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。

基于原型试验的输水工程PCCP断丝信号智能识别与分析方法

在引调水工程中,钢丝断裂易导致预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe,PCCP)出现结构破坏和功能失效。本研究通过智能学习模型分析原型试验信号特征并判别断丝类型。采用内径3.4 m,长度5 m埋置式PCCP开展断丝原型试验,利用分布式光纤传感器分别对切割断丝、腐蚀断丝和敲击噪声信号进行实时监测,并基于短时傅里叶变换和深度学习模型重构断丝信号,最终利用支持向量机建立了断丝信号识别模型。以Inception-ResNet-v2重构信号的断丝识别模型最低和最高准确率分别为92.9%和100%,之后利用t-SNE证明了信号重构的有效性。本研究结合不同智能学习方法实现了PCCP断丝类型的有效判别,为其长期运行断丝监测及预警分析提供了新的手段。

一种融合Φ-OTDR和MZI的PCCP断丝监测系统

设计了一种融合相位敏感型光时域反射计(Φ-OTDR)和马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的预应力钢筋混凝土管(PCCP)断丝监测系统。通过引入优化的IQ解调算法,减少了40%以上的数据运算量。实验结果证明该系统的单端测量距离不低于20 km,频率响应不低于20 kHz,空间定位误差在±2 m以内,具备长距离定位断丝故障和分辨振动事件特征频率的能力,为PCCP的全生命周期在线结构健康监测提供了一种可靠的技术手段。

大口径PCCP断丝加固技术工程应用和效果评价

针对埋地预应力钢筒混凝土管(PCCP)的断丝现象,介绍了常用的三种加固方案,即在断丝管节内壁粘贴碳纤维片材、对断丝管节进行体外预应力加固以及更换断丝管节进行修补加固。为了验证这些加固技术的应用效果,对断丝管节加固前后的断丝数据及冬、夏季典型时段断丝数据进行了分析,并对加固方案效果进行了评价。结果表明:碳纤维加固不能显著减少断丝的持续发生;体外预应力加固效果明显,可基本解决断丝的发生,是相对可靠的断丝管节加固技术;更换断丝管节需耗费大量的人、财、物,适用于管线应急修复。

车木河水库长距离引水管线优化设计

结合车木河水库引水管线(三期)工程,从地质条件、输水方式、管道安全性、征拆难度、施工难度、工期、运行维护、工程投资等方面出发,综合优化比选出最佳输水线路;从管材性能、水利条件、施工条件、工程投资等因素出发,综合优化比选出该项目最优管材,并总结了长距离输水线路及管材优化比选原则。该次设计优化在保证供水安全性的同时,极大地减少了工程投资。

驮英灌区东干渠输水工程PCCP水压试验的方法

在长距离倒虹吸工程预应力钢筒混凝土管安装施工完成后,需对管道进行水压试验,以检验施工安装质量,确保满足管道在后续运行中的使用功能。笔者以广西驮英灌区东干渠输水工程东门倒虹吸为例,对长距离大口径预应力钢筒混凝土管水压试验段划分、分段处堵板和后背设计以及试验压力确定进行论述,详细阐述分段水压试验方法和步骤。试验结果满足规范及设计要求,并有效地检验管道安装质量,为以后类似工程积累经验,具有一定的参考价值。

PCCP插口环与钢筒焊缝微渗漏处理工艺研究

针对PCCP插口环与钢筒焊缝微渗漏处的问题,采用内角焊缝焊接+高压注胶+内缝填充+涂刷聚脲封面的综合处理工艺,对微渗漏问题进行了有效处理。整体水压试验及长期运行效果均表明,该工艺处理效果较理想。

预应力钢筒混凝土管结构变形规律的原型试验研究Ⅱ:外压

PCCP是由混凝土管芯、钢筒、预应力钢丝以及砂浆保护层构成的复合结构,不但承受内水荷载,还有外部土荷载、管体自重与水重、活荷载以及临时堆土等外荷载作用,在外荷载作用下PCCP的变形规律与内荷载的变形规律完全不同。为研究PCCP在极限外荷载作用下的变形规律,在国内外首次采用BOTDA和FBG光纤传感技术,并将光纤在PCCP制造过程中植入钢筒表面,采用三点试验法对内径2.6 m埋置式PCCP原型管进行了外荷载试验,在加载过程中连续测试PCCP各层结构的应变响应。通过深入分析测试数据发现,在三点法试验加载过程中,管体结构各层材料的变形与外荷载正比相关,钢筒外侧管芯混凝土与钢丝的变形协调一致,钢筒内侧管芯混凝土与钢筒的变形基本协调一致。管腰处管芯混凝土外侧和钢丝受拉,管腰处管芯混凝土内侧和钢筒受压,管顶和管底则与之相反,但变形协调规律一致。外荷载原型试验获得了PCCP各层结构受载响应规律,为PCCP结构深层次的基础理论研究和工程应用提供了宝贵的试验资料。

超大口径预存裂缝的预应力钢筒混凝土管结构分析与试验研究

针对南水北调工程中预应力钢筒混凝土(PCCP)管芯混凝土预存裂缝问题,通过对原型管道的抗裂外压承载力试验,探讨了预存管芯外壁纵向裂缝对承载力的影响,分析了混凝土管的受力特性。试验结果表明,PCCP在抗裂外压检验荷载下,其破坏主要发生在管顶、管底内侧管芯混凝土和管腰外侧砂浆保护层的受拉破坏。基于ABAQUS有限元分析,选用混凝土塑性损伤模型,对PCCP抗裂外压试验进行结构数值模拟,数值计算与试验结果一致。计算结果表明,管芯混凝土预存裂缝对PCCP抗裂外压极限荷载影响不大,但在外载作用下,预存裂缝会对混凝土、砂浆保护层出现应力集中现象,从而导致裂缝的发生与扩展。

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阴极保护技术应用介绍

预应力钢筒混凝土管(PCCP)在国内的供水工程中已得到了广泛认可,应用越来越多,南水北调北京段就采用了DN4000mm的PCCP管。为防止PCCP管中钢质结构(钢筒和预应力钢丝)的腐蚀,国外对PCCP管道采用了阴极保护技术,成功克服了PCCP管的腐蚀,延长了PCCP管的使用寿命。介绍了利比亚"大人工河"及国际上几个工程中PCCP管道的防腐蚀做法,分析了造成PCCP管腐蚀的机理和应采用的防护方法和标准;并针对南水北调北京段PCCP管的保护,介绍了采用带状锌牺牲阳极进行保护的设计理念和方法。

软土地基上影响预应力钢筒混凝土管相对转角关键因素研究

预应力钢筒混凝土输水管线(PCCP)已广泛应用于地下输水工程,特别是南水北调工程。管道接口属于半刚性结构,相邻管道可产生一定的自由转角,在自由转角范围内两管之间不会产生内力。当相对转角大于自由转角时,两管会产生相互作用力,作用力过大会导致PCCP管的破坏,如何有效地控制不均匀软土地基上相邻管道转角成为研究管道安全的关键问题之一。首先分析了导致PCCP管线产生相对转角的机制,结合现场试验和数值分析对控制PCCP管线相对转角的关键因素进行研究。研究表明,相对转角的敏感因素为管道底部碎石垫层厚度、腰部以下砂垫层(砂包角)厚度和压实度,随着碎石垫层厚度增大、砂垫层(砂包角)厚度和压实度增加,管线相对转角降低,通过控制这3个因素可有效控制PCCP管的相对转角。研究成果可为软土地基上PCCP输水工程设计提供依据和指导。

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.

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。

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。

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。

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。

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。

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.