預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管內(nèi)壁復(fù)式碳纖維加固試驗(yàn)與計(jì)算分析

董曉農(nóng)，李 萌，孫志恒，馬 宇

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院北京中水科海利工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

1 研究背景

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，簡(jiǎn)稱(chēng)PCCP）具有大口徑和高工作壓力等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離引水和供水工程、過(guò)路及過(guò)河壓力虹吸管道工程、大型火力發(fā)電廠和核電站的循環(huán)水管道工程、雨水排污管道工程、工業(yè)供水及廢水處理工程等［1］。由于先天因素（設(shè)計(jì)、制造和材料等）或后天因素（建設(shè)與安裝、運(yùn)行與維護(hù)），一些PCCP 管段出現(xiàn)不同程度的結(jié)構(gòu)性損壞，具有爆管風(fēng)險(xiǎn)［2-3］。已有學(xué)者［4-7］對(duì)PCCP 進(jìn)行了系列結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，對(duì)管道裂縫和彎矩重分布進(jìn)行了探討。白耀華等［8］將爆管原因概括為管道運(yùn)行壓力超過(guò)設(shè)計(jì)承壓能力和因損壞造成的管體承壓能力低于設(shè)計(jì)承壓能力。因此，降低被加固管道所承擔(dān)的內(nèi)壓是加固的重點(diǎn)之一。

目前，PCCP的結(jié)構(gòu)性修復(fù)技術(shù)主要包括移除更換技術(shù)和鋼絞線修復(fù)技術(shù)（開(kāi)挖修復(fù)技術(shù)）、縮頸鋼筒內(nèi)襯技術(shù)和鋼管穿插修復(fù)技術(shù)（半開(kāi)挖修復(fù)技術(shù)）和碳纖維加固技術(shù)（非開(kāi)挖修復(fù)技術(shù)）［9］。其中傳統(tǒng)碳纖維加固PCCP技術(shù)利用樹(shù)脂膠結(jié)材料將碳纖維粘貼于PCCP內(nèi)側(cè)混凝土表面，通過(guò)兩者的共同作用以達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)、改善受力性能的一種結(jié)構(gòu)內(nèi)部加固技術(shù)［10］。該技術(shù)適合修復(fù)于深埋、附近有敏感構(gòu)筑物，或處于重要馬路、商業(yè)區(qū)的PCCP管段，因其非開(kāi)挖、工期短、對(duì)周邊環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。但是，由于碳纖維的極限拉應(yīng)變（1.7%）與混凝土的極限拉應(yīng)變（約0.02%）差異巨大，傳統(tǒng)碳纖維加固PCCP技術(shù)無(wú)法有效發(fā)揮碳纖維的應(yīng)力水平。文獻(xiàn)［11-15］基于碳纖維加固PCCP靜水壓力試驗(yàn)、三邊承載試驗(yàn)和密閉性試驗(yàn)等認(rèn)為碳纖維層數(shù)設(shè)計(jì)不能只基于強(qiáng)度和穩(wěn)定性準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮由于斷絲區(qū)混凝土開(kāi)裂導(dǎo)致的樹(shù)脂膠和碳纖維的破壞。Lee等［16-17］提出的基于不同荷載條件的碳纖維加固PCCP 的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)碳纖維獨(dú)立工作且考慮屈曲時(shí)，需要粘貼14層碳纖維才能使安全裕度達(dá)到1，并且認(rèn)為斷絲數(shù)量、碳纖維層數(shù)和粘貼角度對(duì)加固效果影響重大。竇鐵生等［18］和胡赫［19］在碳纖維加固PCCP的靜水壓力試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，碳纖維在管壁原有裂縫擴(kuò)張?zhí)幟撻_(kāi)撕裂，碳纖維能延緩斷絲區(qū)內(nèi)層混凝土的開(kāi)裂和鋼筒屈服對(duì)外側(cè)混凝土和砂漿的保護(hù)不明顯，對(duì)非斷絲區(qū)碳纖維未能發(fā)揮作用。國(guó)外也有一些學(xué)者嘗試改進(jìn)傳統(tǒng)碳纖維加固PCCP，Ehsani［20］提出將蜂窩板材與碳纖維復(fù)合，Alkhrdaji 等［21］將高強(qiáng)鋼絲和高分子基質(zhì)與玻璃纖維復(fù)合，兩種復(fù)合式纖維加固技術(shù)都在一定程度上提高了整體的剛度，但仍未能提高纖維材料的利用率。因此，研究如何發(fā)揮碳纖維高強(qiáng)特性，提高PCCP內(nèi)部粘貼碳纖維的加固效果具有重大意義。

2 復(fù)式碳纖維加固PCCP技術(shù)

傳統(tǒng)碳纖維加固中（圖1（a）），碳纖維的極限拉應(yīng)變（1.7%）與混凝土的極限拉應(yīng)變（0.02%左右）相差甚遠(yuǎn)，因此碳纖維在較低的應(yīng)力水平時(shí)PCCP管芯混凝土中就出現(xiàn)裂縫，使纖維材料的高強(qiáng)性能得不到有效發(fā)揮，影響加固效果。為此，本文在傳統(tǒng)碳纖維加固PCCP技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出PCCP內(nèi)壁復(fù)式碳纖維加固技術(shù)［22-23］。復(fù)式碳纖維加固是在碳纖維與PCCP內(nèi)壁混凝土表面之間增設(shè)一層高壓縮彈性墊層（圖1（b）），通過(guò)高壓縮彈性墊層的緩沖作用，在管內(nèi)水壓力作用于碳纖維后，碳纖維產(chǎn)生徑向位移的同時(shí)壓縮彈性墊層，彈性墊層經(jīng)過(guò)壓縮后可進(jìn)一步為碳纖維的徑向位移提供空間，使碳纖維充分發(fā)生環(huán)向變形，可較充分地發(fā)揮碳纖維抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，有效改善內(nèi)水壓力在碳纖維與PCCP之間的分配情況。且由于碳纖維與混凝土之間存在一層緩沖墊層，當(dāng)混凝土由微觀裂縫轉(zhuǎn)入宏觀裂縫，碳纖維絲不容易因?yàn)榛炷恋暮暧^裂縫的擴(kuò)大而分離，進(jìn)而保證了碳纖維受力的均勻性，緩解了因應(yīng)力集中導(dǎo)致碳纖維過(guò)早破壞的情況。

圖1 傳統(tǒng)與復(fù)式碳纖維加固PCCP結(jié)構(gòu)

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

復(fù)式碳纖維加固PCCP 結(jié)構(gòu)的效果取決于墊層的力學(xué)性能。將高性能聚氨酯、可溶性填料及助劑等材料混合固化后，能形成一種含有均勻閉合孔隙的高壓縮彈性墊層。墊層的力學(xué)性能與可溶性填料含量有關(guān)，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)優(yōu)選，選擇可溶性填料含量為2.5%～3.0%時(shí)，高壓縮彈性墊層的綜合力學(xué)性能指標(biāo)最優(yōu)。高壓縮彈性墊層的壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線見(jiàn)圖2，其壓縮量大于60%，在壓縮率小于30%的情況下泊松比接近于0，斷裂伸長(zhǎng)率大于90%，拉應(yīng)力大于2.0 MPa。試驗(yàn)表明，通過(guò)快凝專(zhuān)用膠將工廠加工成型的高壓縮彈性墊層片材粘接在PCCP內(nèi)壁，片材與PCCP內(nèi)壁之間的黏接強(qiáng)度大于1.0 MPa。

3 試驗(yàn)與計(jì)算

圖3 模型試驗(yàn)結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)布置

3.1 模型安裝與試驗(yàn)為了驗(yàn)證復(fù)式碳纖維加固PCCP技術(shù)的可行性與優(yōu)越性，采用直徑0.75 m、高1 m鋼筒進(jìn)行模型試驗(yàn)。預(yù)先在工廠制作高壓縮彈性墊層片材，墊層長(zhǎng)50 cm，寬30 cm，厚5 mm。在鋼筒模型內(nèi)表面中部先粘接高壓縮彈性墊層片材，再將碳纖維布（一層）粘貼在高壓縮彈性墊層表面（復(fù)式碳纖維加固），碳纖維表面環(huán)向雙排布設(shè)8 個(gè)電阻應(yīng)變片，在筒外相應(yīng)位置處布設(shè)4個(gè)電阻應(yīng)變片；在鋼筒模型上部?jī)?nèi)表面直接粘貼一層碳纖維布（傳統(tǒng)碳纖維加固），在碳纖維表面布設(shè)3 個(gè)電阻應(yīng)變片，在筒外相應(yīng)位置處布設(shè)3個(gè)電阻應(yīng)變片；在鋼筒模型下部?jī)?nèi)表面布設(shè)3個(gè)電阻應(yīng)變片（沒(méi)粘貼碳纖維布），并在筒外相應(yīng)位置處布設(shè)3個(gè)電阻應(yīng)變片，最后在碳纖維表面涂刷1 mm 厚的SK 手刮聚脲進(jìn)行防護(hù)。模型示意圖見(jiàn)圖3所示。

模型試驗(yàn)測(cè)量采用20+1通道的YSV8320靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行連續(xù)采樣，其最高采樣速率128 Hz，分辨率為1 με，測(cè)量應(yīng)變范圍為±60000 με。模型試驗(yàn)采用逐級(jí)加載，初始?jí)毫χ?，以0.1 MPa為一個(gè)階梯升壓，每達(dá)到一個(gè)壓力，穩(wěn)定5 min再加壓，內(nèi)水壓力升至1.5 MPa停止加載，之后按0.1MPa逐級(jí)卸壓至0，并在第一次加卸載后的第二天和一個(gè)月后重復(fù)同樣的加卸載試驗(yàn)。

3.2 彈性力學(xué)計(jì)算根據(jù)復(fù)式碳纖維加固結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出如下基本假設(shè)：（1）加固結(jié)構(gòu)為多層彈性介質(zhì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)；（2）各層結(jié)構(gòu)均為各項(xiàng)同性材料；（3）各層之間接觸為完全接觸，即不互相脫離也不互相滑動(dòng)；（4）在接觸面上，兩側(cè)彈性體正應(yīng)力相等，剪切應(yīng)力也相等，法向位移和切向位移均相等。

利用彈性力學(xué)中均勻受壓厚壁圓筒拉梅公式［24］，分別得出碳纖維、墊層、鋼筒這三層均勻受壓層的徑向位移解：

式中：uri為徑向位移；Esi為彈性模量；vsi為泊松比；rni為內(nèi)徑；rwi為外徑； pni為內(nèi)壓； pwi為外壓；i=1、2、3分別為碳纖維、墊層、鋼筒。

鋼筒外無(wú)壓力作用，即pw3=0； pw1、pn2、pw2和pn3可由下式中的各層間徑向位移協(xié)調(diào)條件求出：

對(duì)于平面應(yīng)變問(wèn)題，式（1）中的彈性模量和泊松比需進(jìn)行如下轉(zhuǎn)換：

復(fù)合結(jié)構(gòu)各層的環(huán)向應(yīng)力分別為：

彈性力學(xué)計(jì)算中鋼筒的彈性模量取值為200 GPa，泊松比為0.3；高壓縮彈性墊層厚度為5 mm，泊松比為0，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示；一層碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料厚度為0.167 mm，彈性模量為230 GPa，泊松比為0.3。

4 試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果分析

在鋼筒內(nèi)壁先粘貼高壓縮彈性墊層，再粘貼一層環(huán)向碳纖維（復(fù)式碳纖維加固技術(shù)）進(jìn)行的模型試驗(yàn)及彈性力學(xué)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4所示的加載及卸載過(guò)程中碳纖維和鋼筒的內(nèi)水壓力與環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線可以看出，在復(fù)式碳纖維加固模型中，由于高壓縮彈性墊層的作用，增大了表層碳纖維的變形空間，碳纖維的環(huán)向應(yīng)變隨內(nèi)水壓力的增大基本呈線性直線上升，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)在鋼筒外對(duì)應(yīng)位置處鋼筒的環(huán)向應(yīng)變。當(dāng)內(nèi)水壓力為1.0 MPa時(shí)，高壓縮彈性墊層表面的碳纖維的微應(yīng)變?yōu)?001，對(duì)應(yīng)的鋼筒外部的微應(yīng)變?yōu)?6，微應(yīng)變相差2935。模型試驗(yàn)逐級(jí)卸載后，內(nèi)水壓力與環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線中微應(yīng)變較加載時(shí)偏高，說(shuō)明高壓縮彈性墊層恢復(fù)有個(gè)時(shí)間過(guò)程，但最終能完全恢復(fù)到初始水平。3次加、卸載試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性很好，進(jìn)一步證明研制的高壓縮彈性墊層具有良好的彈性。

從圖4所示的計(jì)算結(jié)果表明，碳纖維的環(huán)向應(yīng)變也是隨內(nèi)水壓力的增大迅速增大，但隨著高壓縮彈性墊層的壓密，增速將趨于放緩。當(dāng)內(nèi)水壓力為1.0 MPa時(shí)，高壓縮彈性墊層表面的碳纖維的微應(yīng)變?yōu)?264，對(duì)應(yīng)的鋼筒外部的微應(yīng)變僅為91，微應(yīng)變相差3173。碳纖維環(huán)向微應(yīng)變的計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果偏高8.0%，但在總體趨勢(shì)和量級(jí)上是一致的。

圖4 復(fù)式碳纖維加固技術(shù)模型試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

在鋼筒內(nèi)表面直接粘貼碳纖維（傳統(tǒng)碳纖維加固）進(jìn)行的模型試驗(yàn)及彈性力學(xué)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5所示的加載過(guò)程中碳纖維和鋼筒外側(cè)的內(nèi)水壓力與環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線可以看出，在傳統(tǒng)碳纖維加固方案中，由于鋼筒剛度較大，鋼筒內(nèi)碳纖維的環(huán)向應(yīng)變隨內(nèi)水壓力增加而緩慢增長(zhǎng)，與對(duì)應(yīng)的鋼筒外側(cè)應(yīng)變相差不大。

圖5（a）表明，當(dāng)內(nèi)水壓力為1.0 MPa時(shí)，鋼筒內(nèi)碳纖維的環(huán)向微應(yīng)變?yōu)?44，對(duì)應(yīng)的鋼筒外部的微應(yīng)變?yōu)?12，微應(yīng)變相差32，遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)揮碳纖維高抗拉強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)；復(fù)式碳纖維對(duì)應(yīng)的鋼筒外側(cè)的環(huán)向應(yīng)變由于碳纖維承擔(dān)更多內(nèi)水壓力，較傳統(tǒng)碳纖維的環(huán)向應(yīng)變有較大降幅，當(dāng)內(nèi)水壓力為1.0 MPa時(shí)，復(fù)式碳纖維對(duì)應(yīng)的鋼筒外部的微應(yīng)變（66）與傳統(tǒng)碳纖維加固對(duì)應(yīng)的鋼筒外側(cè)的微應(yīng)變（112）相比降低40%以上。圖5（b）表明，當(dāng)內(nèi)水壓力為1.0 MPa時(shí)，傳統(tǒng)碳纖維加固對(duì)應(yīng)的鋼筒外側(cè)的微應(yīng)變（138）與內(nèi)部碳纖維的環(huán)向微應(yīng)變（144）與基本相同；復(fù)式碳纖維對(duì)應(yīng)的鋼筒外部的微應(yīng)變（91）與傳統(tǒng)碳纖維加固區(qū)相比降低34%以上。

綜合圖4和圖5可知，模型試驗(yàn)結(jié)果與彈性力學(xué)計(jì)算結(jié)果基本相符。試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果表明，復(fù)式碳纖維加固技術(shù)與傳統(tǒng)碳纖維加固技術(shù)比較，碳纖維應(yīng)力水平顯著提高，在內(nèi)水壓力作用下，被加固結(jié)構(gòu)的環(huán)向拉應(yīng)力明顯改善。在1.0MPa內(nèi)水壓力作用下，試驗(yàn)與計(jì)算中的碳纖維微應(yīng)變均提高了20倍以上，被加固結(jié)構(gòu)的微應(yīng)變均降低34%以上。

為了了解高壓縮彈性墊層厚度和碳纖維層數(shù)在內(nèi)壁復(fù)式碳纖維加固中的影響，采用彈性力學(xué)方法進(jìn)行了模擬計(jì)算，通過(guò)分別改變高壓縮彈性墊層厚度和碳纖維層數(shù)，計(jì)算出碳纖維和鋼筒外側(cè)環(huán)向微應(yīng)變隨內(nèi)水壓力的變化值，計(jì)算結(jié)果如表1和表2所示。

表1 墊層厚度變化對(duì)碳纖維和鋼筒外側(cè)環(huán)向微應(yīng)變的影響

表2 碳纖維層數(shù)對(duì)碳纖維和鋼筒外側(cè)環(huán)向微應(yīng)變的影響

由表1可知，在高壓縮彈性墊層表面粘貼1層碳纖維布，鋼筒在內(nèi)水壓力作用下，碳纖維的環(huán)向微應(yīng)變隨著墊層厚度的增大而增加，鋼筒外側(cè)環(huán)向微應(yīng)變隨著墊層厚度的增大而減小。這是因?yàn)楦邏嚎s彈性墊層厚度增大，碳纖維的變形空間就越大，進(jìn)而使碳纖維的環(huán)向微應(yīng)變?cè)龃?，碳纖維承擔(dān)更多的內(nèi)水壓力，使被加固結(jié)構(gòu)的環(huán)向微應(yīng)變降低。當(dāng)內(nèi)水壓力為1.0 MPa 時(shí)，高壓縮彈性墊層厚度從4 mm增至5 mm，碳纖維環(huán)向微應(yīng)變提高15%，鋼筒外側(cè)環(huán)向微應(yīng)變降低7%；若高壓縮彈性墊層厚度從4 mm 增至6 mm，碳纖維環(huán)向微應(yīng)變提高28%，鋼筒外側(cè)環(huán)向微應(yīng)變降低13%。隨著內(nèi)水壓力增大，由于墊層逐漸變得密實(shí)，碳纖維環(huán)向微應(yīng)變?cè)黾铀俣群弯撏餐鈧?cè)環(huán)向微應(yīng)變降低速度逐漸變小。

由表2可知，高壓縮彈性墊層厚度保持不變時(shí)，鋼筒在內(nèi)水壓力作用下，碳纖維的應(yīng)變隨著碳纖維層數(shù)的增大而減小，同時(shí)，鋼筒外側(cè)應(yīng)變也是隨著碳纖維層數(shù)的增大而減小。與增加高壓縮彈性墊層厚度不同，增加碳纖維層數(shù)相當(dāng)于提高了結(jié)構(gòu)的剛度，因此碳纖維和鋼筒的環(huán)向微應(yīng)變均隨碳纖維層數(shù)的增大而減小。當(dāng)內(nèi)水壓力為1.0 MPa與高壓縮彈性墊層厚度為6 mm時(shí)，碳纖維層數(shù)從1層增至2層，碳纖維環(huán)向微應(yīng)變降低28%，鋼筒外側(cè)環(huán)向微應(yīng)變降低25%；若碳纖維層數(shù)從1層增至3層，碳纖維環(huán)向微應(yīng)變降低44%，鋼筒外側(cè)環(huán)向微應(yīng)變降低41%。因此，在復(fù)式碳纖維加固技術(shù)中，增加碳纖維層數(shù)對(duì)改善被加固的結(jié)構(gòu)的效果是顯著的。

5 結(jié)論

（1）高壓縮彈性墊層富含均勻閉合的孔隙，在高內(nèi)水壓力作用下并逐級(jí)卸載后仍能夠完全恢復(fù)到初始狀態(tài)，具有壓縮性高、彈性好和泊松比小等特性，為實(shí)現(xiàn)PCCP 復(fù)式碳纖維加固技術(shù)提供了條件。（2）模型試驗(yàn)與力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明，在復(fù)式碳纖維加固模型中，碳纖維的徑向位移囊括了高壓縮彈性墊層的壓縮量，導(dǎo)致碳纖維的環(huán)向應(yīng)變隨內(nèi)水壓力的增大迅速增大，碳纖維可以承擔(dān)更多的內(nèi)水壓力，有效減少了被加固結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的內(nèi)水壓力。復(fù)式碳纖維加固技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)碳纖維與PCCP聯(lián)合承受內(nèi)水壓力的效果和有效加固PCCP的目的。（3）復(fù)式碳纖維加固技術(shù)中，增加高壓縮彈性墊層厚度能提高碳纖維的應(yīng)力水平，降低被加固結(jié)構(gòu)的所承擔(dān)的內(nèi)水壓力；增加碳纖維層數(shù)會(huì)降低碳纖維的應(yīng)力水平，但同時(shí)也大幅降低被加固結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的內(nèi)水壓力。在應(yīng)用復(fù)式碳纖維加固PCCP時(shí)，應(yīng)根據(jù)PCCP的損壞程度合理設(shè)置高壓縮彈性墊層厚度和碳纖維的層數(shù)。