奚 軍

(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024)

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預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管內(nèi)壁環(huán)形裂縫的控制

奚 軍

(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024)

針對(duì)南水北調(diào)工程中預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)內(nèi)壁易出現(xiàn)的環(huán)形裂縫問(wèn)題，通過(guò)分析環(huán)形裂縫的成因，探討了不同的管道生產(chǎn)工藝對(duì)裂縫的影響，并提出了生產(chǎn)過(guò)程中控制裂縫的一些具體措施. 結(jié)果表明：混凝土干縮和纏絲應(yīng)力是產(chǎn)生內(nèi)壁環(huán)形裂縫的主要原因，一般難以避免，但可以采取優(yōu)化混凝土配合比、 選取直徑較小的鋼絲、 提高管芯混凝土纏絲強(qiáng)度，控制強(qiáng)度指標(biāo)在45 MPa以上、 加強(qiáng)管道內(nèi)壁養(yǎng)護(hù)等措施降低裂縫出現(xiàn)的概率.

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管； 環(huán)形裂縫； 纏絲應(yīng)力； 纏絲強(qiáng)度

0 引 言

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)是在帶鋼筒的混凝土管芯上纏繞環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲，并噴涂水泥砂漿保護(hù)層而制成的管子. 由于其具有承受內(nèi)壓和外荷載高、 接頭密封好、 抗?jié)B性及耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，被大量運(yùn)用在國(guó)內(nèi)南水北調(diào)大口徑調(diào)水工程中. 由于絕大部分廠家采用鋼筒螺旋焊接工藝生產(chǎn)PCCP[1]，使得管道內(nèi)壁普遍存在環(huán)形裂縫，導(dǎo)致管道使用壽命降低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懙焦苄就鈧?cè)預(yù)應(yīng)力鋼絲，造成預(yù)應(yīng)力鋼絲銹蝕、 斷裂. 因此，嚴(yán)格控制裂縫顯得尤為重要.

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)40年代就開(kāi)始研究PCCP，對(duì)其力學(xué)行為、 退化機(jī)理、 檢測(cè)評(píng)定和維修加固等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[2-4]，并通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬、 無(wú)損傷監(jiān)測(cè)等先進(jìn)技術(shù)來(lái)控制裂縫的產(chǎn)生. 我國(guó)從80年代開(kāi)始研究PCCP，在PCCP混凝土裂縫形成的原因和機(jī)理上取得了較大進(jìn)展. 張社榮[5]等人使用有限元模型研究了PCCP在制造、 施工到運(yùn)行的各個(gè)階段的力學(xué)特性. 余洪方等[6]對(duì) PCCP 各種裂縫的產(chǎn)生原因進(jìn)行了總結(jié)，探討了消除裂縫的具體措施. 胡少偉等[7]進(jìn)行了原型管道的抗裂外壓承載力試驗(yàn)，探討了預(yù)存管芯外壁縱向裂縫對(duì)承載力的影響，分析了混凝土管的受力特性，對(duì)PCCP抗裂外壓試驗(yàn)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬. 盡管?chē)?guó)內(nèi)在PCCP混凝土裂縫的控制上取得了較大進(jìn)展，但由于“國(guó)家預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管標(biāo)準(zhǔn)”[8]允許PCCP管芯內(nèi)壁混凝土存在裂縫，使得減免裂縫和裂縫的診治處理難度加大.

本文針對(duì)河北省南水北調(diào)配套工程保滄干渠工程保定段PCCP生產(chǎn)過(guò)程中管道內(nèi)壁出現(xiàn)的環(huán)形裂縫進(jìn)行了成因分析、 不同的管道生產(chǎn)工藝對(duì)裂縫影響試驗(yàn)分析，最后提出了相應(yīng)的控制措施. 這能有效地預(yù)防和控制PCCP裂縫的形成，從而提高其使用壽命，對(duì)保定段工程(主要擔(dān)負(fù)向曲陽(yáng)、 定州、 安國(guó)、 博野、 蠡縣和高陽(yáng)6個(gè)縣(市)的7個(gè)供水目標(biāo)的供水任務(wù))的實(shí)施具有重要的理論和工程實(shí)際意義.

1 管芯內(nèi)壁環(huán)形裂縫的成因

工程第一批成品管道達(dá)到出廠要求，在管道出廠驗(yàn)收時(shí)，所有管道內(nèi)壁均發(fā)現(xiàn)有螺旋形裂縫，其中個(gè)別管道裂縫分布在整個(gè)管道內(nèi)壁，單根裂縫長(zhǎng)度近20 m，最大裂縫寬度達(dá)到0.35 mm. 按照河北省南水北調(diào)工程建設(shè)委員會(huì)頒布的“河北省南水北調(diào)配套工程水廠以上輸水工程PCCP標(biāo)準(zhǔn)管外觀質(zhì)量驗(yàn)收控制標(biāo)準(zhǔn)(試行)”，該批管道中不合標(biāo)準(zhǔn)的管道占成品的18%，這樣高的廢品率不僅造成了極大的浪費(fèi)，同時(shí)嚴(yán)重影響了管道的生產(chǎn)進(jìn)度. 管芯內(nèi)壁產(chǎn)生環(huán)形裂縫的主要原因?yàn)槿缦聝牲c(diǎn)：

1) 混凝土的干縮變形. 管道內(nèi)壁在管芯脫模后暴露于大氣環(huán)境，干縮變形便開(kāi)始作用于管道混凝土，尤其在成品管放倒后，內(nèi)壁不但完全暴露于大氣環(huán)境，而且通風(fēng)較好，因此干縮變形在此時(shí)發(fā)展較快，并隨放置時(shí)間延長(zhǎng)，整體干縮變形不斷增大[9]. 對(duì)于螺旋焊接鋼筒管道，因管芯已存在環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力，其內(nèi)壁環(huán)向干縮變形可以自由發(fā)展而減小混凝土的預(yù)壓應(yīng)力，不會(huì)由于干縮而產(chǎn)生縱向裂縫； 但縱向的干縮變形則受到鋼筒中鋼板搭接焊縫的約束不能自由發(fā)展，同時(shí)由于鋼板搭接焊縫處內(nèi)壁混凝土斷面厚度減小了1.5 mm(鋼板厚度)，成為相對(duì)的薄弱斷面，因此在該部位易產(chǎn)生由干縮引起的裂縫.

裂縫寬度與干縮變形及鋼板寬度直接相關(guān). 當(dāng)混凝土的干縮變形Es超過(guò)其極限拉伸值Etu時(shí)，混凝土就沿鋼板接縫處拉裂，隨干縮變形不斷增大，裂縫寬度也逐漸加劇，裂縫寬度始終等于鋼板寬度b乘以干縮變形Es. 裂縫寬度還與縫間的垂直距離成正比，螺旋縫寬度Wc=Etu×b[10].

后期養(yǎng)護(hù)對(duì)管道內(nèi)壁干縮裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展也有一定影響[11]，如果養(yǎng)護(hù)不到位，會(huì)導(dǎo)致管芯內(nèi)壁混凝土干縮加劇，造成原有裂縫寬度及長(zhǎng)度增加，或未出現(xiàn)裂縫的管道出現(xiàn)裂縫.

2) 預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞后，在鋼筒焊縫部位產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成該部位產(chǎn)生螺旋形裂縫[12]. 鋼筒焊縫的走向與施加預(yù)應(yīng)力的方向存在約20°的夾角，焊縫限制了內(nèi)壁混凝土延管周的自由變形，在焊縫附近產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度后，延鋼板搭接焊縫處的內(nèi)壁薄弱斷面產(chǎn)生裂縫. 尤其在高工況的管道中，纏絲總應(yīng)力較大，個(gè)別管道在纏絲完成后就出現(xiàn)了環(huán)形裂縫.

另外，纏絲用預(yù)應(yīng)力鋼絲直徑較粗，纏絲過(guò)程中局部應(yīng)力過(guò)大，也可能造成裂縫的產(chǎn)生[10,13]. 5 mm的鋼絲纏絲拉力約21.6 kN，而7 mm的鋼絲纏絲拉力約42.3 kN，鋼絲拉力相差約1倍. 相同工況下，雖然采用不同直徑鋼絲產(chǎn)生的最終總應(yīng)力基本一致，但在纏絲過(guò)程中管芯混凝土內(nèi)部應(yīng)力變化過(guò)程是不一樣的. 細(xì)直徑鋼絲對(duì)管芯混凝土內(nèi)部應(yīng)力變化影響較緩和，使得混凝土適應(yīng)應(yīng)力分配時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，有利于混凝土的整體變形，減少局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象.

2 不同生產(chǎn)工藝對(duì)管道裂縫的影響

依據(jù)上述裂縫產(chǎn)生的原因，在不影響管道生產(chǎn)質(zhì)量的前提下，對(duì)管道的相關(guān)生產(chǎn)工藝的影響因素進(jìn)行了一系列的對(duì)比試驗(yàn)，以確定影響裂縫的主要因素，從而提出有效的控制措施預(yù)防和控制裂縫的產(chǎn)生，延長(zhǎng)管道的使用壽命.

2.1 鋼筒焊接質(zhì)量及不同工況對(duì)管道的裂縫影響

對(duì)鋼筒焊縫情況進(jìn)行詳細(xì)的檢查和標(biāo)識(shí)，尤其是焊縫高度較高、 搭接寬度變化較大，以及局部搭接鋼板不平整的部位都作為重點(diǎn)在鋼筒端部進(jìn)行標(biāo)識(shí)，以便對(duì)成品管相應(yīng)部位進(jìn)行后續(xù)觀察.

該批試驗(yàn)管道共98節(jié)，其中內(nèi)壓0.6 MPa，覆土高度3 m工況的管道60節(jié)； 內(nèi)壓0.6 MPa，覆土高度5 m工況的管道38節(jié). 不同工況管道裂縫的試驗(yàn)結(jié)果如表 1 所示. 通過(guò)觀察和表 1 可以看出，首先出現(xiàn)裂縫的部位均為焊縫搭接寬度較大及局部搭接鋼板不平整的部位，而且覆土5 m的管道最先出現(xiàn)裂縫，裂縫較覆土3 m的管道嚴(yán)重. 隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，出現(xiàn)裂縫的管道數(shù)明顯增多. 7 d后，覆土3 m的有8節(jié)管道出現(xiàn)不同程度的裂縫，覆土5 m的有13節(jié)出現(xiàn)不同程度的裂縫. 綜合分析表 1 可知，纏絲總應(yīng)力較大的管道容易產(chǎn)生裂縫，同時(shí)裂縫寬度及長(zhǎng)度較大，而且首先出現(xiàn)裂縫的部位與鋼筒制作質(zhì)量有密切關(guān)系.

表1 不同工況管道裂縫統(tǒng)計(jì)表

2.2 不同直徑預(yù)應(yīng)力鋼絲對(duì)管道裂縫的影響

不同直徑的預(yù)應(yīng)力鋼絲對(duì)混凝土管芯產(chǎn)生的總預(yù)應(yīng)力基本相同，只是單根鋼絲的應(yīng)力不同，纏絲螺距不同，造成預(yù)應(yīng)力鋼絲對(duì)混凝土管芯的應(yīng)力分布的均勻性不同，較細(xì)的鋼絲應(yīng)力較均勻.

由于廠家不同直徑預(yù)應(yīng)力鋼絲的進(jìn)貨數(shù)量有限，本次試驗(yàn)分別選取5, 6, 7 mm鋼絲的管道各10節(jié)進(jìn)行了比較. 管道工況為內(nèi)壓0.6 MPa，覆土3 m，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 2. 從表 2 可以看出，隨著鋼絲直徑的減小，裂縫增加的幾率也減小，故采用細(xì)鋼絲有利于控制管道內(nèi)壁環(huán)形裂縫產(chǎn)生.

表2 不同直徑鋼絲管道裂縫統(tǒng)計(jì)表

2.3 纏絲時(shí)混凝土強(qiáng)度對(duì)管道裂縫的影響

一般情況管道混凝土纏絲強(qiáng)度不應(yīng)小于混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%[14]，該強(qiáng)度在管芯蒸養(yǎng)結(jié)束靜停1 d后基本上就能達(dá)到. 通常在管芯堆存場(chǎng)地允許的情況下，管芯需在常溫下養(yǎng)護(hù)2～3 d后才進(jìn)行纏絲，這樣可以使混凝土的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%～90%，抗拉強(qiáng)度也有所提高，使管芯內(nèi)壁混凝土可以抵抗纏絲后產(chǎn)生的局部拉應(yīng)力，以減少裂縫的產(chǎn)生.

本次抽取了在蒸養(yǎng)后常溫養(yǎng)護(hù)1 d, 2 d及 4 d的管芯各30節(jié)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，在其他條件相同(均為工況為內(nèi)壓0.6 MPa，覆土3 m管道)的情況下，記錄了不同管芯混凝土的纏絲強(qiáng)度，并跟蹤觀察成品管道內(nèi)壁的裂縫情況，結(jié)果見(jiàn)表 3. 從表 3 可以看出，混凝土纏絲強(qiáng)度的提高，從37.8 MPa 提高到46.5 MPa，最大裂縫寬度減小了27.8%，最大裂縫長(zhǎng)度減小了37.5%，可見(jiàn)混凝土纏絲強(qiáng)度的提高對(duì)管芯混凝土內(nèi)壁裂縫的控制效果明顯.

2.4 后期養(yǎng)護(hù)對(duì)管道裂縫的影響

眾所周知，灑水養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)和控制干縮裂縫有著積極的作用. 管道混凝土及砂漿充分吸水后體積增加，這部分變形稱為混凝土濕脹變形. 這種濕脹是由于水泥凝膠體吸水引起的，這里水分子起著克服凝聚力的作用，可迫使凝膠體粒子進(jìn)一步分離，從而產(chǎn)生膨脹壓力. 混凝土的濕脹，如水泥用量為 300 kg/m3的混凝土，在澆筑后180～365 d，其濕脹變形為 100×10-6～150×10-6. 可見(jiàn)，管道濕潤(rùn)所發(fā)生的濕脹是有益的，可使混凝土干縮變形減緩或得到部分恢復(fù)[13].

為了觀察后期養(yǎng)護(hù)對(duì)PCCP內(nèi)壁混凝土的環(huán)形裂縫的影響，選取兩組相同工況的管道，其中一組在噴漿完成后，僅對(duì)外保護(hù)層進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，另外一組，在噴漿后同時(shí)進(jìn)行外保護(hù)層及管道內(nèi)壁的養(yǎng)護(hù)，保證管道始終處于潮濕環(huán)境. 7 d后，放倒管道進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)未進(jìn)行內(nèi)壁養(yǎng)護(hù)的管道，約20%出現(xiàn)環(huán)裂； 而內(nèi)外同時(shí)養(yǎng)護(hù)的管道僅發(fā)現(xiàn)1節(jié)管道出現(xiàn)裂縫； 繼續(xù)養(yǎng)護(hù)7 d后，其中未進(jìn)行內(nèi)壁養(yǎng)護(hù)的管道，出現(xiàn)裂縫的管道增加到30%左右，原內(nèi)壁裂縫長(zhǎng)度及寬度均有所發(fā)展，而內(nèi)壁進(jìn)行養(yǎng)護(hù)的管道，出現(xiàn)裂縫的管道增加了1節(jié)，原內(nèi)壁裂縫長(zhǎng)度及寬度均未繼續(xù)發(fā)展. 可見(jiàn)后期養(yǎng)護(hù)可以延緩管道裂縫的擴(kuò)展.

3 結(jié) 論

本文結(jié)合南水北調(diào)PCCP工程建設(shè)的需要，分析了管道內(nèi)壁環(huán)形裂縫產(chǎn)生的原因，并對(duì)其進(jìn)行了一系列的生產(chǎn)性試驗(yàn)，得出控制裂縫的措施如下：

1) 加強(qiáng)鋼筒用薄鋼板的質(zhì)量控制，要求鋼板的平整度、 寬度等指標(biāo)應(yīng)滿足生產(chǎn)需要，同時(shí)改進(jìn)鋼筒生產(chǎn)工藝，盡量使螺旋焊接中鋼板搭接寬度小于25 mm，且寬度均勻.

2) 提高混凝土管芯的纏絲強(qiáng)度，將纏絲強(qiáng)度控制指標(biāo)提高到45 MPa以上，加強(qiáng)管芯脫模后的養(yǎng)護(hù)，纏絲前養(yǎng)護(hù)時(shí)間不小于3 d，管芯內(nèi)外應(yīng)同時(shí)灑水養(yǎng)護(hù)，以鞏固和提升管芯混凝土自身的抗裂能力.

3) 盡量采用較細(xì)的預(yù)應(yīng)力鋼絲，直徑5 mm左右，以減小纏絲螺距，使混凝土管芯受力均勻.

4) 建議管道安裝單位對(duì)現(xiàn)場(chǎng)未安裝的管道進(jìn)行管口封堵，防止穿堂風(fēng)，避免管道裂縫的產(chǎn)生或發(fā)展； 管道安裝后應(yīng)及時(shí)回填，并對(duì)長(zhǎng)期暴露的管口進(jìn)行有效的封堵.

以上結(jié)論均及時(shí)應(yīng)用于南水北調(diào)PCCP保定段工程建設(shè)中，這對(duì)保證工程質(zhì)量和工程進(jìn)度具有重要意義.

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Inner Annular Crack Control of Prestressed Concrete Cylinder Pipe

XI Jun

(Shanxi Province Survey Design Institute of Water Conservancy and Hydropower, Taiyuan 030024, China)

For the problem of prestressed concrete cylinder pipe (PCCP) lining ring crack in south-to-north water transfer project, by analyzing the causes of cracks on ring, the influence of different pipe production technology on crack was discussed, and some measures to the crack control in the process of production was put forward. Results show that the shrinkage of concrete and wrapped wire stress are major cause of the lining ring crack, which are generally difficult to avoid, but we can take the measures to reduce the possibility of cracking: optimizatinng of the mix proportioning of the concrete, selecting smaller diameter steel wire, improving the concrete pipe core wrapped wire strength, controling index larger than 45 MPa, strengthening the internal curing and other measures.

PCCP； annular crack； wrapped wire stress； wrapped wire strength

1673-3193(2016)05-0482-05

2016-03-12 基金項(xiàng)目：河北省南水北調(diào)配套工程重點(diǎn)項(xiàng)目(2013001)

奚 軍(1967-)，男，高級(jí)工程師，主要從事水利工程質(zhì)量控制研究.

TU528.73

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2016.05.009