Page 111 - 水利学报2021年第52卷第6期
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水      利      学      报

                 2021 年 6 月                         SHUILI    XUEBAO                        第 52 卷  第 6 期

               文章编号：0559-9350（2021）06-0739-11

                           预应力 CFRP 加固断丝 PCCP 的试验与仿真研究



                             翟科杰 ，方宏远 ，郭成超            1，3，4，5 ，倪芃芃  1，3，4，5 ，付 兵 ，李 斌      2
                                                                                  6
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                                    1
                      （1. 中山大学 土木工程学院，广东 广州          510275；2. 郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州          450001；
                  3. 广东省地下空间开发工程技术研究中心，广东 广州             510275；4. 广东省海洋土木工程重点实验室，广东 广州           510275；
                 5. 南方海洋科学与工程广东省实验室 （珠海），广东 珠海             519082；6. 暨南大学 力学与建筑工程学院，广东 广州          510632）

                 摘 要 ： 针 对 预 应 力 钢 筒 混 凝 土 管（PCCP）断 丝 问 题 ， 提 出 一 种 创 新 的 加 固 技 术 ， 即 外 部 缠 绕 预 应 力 碳 纤 维 布
                （CFRP）加固。利用一根长 6 m、内径 1.4 m 的 PCCP 管道，选取不同截面进行对比试验，对所提加固方法效果进行
                 了验证。之后，基于有限元方法（FEM），建立了预应力 CFRP 加固断丝 PCCP 三维模型，并将仿真结果与试验进
                 行了对比评估，分析了 CFRP 预应力水平和层数对管道受力性能的影响。研究结果表明，经预应力 CFRP 加固后
                 的管道承载能力明显提高；断丝与加固对管道的影响范围有限，约为其宽度的 3 倍；断丝 15%的管道经 2 层、4
                 层和 6 层预应力为 10%的 CFRP 加固后，承载能力可分别提高 65.6%、103.1%和 162.5%。
                 关键词： PCCP；CFRP；预应力；加固；足尺试验
                 中图分类号：TV332；TU528.73           文献标识码：A                 doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200794


               1  研究背景

                   预应力钢筒混凝土管（PCCP）是由混凝土和钢材组成的复合结构管材                               ［1-2］ 。由于其具有抗压能力
               强、抗渗性能好、口径大等优点，自问世以来，被广泛应用于大型输水供水工程，如利比亚大人工
               河工程和中国的南水北调工程，其效益获得工程界广泛认可。
                   PCCP 在运营期间主要承受外荷载和内部水压荷载，为此，胡少伟等                             ［3-4］ 、窦铁生等 ［5-6］ 、Zhang 等 ［7］
               曾对 PCCP 进行过一系列抗外压和抗内压研究。PCCP 服役环境复杂且长时间埋于地下，在腐蚀环境
               或氢脆作用下，PCCP中的预应力钢丝经常发生断裂，直接影响 PCCP管线的安全运营。Zarghamee等                                    ［8-10］
               通过 4 根 PCCP 断丝管道内水压破坏试验，分析了断丝 PCCP 的破坏模式，指出断丝管道的承载能力
               远大于钢筒强度，之后基于非线性有限元对复合荷载作用下的断丝 PCCP 进行了风险分析。考虑到相
               邻 PCCP 管间承插口接头的相互影响，Hajali 等              ［11-13］ 利用数值模型方法分析了断丝位置、断丝数量对
               管线承载力的影响。Hu 等           ［14］ 结合足尺试验与有限元方法，分析了不同断丝率下 PCCP 结构受力响
               应，研究表明断丝后管道发生应力重分布，断丝处管道材料应力集中。
                   PCCP 中钢丝的断裂导致管线承载能力大幅下降，进而发生爆管事故，严重影响人们生活与生
               产。断丝 PCCP 管道更换成本高且施工周期长，因此，PCCP 管线加固修复技术在工程中应用较为广
               泛。纤维复合材料（FRP）包括碳纤维复合材料（CFRP）、玄武岩纤维复合材料（BFRP）、玻璃纤维复合
               材料（GFRP）和芳纶纤维复合材料（AFRP）等。此类材料强度高，重量小，被广泛应用于土木工程加
               固领域   ［15-16］ ，包括内衬 FRP 加固断丝 PCCP。Lee 等      ［17］ 通过试验，研究了大口径 PCCP 在 FRP 内衬修复


                  收稿日期：2020-09-30；网络首发时间：2021-04-25
                  网络首发地址：https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210425.1051.001.html
                  基 金 项 目 ： 国 家 重 点 研 发 计 划 项 目（2016YFC0802400）； 河 南 省 重 大 科 技 专 项（171100310100）； 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目
                         （51978630）；河南省高校科技创新人才计划项目（19HASTIT043）；郑州大学优秀青年教师发展基金（1621323001）
                  作者简介：翟科杰（1991-），博士生，主要从事混凝土结构加固研究。E-mail：zhaikj@mail2.sysu.edu.cn
                  通讯作者：方宏远（1982-），教授，博士生导师，主要从事基础工程设施检测与修复研究。E-mail：18337192244@163.com
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