Page 112 - 水利学报2021年第52卷第6期

作用下承受外压和内压的受力性能，证明了 FRP 内衬修复的可行性。Lee 等 ［18-19］ 考虑到各种荷载条
件，提出了对劣化 PCCP 管道进行内衬 FRP 修复设计的方法，并针对不同劣化情况来确定 FRP 用量。
Hu 等 ［20-21］ 通过足尺试验与有限元方法研究了内衬 CFRP 在内水压及复合荷载作用下的修复效果，并介
绍了一种确定 CFRP 修复层数的分析方法。Gipsov 等 ［22］ 基于现场监测数据，对 CFRP 内衬修复 PCCP 在
连续断丝情况下的材料受力进行了监测，指出 CFRP 在管道中的受力性能随断丝量增加而持续下降。
CFRP 内衬修复技术已较为成熟。然而，内衬修复施工期间需要中断供水，且针对小口径管道不
能进行施工，因此，文献［23-25］提出对断丝 PCCP 进行外贴 CFRP 加固，并通过试验与有限元方法对
外贴 CFRP 修复效果进行了分析。内衬与外贴 CFRP 修复均能使断丝 PCCP 受力性能得到改善，但却
不能弥补因断丝导致管芯混凝土及钢筒发生的预压应力的损失，使管道在承受内水压力时管道材料
先于 CFRP 破坏。基于此，本文创新提出采用外部缠绕预应力 CFRP 加固断丝 PCCP，该技术施工期间
既可不中断输水，又能弥补断丝引起的管道预应力损失。通过一根内径 1.4 m 的 PCCP 管道内水压足
尺试验，对预应力 CFRP 加固效果与管道破坏情况进行了分析；之后，基于有限元方法，建立了预应
力 CFRP 加固断丝 PCCP 三维模型，有限元模拟结果与试验吻合良好；最后，分析了 CFRP 预应力和
层数对断丝管道受力性能的影响。

2 试验设计

2.1 材料参数 试验选用管道为埋置式 PCCP，断面如图 1 所示。管道几何参数如表 1 所示。管芯混
凝土抗压强度为 40 MPa，砂浆抗压强度为 37.9 MPa，钢筒屈服强度为 227.5 MPa，钢丝抗拉强度为
1531 MPa，工作内压为 1.0 MPa。CFRP 参数如表 2 所示。材料参数均由生产厂家给出。

表 1 几何尺寸

2
几何参数 管道长度/mm 管道内径/mm 管芯厚度/mm 钢筒直径/mm 钢筒厚度/mm 钢丝直径/mm 缠丝面积/（mm /m） 缠丝层数
尺寸 6000 1400 110 1503 1.5 6 1088 1

砂浆
预应力钢丝
表 2 CFRP 材料参数
混凝土外芯
钢筒 抗拉强度/MPa 弹性模量/GPa 厚度/mm 宽度/mm 伸长率/%
混凝土内芯 ≥3400 ≥240 0.167 500 ≥1.7

图 1 管道断面
2.2 试验方案 PCCP 管道总长为 6 m，沿管道长度选取 3 个截面：截面 1、截面 2 和截面 3，其中，
截面 1 和截面 3 距离两管端 1700 mm，截面 2 位于管道中间。在截面 1 和截面 3 上进行断丝处理，断丝
宽度均为 600 mm。截面 1 断丝后不进行加固，截面 3 断丝后使用预应力 CFRP 进行加固。截面布置示
意图和实物如图 2 所示。在截面 2 砂浆、混凝土和预应力钢丝上粘贴电阻应变片，用于管道材料应变
测量。同时，在截面 3 的 CFRP 材料上粘贴电阻应变片，用于 CFRP 预应力的控制及加压过程中的应
变测量，如图 3 所示。
截面 3 加固所用 CFRP 宽为 500 mm，厚 4 层。CFRP 预应力施加装置为自制装置，如图 4 所示。预
应力施加方法为：将 CFRP 两端分别固定于两个张拉杆上，CFRP 绕管体一圈后，通过旋紧对拉螺栓
拉紧 CFRP，从而达到施加预应力的目的。旋紧对拉螺栓过程中，通过 DH3816N 应变采集设备对
CFRP 应变进行实时监测，待 CFRP 应变达到控制应变后，停止张拉。之后，对 PCCP 管道分级施加内
水压，每级荷载 0.1 MPa，达到预定内水压后，持压 5 min，并采集各材料应变，应变达到稳定状态
后，再进行下一步加压，直至管道发生破坏，试验停止。

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