干货！CFRP内衬法加固预应力钢筒混凝土管的内水压力试验研究

摘  要：通过内水压力试验，研究了CFRP内衬法加固预应力钢筒混凝土管（PCCP）的结构力学性能和破坏模式，并采用光纤布拉格光栅（FBG）感测技术测试了试验过程中PCCP各层结构和CFRP内衬的变形情况，得到了内水压力作用下PCCP结构的力学响应规律。同时，模拟了在所有预应力失效的情况下，PCCP的力学性能及破坏情况。结果表明，在内水压力为1.8 MPa时，PCCP原管管芯混凝土开裂，而CFRP加固管在加压至1.9 MPa后发生开裂，表明CFRP内衬能够有效增强管芯混凝土的延性，有效延缓管芯混凝土开裂，提高PCCP抗裂性能。同时，CFRP内衬法加固所有预应力失效的PCCP能够承受原设计内水压力，表明CFRP内衬能够恢复受损严重PCCP的承载能力。

关键词：预应力钢筒混凝土管（PCCP）；碳纤维增强复合材料（CFRP）内衬；内水压力试验；加固；抗裂性能

0   前言

预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，以下简称PCCP）具有承载力高、接头密封性好、耐久性强、抗震性能强、维修费用较低等优点，在中国、美国、加拿大、利比亚等***的长距离引水调水、市政排水、电厂循环水等工程得到了广泛应用。

2019年是中国引进PCCP三十周年，目前，两万多公里的PCCP形成了中国巨大的输水调水超级管网，在国计民生中发挥着重要作用。

随着PCCP行业进一步的发展，为保证管道安全运行、消除其安全隐患，很多国内外学者对PCCP结构性修复更换技术进行了研究。目前，针对PCCP受损管加固方法按照施工方式主要分为外部法和内部法，外部法需要开挖，内部法不需要开挖。外部法主要包括：换管法、体外预应力加固法、加强钢带法、外部粘贴碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，以下简称CFRP）等；内部法主要包括：CFRP内衬法、颈缩钢筒内衬法、钢管内衬法等。由于PCCP管线时常与公路、铁路、河流交叉穿行，或者近邻第三方建筑物，即无法开挖或者开挖难度较大，可采用内部法对PCCP管道进行针对性的结构修复。CFRP内衬法是通过将环向和纵向碳纤维布粘贴于管芯混凝土内壁以恢复管体承载力的一种结构性加固方法，该方法优点在于不需要开挖，不需要使用大型设备，对施工周围环境影响最小，而且施工灵活便捷，可在短时间完成，特别适用于长距离不连续的受损管结构性修复。

国外对CFRP内衬法的研究较早，LEE等和ENGINDENIZ等学者通过试验对CFRP内衬法修复PCCP受力性能和破坏特征做过一系列的研究，但由于试验成本、监测技术的限制，之前的试验研究大多局限于将管分成多个管段，且管身上布设的监测点也较少。经过30多年的摸索和实践，我国已经形成了符合中国工程环境条件的PCCP设计、制造、安装、运行的标准和规范，也积累了很多工程实践经验，但对于PCCP受损管特性和针对性加固措施研究却很少，为了研究CFRP内衬法加固PCCP结构力学性能和破坏模式，通过对两根内径2 600 mm的PCCP进行内水压力试验，采用光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，以下简称FBG）感测技术全程动态监测管体结构和CFRP内衬应变变化，获得CFRP加固管在内水压力作用下的力学响应规律，研究CFRP内衬法加固PCCP的结构力学性能和不同破坏模式，验证CFRP内衬法加固PCCP的加固效果，为CFRP内衬法加固管道试验和工程应用提供参考和借鉴。

1   试验

1.1   试验材料

1.1.1  试验管

本试验采用两根相同的试验管进行内水压力试验，编号为P1和P2。其中，P1为原管，P2为CFRP加固管。试验管P1和P2是按照GB/T 19685—2017《预应力钢筒混凝土管》和SL 702—2015《预应力钢筒混凝土管道技术规范》设计和制造的埋置式预应力钢筒混凝土管（Embedded Prestressed Concrete Cylinder Pipe，简称PCCPE），主要尺寸参数见表1。试验管管芯混凝土强度等级为C55，钢筒所用薄钢板的屈服强度为215 MPa，预应力钢丝采用冷拉钢丝，抗拉强度为1 570 MPa，张拉控制值为1 099 MPa（70%抗拉强度）。试验管工作内水压力为0.8 MPa，设计内水压力为1.12 MPa。

1.1.2   碳纤维布

采用一层纵向和四层环向高强度Ⅰ级碳纤维布对P2进行加固，碳纤维布主要参数见表2。CFRP内衬是将碳纤维布充分浸渍后粘贴在管芯内壁，再涂刷防护涂层而成，现场粘贴碳纤维布照片见图1，加固后P2加固管结构型式见图2。

1.2   监测方案

试验监测内容包括：P1和P2试验管的CFRP内衬应变、管芯内外侧混凝土应变。为得到管体完整的变形响应情况，在每个监测对象上分别选取沿管长对称的7个监测横断面，分别为0.75 m、1.75 m、2.50 m、3.00 m、3.50 m、4.25 m、5.25 m。每个监测横断面上布设一条光纤测线，每条光纤测线上间隔90°设置四个测点，其中，管芯内、外侧混凝土上的FBG测点布设于0°、90°、180°、270°位置处，CFRP内衬上的FBG测点布设于45°、135°、225°、315°位置处，见图3。所有监测数据由两台具有16通道光纤光栅解调仪自动采集，实现对监测对象的连续动态监测，如图4所示。

1.3   试验装置与步骤

采用立式水压装置对试验管进行加压。加压装置的内胆筒芯与试验管管芯之间留置100 mm宽的密封加压窄腔，通过加压水泵将水压打入该窄腔，以此模拟作用在管内的均匀水压力。

整个试验分为试验一和试验二。试验一：P1和P2试验管的内水压力试验，研究内水压力作用下原管和CFRP加固全预应力PCCP完整管的变形响应规律和加固效果；试验二：移除P2试验管的砂浆、预应力钢丝、管芯外侧混凝土，并修复管体端部的混凝土破损后进行内水压力试验，验证CFRP加固所有预应力失效PCCP损伤管的可靠性。试验过程具体如下：

试验一：①试验管提前24 h充水浸泡，以保证管芯混凝土表面湿润且管体不漏水；②初始压力0，将P1试验管逐级加压至管体开裂破坏，每级加压0.1 MPa，然后稳压5 min，以便监测设备准确采集试验数据，***记录***试验压力；③重复P1试验管加压步骤，将P2试验管逐级加压至P1试验管***试验压力，记录P1与P2试验管管体破坏情况，结束试验一。

试验二：①移除P2试验管砂浆、预应力钢丝、管芯外侧混凝土，用防水材料修复P2试验管端部破损，并在CFRP内衬上重新刷一层防水材料；②初始压力0，将P2试验管逐级加压至管体开裂破坏，每级加压0.1 MPa，然后稳压5 min，记录P2试验管***试验压力和管体破坏情况。

2  试验结果

2.1   试验一试验现象

试验一加压过程中，P1和P2试验管中内水压力逐级增加至***压力2.25 MPa，观察管体破坏情况，P1和P2试验管加压过程中破坏情况见表3。

2.3   试验一结果讨论

P1和P2试验管管芯混凝土与CFRP内衬随内水压力的变形曲线见图5。

由图5可知，当内水压力在0~1.8 MPa范围内时，P1试验管管芯内、外侧混凝土应变随内水压力增加而呈线性增长，管体处于弹性阶段；当内水压力在1.8~1.9 MPa范围内时，P1试验管管芯外侧混凝土应变曲线随内水压力增加近似垂直上升，其***应变达1 796.2με，出现可见的裂缝；当内水压力大于1.9 MPa时，P1试验管管芯外侧混凝土应变随压力增大继续增大。由于管芯外侧混凝土开裂，管芯内侧混凝土形成贯穿裂缝，水通过裂缝直接作用在钢筒内表面，内水压力基本由钢筒和预应力钢丝承担。因此，P1试验管管芯内侧混凝土应变随内水压力变化较小。

在内水压力作用下，P2试验管管体各层结构的变形响应规律与P1基本一致。其中，CFRP内衬与管芯内侧混凝土的变形规律一致。当内水压力为0~1.9 MPa时，P2试验管管芯内、外侧混凝土、CFRP内衬应变随内水压力增加而呈线性增长，管体处于弹性阶段。当内水压力达到0.8 MPa时，P2试验管管芯内侧混凝土的应变[图5（a）中b点位置]比P1试验管管芯内侧混凝土应变[图5（a）中a点位置]小52.6%。当内水压力达1.8 MPa时，P2试验管管芯外侧混凝土的应变[图5（b）中d点位置]比P1试验管管芯外侧混凝土应变[图5（b）中c点位置]小31.8%。当内水压力为1.9~2.0 MPa时，随内水压力增大，P2试验管管芯内侧混凝土变形不明显，管芯外侧混凝土应变曲线近似垂直上升，***应变达到3 849.5με，并出现可见裂缝。当内水压力大于1.9 MPa时，P2试验管管芯外侧混凝土应变随内水压力增大继续增大。在试验一结束后查看管体内部破坏情况，发现CFRP内衬未破坏，而承口处管芯内侧混凝土开裂，与接头环之间形成缝隙。试验一中的水通过缝隙渗流至CFRP内衬背面，使得CFRP内衬在加压后期没有发挥主要的承载作用，在试验二阶段对CFRP内衬性能进行重新测试。

在弹性阶段，CFRP内衬与试验管各层结构形成整体共同抵抗内水压力，CFRP内衬对管芯内侧混凝土受力状态影响最为明显，相同内水压力下，P2试验管管芯混凝土变形明显小于P1试验管，CFRP内衬作用限制了管芯混凝土裂缝的出现和扩展，增加了其延性。但管芯混凝土开裂后，水通过缝隙渗流至CFRP内衬背面影响CFRP内衬继续发挥作用。综上所述，CFRP内衬提高了管体强度和抗裂承载能力，增加了管芯混凝土延性。

2.4   试验二结果讨论

P2试验管管芯内侧混凝土与CFRP内衬随内水压力的变形曲线见图6。

当内水压力为0~1.23 MPa时，P2试验管管芯内侧混凝土与CFRP内衬应变随内水压力增加而增大，CFRP内衬、管芯内侧混凝土和钢筒组成一个新的整体共同抵抗内水压力，CFRP内衬与管芯内侧混凝土变形协调，CFRP内衬提高了所有预应力失效的PCCP管体强度。当内水压力为1.2~1.3MPa时，由于钢筒漏水，CFRP内衬出现撕裂，***压力可达1.23 MPa，约为设计压力1.12 MPa的1.1倍，说明CFRP内衬能够有效恢复所有预应力失效PCCP的设计承载能力。试验结束后，观察管体内部破坏情况发现，靠近承口位置处CFRP内衬发生环向撕裂，这是由于钢筒屈服导致CFRP内衬局部产生较大切向应力，CFRP内衬发生纵向屈曲。

3   结论

（1）在内水压力作用下，CFRP内衬与管芯内侧混凝土变形协调一致，CFRP内衬对管芯内侧混凝土的受力状态影响最为明显，可调节其受力并延缓其开裂。

（2）CFRP内衬局部受到较大的切向应力可能会导致其纵向屈曲。因此，需要足够的纵向CFRP层数来增加纵向强度保证加固管在使用寿命期间内安全、可靠地运行。

（3） CFRP加固全预应力PCCP，能够增强管芯混凝土延性，并且有效提高管体强度和抗裂承载能力；CFRP加固无预应力PCCP损伤管能够承担设计压力，满足设计荷载要求，说明CFRP加固PCCP效果明显。