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水 利 学 报

２０２３年 １２月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 １２期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）１２ － １４３０ － １０

ＰＣＣＰ断丝破坏规律Ⅰ：原型试验研究

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窦铁生 ，董晓农 ，章 煊 ，李炎隆 ，宁靖华 ，黎康平 ２
（１．中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 １０００３８；
２．西安理工大学 西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 ７１００４８；
３．中国电建集团山东电力管道工程有限公司，山东 济南 ２５０１１７）
摘要：目前断丝是预应力钢筒混凝土管（ＰｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅＣｙｌｉｎｄｅｒＰｉｐｅ，ＰＣＣＰ）结构性能评估时考虑的主要因素。
由于砂浆对钢丝的握裹作用，断丝预应力损失的初始范围、扩展时机和扩展幅度是研究管芯预压应力保有量的关键
指标。本文基于分布式光纤传感器，考虑了 ３类荷载作用下 ２类断丝的影响，对 ４根相同设计参数的 ＰＣＣＰ进行了
断丝直到破坏的原型试验研究。在恒定内压下集中与离散断丝、循环内压下离散断丝以及恒定外压下集中断丝试验
中，管体破坏时的极限断丝数（率）分别为 ６０（１９．８％）、１８５（６１．１％）、１４０（４６．２％）和 １５０（４９．５％）。试验获得了不同
工况下管体破坏过程中各层材料初始损伤和管体最终破坏时对应的断丝数量，揭示了管芯的预应力损失和破坏规
律，展现了断丝 ＰＣＣＰ结构性能评估时应注意的关键因素，为开发断丝破坏过程的数值模拟方法提供了依据。
关键词：ＰＣＣＰ；原型试验；集中断丝；离散断丝；循环内压；预应力损失；破坏
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文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＶ３２１ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０４１２
１ 试验背景

合理确定断丝预应力钢筒混凝土管（ＰｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅＣｙｌｉｎｄｅｒＰｉｐｅ，ＰＣＣＰ）的结构性能是开展
评估和修复的前提与基础，直接关系到管线的安全运行和维护成本。我国于 １９８８年引入 ＰＣＣＰ，目前
［１］
已有 ３０余年的历史，已铺设管线超 ２万ｋｍ 。作为长期埋置于地下的管线，腐蚀环境等因素会导致
某些管体出现不同程度的断丝，影响供水管线的安全运行。高强预应力钢丝能使管芯产生足够的预压
应力以承担内压和外载，但断丝将使失去预压应力保护的管芯混凝土产生裂缝，严重时可能会发生强
烈的爆管事故。为预防爆管事故发生，许多学者在内压下进行了 ＰＣＣＰ集中断丝的碳纤维内加固 ［２ － ４］ 、
钢绞线外加固 ［５］ 、碳纤维外加固 ［６ － ７］ 和断丝信号监测 ［８］ 等试验，取得了一定成果。
然而，除了因腐蚀造成的集中断丝，断丝还包括因氢脆造成的离散断丝。氢脆引发的断丝没有规
律，沿管体纵向和环向随机发生 ［９ － １０］ 。目前还没有学者进行定量化的离散断丝原型试验研究。尽管
［１１］
Ｚａｒｇｈａｍｅｅ 在内压下对内径为 １．８ｍ的 ＰＣＣＰ进行了离散断丝破坏试验，但是管体断丝数量是通过无
损检测技术得出，与人工精确割断钢丝有一定差距，特别是无法进行定量分析。
此外，循环内压也是被忽略的因素之一。例如，北方一些工程因冰期每年有一次停水和再通水的
内压循环，其它工程间隔几年需停水检修，管线运行过程中存在内压波动等。由于循环内压使管体发
生一张一弛的变形，断丝预应力损失范围是否会因此发生扩展，管体破坏模式和承载能力是否发生重
大改变等问 题 尚无 学者 研究。另外，承载 能力原型 试验除 了 考 虑内 压 荷 载 ［１２ － １４］ ，也 考 虑 了 外 压 荷
载 ［１５ － １７］ 。尽管这些试验具有一定数量，但试验管的设计参数和目的各异，无法更好地对比分析。
目前，试验测量手段仍以点式测量为主。现有测量钢丝变形仍采用砂浆开槽的方式，破坏了砂浆

收稿日期：２０２３ － ０７ － ０８
基金项目：水利部重大科技项目（ＳＫＳ － ２０２２１１１）；陕西省自然科学基础研究计划———引汉济渭联合基金项目（２０１９ＪＬＺ － １４）
作者简介：窦铁生（ １９６４ － ），正高级工程师，博士生导师，主要从事水工结构研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｄｏｕｔｓｈ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ

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