預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管的特性

1、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管的特性目前世界上長距離輸水所用的大口徑管材,多采用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(Prestressed Concrete CylinderPipe,簡(jiǎn)稱PCCP)。它是由帶鋼筒的高強(qiáng)混凝土管芯纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲,再噴以水泥砂漿保護(hù)層而構(gòu)成;用鋼制承插口和鋼筒焊在一起,由承插口上的凹槽與膠圈形成滑動(dòng)式柔性接頭;是鋼板、混凝土、高強(qiáng)鋼絲和水泥砂漿幾種材料組合而成的復(fù)合型管材。它具有鋼材和混凝土各自的特性,它的嚴(yán)緊構(gòu)造、優(yōu)異性能是其他材料所不可比擬的。1 PCCP的發(fā)展應(yīng)用與類型1.1發(fā)展與應(yīng)用早在1893年,法國邦納工程師發(fā)明設(shè)計(jì)和制造了鋼筒混凝土管(無預(yù)應(yīng)力鋼絲),其管徑為1 800 mm,

2、內(nèi)壓0.35 MPa,鋪設(shè)于巴黎科隆貝引水管網(wǎng);1939年邦納在鋼筒混凝土管中增加了預(yù)應(yīng)力鋼絲,制成PCCP并鋪設(shè)于巴黎郊區(qū)。在美國,1942年洛克沼特公司開發(fā)了PCCP,并在該國逐漸推廣,但多是中等口徑的管子,至1950年普賴斯兄弟公司開始制作大口徑的PCCP,1953年阿美隆公司在不同年代根據(jù)工程的要求,制作了直徑為2 4386 401 mm大口徑的PCCP。PCCP可以承受很高的內(nèi)壓和外壓,具有剛度大、抗?jié)B強(qiáng)、密封嚴(yán)、安裝方便、抗震性能好、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn),因而在國內(nèi)外的長距離輸水干管、城市供水和工業(yè)有壓排水(包括一般電廠、核電站)、壓力倒虹吸、污水壓力干管、水下管道(清潔水或鹽水

3、)、溢流管等工程中被廣泛采用。在北美地區(qū)工程應(yīng)用已接近3萬km。1983年,美國普賴斯兄弟公司為利比亞人工大河應(yīng)用PCCP進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)和技術(shù)支持。其第一期和第二期工程現(xiàn)已完成3 622 km,第三期工程還在進(jìn)行中。19851987年期間,美國阿美隆公司在沙特阿拉伯建造409 kmPCCP引水工程。我國1983年開始對(duì)PCCP進(jìn)行研究,1987年在工程上應(yīng)用,1988年引進(jìn)部分國外設(shè)備用于生產(chǎn)PCCP,目前用于供水工程的管材其生產(chǎn)管徑可達(dá)3 000 mm、污水工程的管徑為3 600 mm。目前,美國壓力管的種類有:(1)在管壁中帶有鋼筋或焊接鋼筋網(wǎng)的鋼筒鋼筋混凝土管(AWWAC300);(2)

4、預(yù)加應(yīng)力于管芯的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(AWWAC301);(3)一般鋼筋混凝土管,但具有鋼制承插口的無鋼筒鋼筋混凝土管(AWWAC302);(4)對(duì)熱軋鋼筋預(yù)加拉力,帶鋼筒纏繞鋼筋的混凝土管(AWWAC303);(5)彎管、T型管、Y型管、縮徑管等異形管。1.2 PCCP類型(1)內(nèi)襯式(稱襯筒管)。鋼筒內(nèi)澆筑混凝土管芯,鋼筒外纏預(yù)應(yīng)力鋼絲,表面噴水泥砂漿保護(hù)層,見圖1。(2)嵌置式(稱埋筒管)。鋼筒置埋于內(nèi)外模間的混凝土中形成管芯,管芯外纏預(yù)應(yīng)力鋼絲,同樣噴水泥砂漿保護(hù)層,見圖2。該種管材中,鋼筒具有抗內(nèi)部液體滲漏和縱向力作用?；炷凉苄竞弯撏残纬蓜傂怨?可抵抗外荷載和發(fā)生屈曲,以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)

5、定?；炷凉苄具€可保護(hù)鋼筒不受侵蝕;預(yù)應(yīng)力鋼絲可承擔(dān)內(nèi)外荷載;砂漿保護(hù)層可保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼絲不受侵蝕;鋼制承插式接頭為柔性連接,其中膠圈可起到密封作用。2 PCCP特性(1)能夠承受較高的內(nèi)外荷載(以美國4個(gè)工程所用PCCP的主要技術(shù)數(shù)據(jù)為例),見表1。從表1可以看出,無論是管頂覆土已達(dá)14.77 m,還是管內(nèi)水壓已達(dá)1.758 MPa,管壁厚度均可根據(jù)工程需要而調(diào)整,預(yù)應(yīng)力鋼絲也可以增加至2或3層,其所承擔(dān)的內(nèi)外荷載也還可以增加。(2)安裝方便,適宜于各種地質(zhì)條件下施工。PCCP重量雖然較重,但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué),所采用的鋼制承插式接頭制做精細(xì),公差極小,其鋼圈由脹圈機(jī)擴(kuò)張至超過彈性極限以保證尺寸精確

6、;承插式鋼圈半徑方向間隙約在1 mm,膠圈截面直徑公差±0.4 mm,硬度和強(qiáng)度指標(biāo)都非常嚴(yán)格,因而密封而不漏水。接頭處有柔性,轉(zhuǎn)角范圍:大口徑管0.3°1°,中口徑管1°332°23,小口徑管1°515°24。該種管具有適應(yīng)地基變形的能力;當(dāng)?shù)匦巫兓蚬こ逃刑厥庖髸r(shí),還可以使用彎管、T形、Y形、十字形管和斜端管;在特殊情況下,還可以使用限制接頭、深度接頭或小偏轉(zhuǎn)角接頭,所以PCCP適宜于在各種復(fù)雜條件下施工。如:1980年在弗吉尼亞施工的1個(gè)管道工程,自中部山地經(jīng)過森林,然后往下直到海岸平原的濕地,全長350 km,共分

7、5個(gè)標(biāo)段施工,其中3個(gè)標(biāo)段采用PCCP,2個(gè)標(biāo)段采用球墨鑄鐵管(DIP)。在地基松軟的地質(zhì)狀況下,使用DIP的2個(gè)標(biāo)段不得不改用PC-CP,才使工程順利完工。又如,19761979年美國在加州圣-昂弗瑞修建核電站,其海水循環(huán)冷卻管選擇了管徑為3 0485 486 mm、壁管為254387 mm的PCCP。該管道在海底埋深為1.2 m,海水深20 m,總長度6 250 m,設(shè)計(jì)內(nèi)壓0.14 MPa。通過以上工程可以看出,PCCP能擔(dān)當(dāng)起深覆土、高內(nèi)壓及在復(fù)雜條件下的輸水任務(wù)。(3)使用壽命長。以國外工程實(shí)例和實(shí)地檢測(cè)和壽命評(píng)價(jià)加以說明。工程實(shí)例1926年,美國劉易斯湯公司在頓湯市安裝了管徑為2

8、100 mm、長度7 620 m的預(yù)應(yīng)力無鋼筒混凝土管至今仍在使用,已經(jīng)79 a。1939年,邦納在巴黎郊區(qū)安裝的PCCP目前仍在使用,至今已經(jīng)66 a。1943年,洛克紹特公司和普賴斯兄弟公司生產(chǎn)的PCCP仍在使用,至今已經(jīng)62 a。1947年,普賴斯兄弟公司在密西根州修建的Saginaw到Middland管道,管徑1 620 mm,圖1襯筒管長度126 km,至今仍在正常運(yùn)轉(zhuǎn),已經(jīng)58 a。實(shí)地檢測(cè)1989年3月,美國混凝土學(xué)會(huì)“國際混凝土”曾發(fā)表了勒爾-潑勒伯等人對(duì)運(yùn)行的混凝土壓力管耐久性實(shí)地檢測(cè)和評(píng)估的文章,其檢測(cè)內(nèi)容為:從使用不同年代的PCCP管體上取保護(hù)層試件(有60 a、48 a

9、、45 a、25 a、13 a齡期)做水泥試驗(yàn)、水泥砂漿斷面巖相分析、鋼絲銹蝕檢查等。檢測(cè)結(jié)論是水泥砂漿保護(hù)層斷面均勻,工作狀態(tài)良好,有效地防止鋼絲銹蝕,已安裝的管道可以繼續(xù)使用,設(shè)計(jì)壽命可以制定為75 a,生產(chǎn)條件的改善可有更長的使用壽命。G.Midorn對(duì)保護(hù)層的巖相分析和斷面均勻情況見圖3。使用單位和學(xué)術(shù)團(tuán)體對(duì)PCCP的壽命評(píng)價(jià)在1976年舉行的國際殼體結(jié)構(gòu)會(huì)議上,美國工程試驗(yàn)中心主任司祖勒等在大口徑預(yù)應(yīng)力混凝土管一文中,對(duì)PCCP的使用壽命評(píng)估為100 a以上;1997年美國陸軍工兵設(shè)計(jì)規(guī)范(EM111a2-2902)中,使用混凝土壓力管的壽命為75100 a;美國混凝土管協(xié)會(huì)將混凝土

10、管使用壽命評(píng)定為100 a以上。美國土木工程學(xué)會(huì)和材料學(xué)會(huì)認(rèn)為PCCP可使用100 a;19971998年加州圣地亞哥的South BayOcean Outfall工程業(yè)主將鋼筋混凝土鋼筒管的使用壽命定為75 a。通過對(duì)實(shí)際工程的了解和對(duì)PCCP管體的檢測(cè),可以從它的構(gòu)造看出其可靠性的機(jī)理:鋼筒是被混凝土包圍,高強(qiáng)鋼絲是被水泥漿和水泥砂漿保護(hù)層所保護(hù),而水泥的pH值高達(dá)12.5,在這樣高堿的環(huán)境中,管道中的鋼材表面會(huì)形成非活性的金屬氧化膜,因此實(shí)現(xiàn)了PCCP的抗腐蝕能力,進(jìn)而延長了使用壽命。(4)抗震性能好。地震時(shí),地震波使管子產(chǎn)生壓縮、拉伸或轉(zhuǎn)角,而PCCP的鋼制承插式接頭因具有柔性,所以可

11、避免管道被破壞。如:1971年美國圣費(fèi)爾南多地震,鋼管遭受破壞的很多,但加州地區(qū)的PCCP安然無恙;1994年美國北頂?shù)卣?輸、配水的鋼管都被破壞,但PCCP僅在山坡上的接頭處出現(xiàn)漏水,后經(jīng)修理繼續(xù)運(yùn)行;1999年我國臺(tái)灣地震,其他管材都有破損,而PCCP沒有一處損壞。各種不同管材的管道震害率見表2。(5)運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低。美國混凝土壓力管協(xié)會(huì)19911995年在北美地區(qū)(包括加拿大)對(duì)不同管材的管道運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用進(jìn)行了調(diào)查。調(diào)查結(jié)果表明,PCCP的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用約為球墨鑄鐵管的1/3,鋼管的1/5,其使用壽命是其他管道的2倍。運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)比較見表3。3存在的問題1991年,美國混凝土壓力管協(xié)

12、會(huì)主席克力夫曾對(duì)該國PCCP存在的問題進(jìn)行過闡述。概括說來是當(dāng)時(shí)生產(chǎn)廠家Interpa存在制造工藝問題和腐蝕、陰極保護(hù)不當(dāng)?shù)膯栴}。該廠使用的集料、高強(qiáng)鋼絲等原材料有問題,因而使得PCCP在工程上屢次發(fā)生事故。PCCP運(yùn)行記錄比較見表4。由此可見,生產(chǎn)廠家一旦粗制濫造,忽視質(zhì)量,就會(huì)給工程帶來巨大損失。4結(jié)語縱觀PCCP的發(fā)展與應(yīng)用,雖然其耐久性和可靠性在美國的不少工程中已得到了充分體現(xiàn),但也出現(xiàn)(下轉(zhuǎn)第125頁)圖3保護(hù)層的巖相分析管道種類費(fèi)用(美元/a/km)PCCP 73.62鋼筋混凝土管101.62鋼筒混凝土管104.37球墨鑄鐵管203.75鋼管379.75表3各種管道運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用比較表4美國PCCP運(yùn)行記錄生產(chǎn)廠其他9家Interpa其他廠其他運(yùn)行年限/a 47 37 6 5管子損壞數(shù)/個(gè)38 80 2 0管子損壞占工程量/%0.2 0.7 0.07 0紀(jì)錄項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)年代1943-1990 1943-1981 1985-1990 1991-1995管道種類震害率鐵管4.1PVC管68.4PCCP 0其他塑料管(包括PE、玻璃鋼等)0.