PCCP碳纤维补强加固技术

　　地下管道在水资源配置的引调水工程、城市给水排水管线、工业输水管线、农田灌溉、工厂管网、电厂补给水管线等领域广泛应用。应用的管材主要有预应力钢筒混凝土管（PCCP）、球墨铸铁管（DIP）、钢管（SP）、玻璃钢管（FRP）、其他类型的混凝土管以及聚氯乙烯（PVC）管。随着运行时间的推移，多种原因造成各种管材不同程度的老化或者损伤，影响管线的安全运行，运管单位将选择不同的修复技术对管道进行处理，确保管线的安全性、可靠性和耐久性。PCCP是由混凝土管芯、钢筒、预应力钢丝及砂浆保护层构成的具有复合结构的管材，具有强度高、抗渗性强和耐久性好等特点。自1942年 在美国投入使用以来，广泛应用于长距离有压输水和市政排水等基础工程中。由于结构设计不充分、制造缺陷、安装不规范、环境腐蚀和运行管理不当等原因，导致PCCP发生断丝或者管芯开裂，影响管体的承载能力。为保证管道安全运行、消除其安全隐患，需对PCCP进行补强加固。目前PCCP受损管加固技术主要有外部法和内部法。外部法主要包括：换管法、体外预应力加固法、加强钢带加固法、外部粘贴碳纤维增强复合材料加固法等。内部法主要包括：径缩钢筒内衬法、钢管内衬法、碳纤维增强复合材料（CFRP）内衬法。以上加固技术中管体外部补强加固需要 开挖；径缩钢筒内衬法和钢管内衬法需要开挖设定的工作面，属于半开挖技术；CFRP内衬法不需要任何开挖，可以通过人工井或检修口等设施进入待修复的管段。由于PCCP管线时常与公路、铁路、河流交叉穿行，或者管线邻近第三方建筑物，无法开挖或者开挖难度大，当其他方法既不经济也不可行时，应采用碳纤维补强加固技术进行针对性的结构性修复。此外，CFRP的安装可快速完成，因此该方法尤其适用于修复时间 有限的PCCP管道。在20世纪90年代末，CFRP 用于大口径PCCP的补强加固。在21世纪初期，美国将CFRP内衬广泛用于PCCP受损管的修复中。特别是PCCP断丝检测和监测技术的发展，使工程人员能够获得有关受损管的准确信息，这大大提升了碳纤维补强加固技术的应用。尽管自1997年以来已经将CFRP用于PCCP内部的补强加固，但其使用历史远远短于传统结构材料。2018年12月1日美国颁布了PCCP碳纤维补强加固技术的标准《CFRP Renewal and Strengthening of Prestressed Concrete Cylinder Pipe》（ANSI / AWWA C30518）。中国水利水电科学研究院自2014年开展PCCP碳纤维补强加固技术的研究工作，从原型试验、室内试验、拉拔试验到CFRP表面防护材料的研制，历经5年艰苦努力，形成一套与我国相关规范和材料相适应的PCCP碳纤维补强加固技术。本书主要内容包括：碳纤维布补强加固PCCP结构设计、试验研究、数值模拟、ANSI / AWWA C30518荷载组合和PCCPECP（埋置式钢筒管）算例、长期浸水条件下CFRP表层防护材料、CFRP施工工艺和质控标准以及CFRP补强加固质量检验和验收标准等。本书读者对象主要是从事PCCP碳纤维补强加固的设计、施工和科研的技术人员。本书也可作为相关专业的本科生和研究生的参考教材。本书在编写过程中得到李秀琳正 工程师、李萌正 工程师、程冰清博士、李洹臣工程师的大力支持和帮助，在此表示谢意。需要指出的是，就PCCP碳纤维补强加固技术和其他成熟的技术比较而言，还有待进一步发展。由于作者水平有限，书中难免存在疏漏，敬希读者批评指正。本书出版得到了水利部重大科技项目“高盐渍复杂侵蚀环境预应力钢筒混凝土管耐久性研究”的资助。

暂缺《PCCP碳纤维补强加固技术》作者简介

1概述
11背景
12PCCP的破坏模式及原因
13补强加固常用方法
2PCCP的设计荷载和设计方法
21PCCP设计荷载
22PCCP设计方法
3碳纤维修复技术进展
31碳纤维材料
32碳纤维增强复合材料（CFRP）
33CFRP加固混凝土技术原理
34FRP加固混凝土结构破坏形式
35PCCP碳纤维补强加固
4碳纤维补强加固PCCP结构设计
41 外CFRP加固混凝土结构规范和标准
42CFRP的力学特性
43CFRP加固PCCP的结构型式
44CFRP补强加固PCCP
45管道荷载
46设计极限状态
47管体变形计算
48CFRP屈曲设计
5碳纤维补强加固技术试验研究
51原型试验
52室内CFRP性能试验
53结论
6碳纤维补强加固数值模拟
61单元类型
62各材料本构模型
63试验结果与计算结果对比分析
64计算成果云图
65不同CFRP粘贴层数的断丝阈值
66结论
7PCCP破坏全过程数值模拟
71PCCP断丝管破坏过程
72建立非线性有限元模型预测断丝管的性能
73断丝数目对承载能力的影响
74结论
8北方某大型引水工程PCCP断丝管承载能力的安全评价
81建立非线性有限元模型预测断丝管的性能
82断丝数目对承载能力的影响
83结论

9补强加固方案的研究
91回填覆土分区、计算荷载和参数
92单元类型及材料本构
93管土相互作用模式与边界条件
94模拟分析步骤
95模拟计算成果
96加压过程与断丝过程各阶段分析
97PCCP断丝管补强加固效果评价
98北方某大型引水工程PCCP补强加固方案
99结论

10AWWA C305环向荷载组合ECP算例
101参数条件
102计算过程

11长期浸水条件下CFRP表层YEC防护材料
111冻融循环试验
112高低温干热循环试验
113潮湿适应性试验
114YEC环氧防护涂料抗冲磨性能测试
115YEC环氧防护涂料耐老化性能测试


12CFRP施工工艺及质量控制标准
121施工条件
122施工程序
123涂刷底胶
124粘贴碳纤维
125养护
126注意事项
127CFRP保护涂层YEC的施工
128结论

13PCCP断丝管CFRP补强加固质量检验和验收标准
131工程质量检验
132碳纤维布黏结强度检测
133验收标准

参考文献