,在有内水压力作用时,将加剧钢筒和钢丝层的腐蚀,影响PCCP长久运行。

基于涡流原理PCCP断丝的无损检测方法研究

基于涡流原理,提出一种PCCP(预应力钢筒混凝土管)断丝的无损检测方法;即:将PCCP视为放大后的类似金属管道,预应力钢丝作为主体结构,检测时利用内含线圈的探头在管内形成涡流,涡流产生磁场反作用于探头磁场,引起探头内磁通量的变化。通过采集探头阻抗波动即可获取磁通量变化,分析阻抗波动过程就能够推测出PCCP预应力钢丝的损伤情况。通过电磁感应和等效电路建立关联方程,推导阻抗波动公式,并在阐述试验方法的基础之上,初步论证了该方法的可行性。

考虑温度效应的PCCP蒸养阶段温度场分析

为精确模拟预应力钢筒混凝土管(PCCP)在蒸汽养护阶段的温度场,考虑温度与化学反应速率的关系,根据Arrhenius方程引入温度影响因子,提出新的混凝土水化度公式,并根据不同养护温度下的水泥水化热试验数据,拟合了不同温度下混凝土实际龄期时所对应的水化度公式.结果表明:所拟合的水化度公式拟合效果较好;将用水化度表示的混凝土导热系数和水化热参数应用于工程实际,与传统的分析结果相比,PCCP温度场的温度值有所提高,与工程实际更为贴近.

南水北调中线工程超大口径PCCP外载试验研究

采用原型现场试验的方法,分析了南水北调中线工程PCCP管道的外载试验方法、破坏特征和承载机理。制订了试件成型与测量方案,得到外载试验的具体过程、试验破坏特征以及开裂荷载,最后基于试验现象与试验结果分析了PCCP管的破坏位置,即裂缝出现在管顶与管底的内侧管芯混凝土和管侧的砂浆保护层,裂缝出现后迅速沿管身贯通,裂宽增加,裂缝条数稳定。试验为超大口径PCCP管道的生产、施工积累了经验,为制订超大口径PCCP管道标准以及质量验收标准提供依据。

PCCP受载响应全过程有限元分析

基于陕西杨凌供水工程,建立预应力钢筒混凝土管(PCCP)的三维非线性有限元模型,研究了PCCP在全寿命各个阶段的受力特性和结构性能,得到PCCP各阶段应力状态和裂缝开展的规律。分析结果表明:(1)缠丝后由于管芯在预应力作用下的收缩变形,钢丝可能发生4%的预应力损失;(2)在预应力作用下管芯混凝土全截面受压,最大压应力在管道内侧,且由内到外线性递减;(3)在土荷载和管道自重作用下,砂浆层出现裂纹,管道发生椭圆形变形,在内水压力作用下,管道有外扩的趋势。

PCCP输水工程设计应用常见问题研究

结合预应力钢筒混凝土管(PCCP)输水工程设计实践,对其设计应用中存在的一些问题,诸如,采用标准的合理性、管材设计荷载的正确选择、接头试验压力选择、管芯混凝土强度、厚度和缠丝面积的优化等进行了研究,旨在促进设计参数选择合理,保证工程建设安全可靠并节省工程投资。同时,提出了一些相关建议,可供类似工程参考。

CFRP修复PCCP断丝管的试验研究

为了验证CFRP修复PCCP断丝管的效果,采用两根内径2.6m的PCCP,管A为原管,管B为在管芯混凝土内表面粘贴CFRP的加固管,在不同内压作用下进行断丝,研究最不利情况下PCCP断丝破坏特征。管A在内水压力0.9MPa,断丝40根时,断丝区管芯混凝土应变突增,出现宏观裂缝,发生脆性破坏;管B在同样内水压力断丝70根时,断丝区管芯混凝土微裂缝持续扩展,继续加压至0.95 MPa时,管芯混凝土出现宏观裂缝,而非断丝区管芯混凝土受断丝影响不大。试验结果表明粘贴在管芯混凝土内壁上的CFRP与PCCP结构联合承载,在管芯混凝土出现微裂缝后参与应力重分布,限制了管芯混凝土裂缝的开展,调整了管体结构的受力状态,CFRP补强加固PCCP断丝管的效果明显。

PCCP断丝数量对内压承载力的影响

采用降温法模拟PCCP中预应力钢丝产生的预应力,通过调整降温值来控制钢丝中预应力的大小,在没有断丝的部位预应力值为一常量。针对0.6MPa和0.8MPa的工作内压,直径2.6m、3.2m和4m的PCCP分别设定不同的断丝率,通过三维有限元计算,研究了PCCP断丝数量对内压承载力的影响。

PCCP断丝的电磁法检测技术研究及其应用

基于远场涡流检测的基本原理,给出了PCCP断丝检测的硬件检测系统,并通过搭建PCCP断丝检测平台,解决了PCCP断丝在检测中的灵敏度问题、断丝位置与检测信号相位之间的关系、断丝数目与检测信号幅度之间的关系等关键技术。为进一步进行PCCP断丝检测工程化应用,给出了PCCP断丝检测仪器标定曲线的标定标准。通过被测管道数据曲线与标定曲线的比较,可以定量判断管道内钢丝断丝的数量。

PCCP管道结构承受内水压的全过程分析

通过分析与推导,研究预应力钢筒混凝土管(PCCP)承受内水压荷载下的全过程。将PCCP承受内水压荷载从弹性到屈服分为3个阶段:①弹性阶段;②混凝土开裂阶段;③钢丝屈服阶段。在混凝土开裂阶段建立正交异性模型,计算混凝土的应力,递推钢丝的应力,从而以判断钢丝的屈服来判断PCCP的屈服,最后得出PCCP混凝土的开裂内水压荷载以及钢丝屈服时的内水压值,并与试验进行了比较。