预应力钢筒混凝土管插口内壁环裂机理分析

王菁菁

摘 要： 预应力钢筒混凝土管PCCP插口端内壁混凝土环向裂缝主要出现在靠插口端300mm范围内。根据PCCP 出厂时存在一定程度的环裂，但是在管道服役过程中，可能出现裂缝无法全部闭合的情况，在内外压力共同作用下，由插口内壁环裂缝渗入的液体会使钢筒和钢丝发生腐蚀，降低管道的承载能力，减少管道使用寿命，严重时可能会导致钢筒或钢丝发生断裂，造成爆管事故发生。本文根据环裂形成机理提出抗裂措施，以解决 PCCP 生产过程中的插口内壁混凝土的环裂问题。

关键词： 预应力钢筒混凝土管;插口;环裂

【中图分类号】TU528.73     【文献标识码】A     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.38.086

預应力钢筒 混凝土管PCCP）是由带钢筒的高强混凝土管芯缠绕预应力钢丝后，再喷涂水泥砂浆保护层制成的复合型管材。PCCP 将高强钢丝的抗拉、混凝土的抗压和钢筒的防渗有机结合在一起，以其承压能力高、抗震性能好、维护费用低等优势而被广泛应用于大口径、长距离输水工程，PCCP 在生产、安装和服役过程中会因各种原因出现混凝土裂缝，的是在管道内壁出现螺旋裂缝、环向裂缝和纵向裂缝，其中，以插口端200-300mm 范围内的内壁环向裂缝最为常见。

1 PCCP 裂缝机理现状

PCCP 在生产、安装和服役过程中会因各种原因出现混凝土裂缝，较为典型的是在管道内壁出现螺旋裂缝、环向裂缝和纵向裂缝，其中以插口端 200～300mm范围内的环向裂缝最为常见。尽管国家标准《预应力钢筒混凝土管》PCCP 管芯内壁混凝土存在裂缝，但是由于中外标准对于管芯外壁裂缝的规定不统一，造成裂缝的防治、处理缺乏科学依据，特别是在后续的服役过程中，环向裂缝无法全部闭合，造成管内液体通过环向缝隙直接接触到插口异型钢板，甚至会延伸至钢筒处，使钢筒产生腐蚀，加剧PCCP结构状态的退化，缩短了使用寿命。因此，科学揭示PCCP插口内壁的环裂机理，对于插口环裂的预防措施、诊治处理以及管道结构状态评价具有积极意义。

我国对 PCCP 混凝土裂缝形成的原因和机理已有一定研究。[1]对裂缝管和断丝管分别进行原型试验，并运用 ABAQUS 对原型试验管道进行数值模拟，进行了原型管道的抗裂外压承载力试验，探讨了预存管芯外壁纵向裂缝对承载力的影响，分析了混凝土管的受力特性，对 PCCP抗裂外压试验进行结构数值模拟，对 PCCP 各种裂缝的产生原因进行了总结，探讨了消除裂缝的具体措施。

2 PCCP插口环向裂缝产生的原因

管材插口端内壁环向裂缝形成机理复杂，其主要受管材结构、混凝土抗拉力、立式起吊、混凝土收缩、缠丝工艺局部剪切受力状态以及混凝土的干燥收缩等多种因素综合影响形成。

2.1 结构方面的原因PCCP管芯内嵌埋的防渗薄钢筒厚度为1.5mm，而插口钢环的型材尾部厚度为7.5mm，薄钢 板卷通过螺旋焊机卷制搭接在插口钢环的型材尾部，搭接长度约20mm，搭接焊后在插口钢环的型 材尾部处的整个环向截面形成厚度差为7.5mm的截面突变。理论上，插口钢环尾部可采取加大 宽度并削薄的加工措施，但由于其不经济，行业内 无生产厂家采取;且搭接焊缝必须存在并经致密 性水压试验合格，故搭接焊缝引起的截面突变在 结构上不可避免。

2.2 混凝土强度的原因。管芯插口端的内壁混凝土强度自身偏弱。在 管芯混凝土立式浇筑的振动密实过程中，石子往 下沉，往往造成插口端的管芯混凝土缺少石子而 富含砂浆，致使上层的插口端管芯混凝土强度低 于中、下层管芯混凝土，该部位混凝土的实际抗拉 强度值下降，不足以抵抗缠绕钢丝时该部位因截 面突变形成的应力集中而直接顶压管芯内壁混凝 土形成的表面拉应力，从而形成环向裂缝。

2.3 立式起吊原因。标准管生产过程中，管芯到成品工序均由专用圆盘式吊具吊运。圆盘式吊具通过卡具锁死插 口钢圈的第二个凹槽，对插口钢圈施加环向压力 起吊重达50t的管芯。该环向压力在插口钢圈与 薄钢板搭接焊形成的截面突变处造成应力集中，同时，插口端内壁混凝土则因传导管材自身重量 形成拉力，两项应力叠加易形成环向裂缝。

3 插口内壁混凝土的抗裂措施

根据PCCP 插口内壁混凝土环裂的形成机理可概括为：管芯在缠绕预应力钢丝时，因插口工作面不缠丝，插口端管芯受压变形向外翻产生附加纵向弯矩，当附加弯矩值超过管芯截面的抗弯能力临界值时，管芯内壁混凝土被拉伸破坏产生裂缝，并且随着预应力的不断施加，裂缝向钢筒内壁深处发展。管道自身结构特点以及现有生产工艺，发生环裂是不可避免。[1]在不改变管芯壁厚设计尺寸的前提下，通过调整插口钢环内侧钢丝网片直径、置换插口端浮浆层、加强原材料的质量控制等措施，分散插口端管芯承受的拉应力及提升插口端混凝土强度，试图避免环裂现象的发生。通过研究发现，单纯提高插口端的抗弯能力并不能适应高工压、 双层缠丝管道的抗裂要求，原因在于提高插口抗弯能力的同时，对插口外翻变形的限制作用将导致插口端根部附加弯矩的增大。因此，预防 PCCP 插口内壁混凝土环裂，既要提高插口端的抗弯能力，也要降低因限制管芯外翻变形而产生的附加弯矩，才能达到防止环裂的目的。由于高工压、双层缠丝管道施加在管芯上的预应力较大，导致缠丝过程在插口端内壁产生的纵向附加弯矩较单层缠丝管道更大，因此，仅仅提高插口端内壁混凝土的抗弯能力以避免环裂的措施无法奏效，必须同时通过一定的疏导措施，使过大的附加弯矩得到释放。该措施中钢纤维混凝土的范围、变形缝的尺寸以及内衬钢环的尺寸等，需根据具体管道参数以及管道结构分析结果予以确定。

结束语：基于抗裂措施对于保证管道整体性、提高承载能力、 延长使用年限等方面具有积极意义。但是PCCP 生产工艺复杂，环裂除了与管道结构因素有关，还受制于施工质量、环境条件等多种因素，未来应结合 PCCP 生产过程进一步完善具体工艺。

参考文献

[1] 张树凯.预应力钢筒混凝土管发展回顾与前景展望[J].混凝土与水泥制品，2017（2）：25-28.

[2] 孙绍平，王贯明.预应力钢筒混凝土管特性[J].市政技术，2018，24（2）：15.