干貨！CFRP內襯法加固預應力鋼筒混凝土管的內水壓力試驗研究

摘  要：通過內水壓力試驗，研究了CFRP內襯法加固預應力鋼筒混凝土管（PCCP）的結構力學性能和破壞模式，并采用光纖布拉格光柵（FBG）感測技術測試了試驗過程中PCCP各層結構和CFRP內襯的變形情況，得到了內水壓力作用下PCCP結構的力學響應規律。同時，模擬了在所有預應力失效的情況下，PCCP的力學性能及破壞情況。結果表明，在內水壓力為1.8 MPa時，PCCP原管管芯混凝土開裂，而CFRP加固管在加壓至1.9 MPa后發生開裂，表明CFRP內襯能夠有效增強管芯混凝土的延性，有效延緩管芯混凝土開裂，提高PCCP抗裂性能。同時，CFRP內襯法加固所有預應力失效的PCCP能夠承受原設計內水壓力，表明CFRP內襯能夠恢復受損嚴重PCCP的承載能力。

關鍵詞：預應力鋼筒混凝土管（PCCP）；碳纖維增強復合材料（CFRP）內襯；內水壓力試驗；加固；抗裂性能

0   前言

預應力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，以下簡稱PCCP）具有承載力高、接頭密封性好、耐久性強、抗震性能強、維修費用較低等優點，在中國、美國、加拿大、利比亞等***的長距離引水調水、市政排水、電廠循環水等工程得到了廣泛應用。

2019年是中國引進PCCP三十周年，目前，兩萬多公里的PCCP形成了中國巨大的輸水調水超級管網，在國計民生中發揮著重要作用。

隨著PCCP行業進一步的發展，為保證管道安全運行、消除其安全隱患，很多國內外學者對PCCP結構性修復更換技術進行了研究。目前，針對PCCP受損管加固方法按照施工方式主要分為外部法和內部法，外部法需要開挖，內部法不需要開挖。外部法主要包括：換管法、體外預應力加固法、加強鋼帶法、外部粘貼碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，以下簡稱CFRP）等；內部法主要包括：CFRP內襯法、頸縮鋼筒內襯法、鋼管內襯法等。由于PCCP管線時常與公路、鐵路、河流交叉穿行，或者近鄰第三方建筑物，即無法開挖或者開挖難度較大，可采用內部法對PCCP管道進行針對性的結構修復。CFRP內襯法是通過將環向和縱向碳纖維布粘貼于管芯混凝土內壁以恢復管體承載力的一種結構性加固方法，該方法優點在于不需要開挖，不需要使用大型設備，對施工周圍環境影響最小，而且施工靈活便捷，可在短時間完成，特別適用于長距離不連續的受損管結構性修復。

國外對CFRP內襯法的研究較早，LEE等和ENGINDENIZ等學者通過試驗對CFRP內襯法修復PCCP受力性能和破壞特征做過一系列的研究，但由于試驗成本、監測技術的限制，之前的試驗研究大多局限于將管分成多個管段，且管身上布設的監測點也較少。經過30多年的摸索和實踐，我國已經形成了符合中國工程環境條件的PCCP設計、制造、安裝、運行的標準和規范，也積累了很多工程實踐經驗，但對于PCCP受損管特性和針對性加固措施研究卻很少，為了研究CFRP內襯法加固PCCP結構力學性能和破壞模式，通過對兩根內徑2 600 mm的PCCP進行內水壓力試驗，采用光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，以下簡稱FBG）感測技術全程動態監測管體結構和CFRP內襯應變變化，獲得CFRP加固管在內水壓力作用下的力學響應規律，研究CFRP內襯法加固PCCP的結構力學性能和不同破壞模式，驗證CFRP內襯法加固PCCP的加固效果，為CFRP內襯法加固管道試驗和工程應用提供參考和借鑒。

1   試驗

1.1   試驗材料

1.1.1  試驗管

本試驗采用兩根相同的試驗管進行內水壓力試驗，編號為P1和P2。其中，P1為原管，P2為CFRP加固管。試驗管P1和P2是按照GB/T 19685—2017《預應力鋼筒混凝土管》和SL 702—2015《預應力鋼筒混凝土管道技術規范》設計和制造的埋置式預應力鋼筒混凝土管（Embedded Prestressed Concrete Cylinder Pipe，簡稱PCCPE），主要尺寸參數見表1。試驗管管芯混凝土強度等級為C55，鋼筒所用薄鋼板的屈服強度為215 MPa，預應力鋼絲采用冷拉鋼絲，抗拉強度為1 570 MPa，張拉控制值為1 099 MPa（70%抗拉強度）。試驗管工作內水壓力為0.8 MPa，設計內水壓力為1.12 MPa。

1.1.2   碳纖維布

采用一層縱向和四層環向高強度Ⅰ級碳纖維布對P2進行加固，碳纖維布主要參數見表2。CFRP內襯是將碳纖維布充分浸漬后粘貼在管芯內壁，再涂刷防護涂層而成，現場粘貼碳纖維布照片見圖1，加固后P2加固管結構型式見圖2。

1.2   監測方案

試驗監測內容包括：P1和P2試驗管的CFRP內襯應變、管芯內外側混凝土應變。為得到管體完整的變形響應情況，在每個監測對象上分別選取沿管長對稱的7個監測橫斷面，分別為0.75 m、1.75 m、2.50 m、3.00 m、3.50 m、4.25 m、5.25 m。每個監測橫斷面上布設一條光纖測線，每條光纖測線上間隔90°設置四個測點，其中，管芯內、外側混凝土上的FBG測點布設于0°、90°、180°、270°位置處，CFRP內襯上的FBG測點布設于45°、135°、225°、315°位置處，見圖3。所有監測數據由兩臺具有16通道光纖光柵解調儀自動采集，實現對監測對象的連續動態監測，如圖4所示。

1.3   試驗裝置與步驟

采用立式水壓裝置對試驗管進行加壓。加壓裝置的內膽筒芯與試驗管管芯之間留置100 mm寬的密封加壓窄腔，通過加壓水泵將水壓打入該窄腔，以此模擬作用在管內的均勻水壓力。

整個試驗分為試驗一和試驗二。試驗一：P1和P2試驗管的內水壓力試驗，研究內水壓力作用下原管和CFRP加固全預應力PCCP完整管的變形響應規律和加固效果；試驗二：移除P2試驗管的砂漿、預應力鋼絲、管芯外側混凝土，并修復管體端部的混凝土破損后進行內水壓力試驗，驗證CFRP加固所有預應力失效PCCP損傷管的可靠性。試驗過程具體如下：

試驗一：①試驗管提前24 h充水浸泡，以保證管芯混凝土表面濕潤且管體不漏水；②初始壓力0，將P1試驗管逐級加壓至管體開裂破壞，每級加壓0.1 MPa，然后穩壓5 min，以便監測設備準確采集試驗數據，***記錄***試驗壓力；③重復P1試驗管加壓步驟，將P2試驗管逐級加壓至P1試驗管***試驗壓力，記錄P1與P2試驗管管體破壞情況，結束試驗一。

試驗二：①移除P2試驗管砂漿、預應力鋼絲、管芯外側混凝土，用防水材料修復P2試驗管端部破損，并在CFRP內襯上重新刷一層防水材料；②初始壓力0，將P2試驗管逐級加壓至管體開裂破壞，每級加壓0.1 MPa，然后穩壓5 min，記錄P2試驗管***試驗壓力和管體破壞情況。

2  試驗結果

2.1   試驗一試驗現象

試驗一加壓過程中，P1和P2試驗管中內水壓力逐級增加至***壓力2.25 MPa，觀察管體破壞情況，P1和P2試驗管加壓過程中破壞情況見表3。

2.3   試驗一結果討論

P1和P2試驗管管芯混凝土與CFRP內襯隨內水壓力的變形曲線見圖5。

由圖5可知，當內水壓力在0~1.8 MPa范圍內時，P1試驗管管芯內、外側混凝土應變隨內水壓力增加而呈線性增長，管體處于彈性階段；當內水壓力在1.8~1.9 MPa范圍內時，P1試驗管管芯外側混凝土應變曲線隨內水壓力增加近似垂直上升，其***應變達1 796.2με，出現可見的裂縫；當內水壓力大于1.9 MPa時，P1試驗管管芯外側混凝土應變隨壓力增大繼續增大。由于管芯外側混凝土開裂，管芯內側混凝土形成貫穿裂縫，水通過裂縫直接作用在鋼筒內表面，內水壓力基本由鋼筒和預應力鋼絲承擔。因此，P1試驗管管芯內側混凝土應變隨內水壓力變化較小。

在內水壓力作用下，P2試驗管管體各層結構的變形響應規律與P1基本一致。其中，CFRP內襯與管芯內側混凝土的變形規律一致。當內水壓力為0~1.9 MPa時，P2試驗管管芯內、外側混凝土、CFRP內襯應變隨內水壓力增加而呈線性增長，管體處于彈性階段。當內水壓力達到0.8 MPa時，P2試驗管管芯內側混凝土的應變[圖5（a）中b點位置]比P1試驗管管芯內側混凝土應變[圖5（a）中a點位置]小52.6%。當內水壓力達1.8 MPa時，P2試驗管管芯外側混凝土的應變[圖5（b）中d點位置]比P1試驗管管芯外側混凝土應變[圖5（b）中c點位置]小31.8%。當內水壓力為1.9~2.0 MPa時，隨內水壓力增大，P2試驗管管芯內側混凝土變形不明顯，管芯外側混凝土應變曲線近似垂直上升，***應變達到3 849.5με，并出現可見裂縫。當內水壓力大于1.9 MPa時，P2試驗管管芯外側混凝土應變隨內水壓力增大繼續增大。在試驗一結束后查看管體內部破壞情況，發現CFRP內襯未破壞，而承口處管芯內側混凝土開裂，與接頭環之間形成縫隙。試驗一中的水通過縫隙滲流至CFRP內襯背面，使得CFRP內襯在加壓后期沒有發揮主要的承載作用，在試驗二階段對CFRP內襯性能進行重新測試。

在彈性階段，CFRP內襯與試驗管各層結構形成整體共同抵抗內水壓力，CFRP內襯對管芯內側混凝土受力狀態影響最為明顯，相同內水壓力下，P2試驗管管芯混凝土變形明顯小于P1試驗管，CFRP內襯作用限制了管芯混凝土裂縫的出現和擴展，增加了其延性。但管芯混凝土開裂后，水通過縫隙滲流至CFRP內襯背面影響CFRP內襯繼續發揮作用。綜上所述，CFRP內襯提高了管體強度和抗裂承載能力，增加了管芯混凝土延性。

2.4   試驗二結果討論

P2試驗管管芯內側混凝土與CFRP內襯隨內水壓力的變形曲線見圖6。

當內水壓力為0~1.23 MPa時，P2試驗管管芯內側混凝土與CFRP內襯應變隨內水壓力增加而增大，CFRP內襯、管芯內側混凝土和鋼筒組成一個新的整體共同抵抗內水壓力，CFRP內襯與管芯內側混凝土變形協調，CFRP內襯提高了所有預應力失效的PCCP管體強度。當內水壓力為1.2~1.3MPa時，由于鋼筒漏水，CFRP內襯出現撕裂，***壓力可達1.23 MPa，約為設計壓力1.12 MPa的1.1倍，說明CFRP內襯能夠有效恢復所有預應力失效PCCP的設計承載能力。試驗結束后，觀察管體內部破壞情況發現，靠近承口位置處CFRP內襯發生環向撕裂，這是由于鋼筒屈服導致CFRP內襯局部產生較大切向應力，CFRP內襯發生縱向屈曲。

3   結論

（1）在內水壓力作用下，CFRP內襯與管芯內側混凝土變形協調一致，CFRP內襯對管芯內側混凝土的受力狀態影響最為明顯，可調節其受力并延緩其開裂。

（2）CFRP內襯局部受到較大的切向應力可能會導致其縱向屈曲。因此，需要足夠的縱向CFRP層數來增加縱向強度保證加固管在使用壽命期間內安全、可靠地運行。

（3） CFRP加固全預應力PCCP，能夠增強管芯混凝土延性，并且有效提高管體強度和抗裂承載能力；CFRP加固無預應力PCCP損傷管能夠承擔設計壓力，滿足設計荷載要求，說明CFRP加固PCCP效果明顯。