CFRP修复预应力钢筒混凝土管（PCCP）内压试验与数值分析

发布时间：2020-01-25 17:11

【摘要】：预应力钢筒混凝土管(PCCP)由混凝土、预应力钢丝、钢筒和砂浆组成,其广泛应用于输水、调水、市政、水利工程。PCCP有两种类型,内衬式(PCCP-LCP)是将钢筒衬在混凝土外表面;嵌入式(PCCP-ECP)是将钢筒嵌入混凝土内部。本论文研究的是嵌入式PCCP。预应力钢丝螺旋缠绕在PCCP外侧并施加预压应力使管芯混凝土受压,承受内水压时首先抵消钢丝的预压应力,然后混凝土才由受压状态转换为受拉状态。混凝土抗拉强度低,施加预压应力可以部分抵消内水压引起的拉应力,延缓裂缝的开展,提高内水压承载力;同时在外荷载作用下钢丝又起到配筋的作用。因此,预应力钢丝对PCCP的结构至关重要。实际工程中,由于钢丝的腐蚀或者氢脆性引起钢丝断裂,少量断丝对PCCP的安全运行影响不大。当PCCP的断丝数目不断增加时,其承载力不断降低,运行风险不断增大,甚至会发生爆管事故,因此对PCCP断丝管进行补强加固的研究非常必要。目前PCCP常用的补强加固方法包括换管法、套管法、体外预应力法以及管内粘贴碳纤维形成CFRP里衬。其中,管内粘贴碳纤维的方法不用开挖管道、施工简单、工期短、对环境影响小,但国内还未完全了解和掌握其加固机理,相应的施工方法还不完全成熟。本文对PCCP断丝管的补强加固研究工作取得以下成果:1、根据PCCP的设计方法与有限元理论,结合PCCP的结构型式,确定了 PCCP数值计算的单元类型和材料本构模型。2、根据PCCP断丝管的破坏模式,确定了 PCCP断丝管极限状态划分原则,把断丝管的极限状态分为三类:运行极限状态、损伤极限状态和强度极限状态。这三种极限状态均用断丝-内压曲线表示,通过该曲线将断丝管分成不同的维修等级,为确定断丝管补强加固提供依据。3、对粘贴一纵一环CFRP的PCCP进行了原型断丝试验、粘接强度试验和CFRP室内试验。通过原型断丝试验分析了 CFRP加固后的复合管体在不同断丝阶段各种材料的力学性态;粘接强度试验检验了粘接效果;室内试验检测了 CFRP的抗拉强度和弹性模量,为PCCP断丝管补强加固设计提供依据。4、结合CFRP加固PCCP的结构特点,建立了 CFRP及CFRP-混凝土界面数值计算模型,研究加固的复合管体破坏全过程,并将原型试验结果与数值模拟进行比较,结果非常接近,验证了研究方法的正确性。绘制用于判断管道退化程度的断丝-内压曲线,确定工作压力为0.8MPa、设计压力为1.12MPa,2.6m直径PCCP补强加固后的断丝阈值。5、分析了南水北调PCCP断丝管在粘贴与不粘贴碳纤维条件下,加压过程与断丝过程中PCCP各层材料在管顶、管腰和管底的力学性态。明确了 PCCP在实际埋管状态下断丝过程中内压承载体以及CFRP发挥的作用。
【学位授予单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TV672.2

【参考文献】