预应力钢筒混凝土管的特性

1、.预应力钢筒混凝土管的特性目前世界上长距离输水所用的大口径管材,多采用预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete CylinderPipe,简称PCCP)。它是由带钢筒的高强混凝土管芯缠绕预应力钢丝,再喷以水泥砂浆保护层而构成;用钢制承插口和钢筒焊在一起,由承插口上的凹槽与胶圈形成滑动式柔性接头;是钢板、混凝土、高强钢丝和水泥砂浆几种材料组合而成的复合型管材。它具有钢材和混凝土各自的特性,它的严紧构造、优异性能是其他材料所不可比拟的。1 PCCP的发展应用与类型1.1发展与应用早在1893年,法国邦纳工程师发明设计和制造了钢筒混凝土管(无预应力钢丝),其管径为1 800 mm

2、,内压0.35 MPa,铺设于巴黎科隆贝引水管网;1939年邦纳在钢筒混凝土管中增加了预应力钢丝,制成PCCP并铺设于巴黎郊区。在美国,1942年洛克沼特公司开发了PCCP,并在该国逐渐推广,但多是中等口径的管子,至1950年普赖斯兄弟公司开始制作大口径的PCCP,1953年阿美隆公司在不同年代根据工程的要求,制作了直径为2 4386 401 mm大口径的PCCP。PCCP可以承受很高的内压和外压,具有刚度大、抗渗强、密封严、安装方便、抗震性能好、运行和维护费用低等特点,因而在国内外的长距离输水干管、城市供水和工业有压排水(包括一般电厂、核电站)、压力倒虹吸、污水压力干管、水下管道(清洁水或盐

3、水)、溢流管等工程中被广泛采用。在北美地区工程应用已接近3万km。1983年,美国普赖斯兄弟公司为利比亚人工大河应用PCCP进行规划、设计和技术支持。其第一期和第二期工程现已完成3 622 km,第三期工程还在进行中。19851987年期间,美国阿美隆公司在沙特阿拉伯建造409 kmPCCP引水工程。我国1983年开始对PCCP进行研究,1987年在工程上应用,1988年引进部分国外设备用于生产PCCP,目前用于供水工程的管材其生产管径可达3 000 mm、污水工程的管径为3 600 mm。目前,美国压力管的种类有:(1)在管壁中带有钢筋或焊接钢筋网的钢筒钢筋混凝土管(AWWAC300);(2

4、)预加应力于管芯的预应力钢筒混凝土管(AWWAC301);(3)一般钢筋混凝土管,但具有钢制承插口的无钢筒钢筋混凝土管(AWWAC302);(4)对热轧钢筋预加拉力,带钢筒缠绕钢筋的混凝土管(AWWAC303);(5)弯管、T型管、Y型管、缩径管等异形管。1.2 PCCP类型(1)内衬式(称衬筒管)。钢筒内浇筑混凝土管芯,钢筒外缠预应力钢丝,表面喷水泥砂浆保护层,见图1。(2)嵌置式(称埋筒管)。钢筒置埋于内外模间的混凝土中形成管芯,管芯外缠预应力钢丝,同样喷水泥砂浆保护层,见图2。该种管材中,钢筒具有抗内部液体渗漏和纵向力作用。混凝土管芯和钢筒形成刚性管,可抵抗外荷载和发生屈曲,以保证结构的

5、稳定。混凝土管芯还可保护钢筒不受侵蚀;预应力钢丝可承担内外荷载;砂浆保护层可保护预应力钢丝不受侵蚀;钢制承插式接头为柔性连接,其中胶圈可起到密封作用。2 PCCP特性(1)能够承受较高的内外荷载(以美国4个工程所用PCCP的主要技术数据为例),见表1。从表1可以看出,无论是管顶覆土已达14.77 m,还是管内水压已达1.758 MPa,管壁厚度均可根据工程需要而调整,预应力钢丝也可以增加至2或3层,其所承担的内外荷载也还可以增加。(2)安装方便,适宜于各种地质条件下施工。PCCP重量虽然较重,但结构设计科学,所采用的钢制承插式接头制做精细,公差极小,其钢圈由胀圈机扩张至超过弹性极限以保证尺寸精

6、确;承插式钢圈半径方向间隙约在1 mm,胶圈截面直径公差±0.4 mm,硬度和强度指标都非常严格,因而密封而不漏水。接头处有柔性,转角范围:大口径管0.3°1°,中口径管1°332°23,小口径管1°515°24。该种管具有适应地基变形的能力;当地形变化或工程有特殊要求时,还可以使用弯管、T形、Y形、十字形管和斜端管;在特殊情况下,还可以使用限制接头、深度接头或小偏转角接头,所以PCCP适宜于在各种复杂条件下施工。如:1980年在弗吉尼亚施工的1个管道工程,自中部山地经过森林,然后往下直到海岸平原的湿地,全长350 km,共

7、分5个标段施工,其中3个标段采用PCCP,2个标段采用球墨铸铁管(DIP)。在地基松软的地质状况下,使用DIP的2个标段不得不改用PC-CP,才使工程顺利完工。又如,19761979年美国在加州圣-昂弗瑞修建核电站,其海水循环冷却管选择了管径为3 0485 486 mm、壁管为254387 mm的PCCP。该管道在海底埋深为1.2 m,海水深20 m,总长度6 250 m,设计内压0.14 MPa。通过以上工程可以看出,PCCP能担当起深覆土、高内压及在复杂条件下的输水任务。(3)使用寿命长。以国外工程实例和实地检测和寿命评价加以说明。工程实例1926年,美国刘易斯汤公司在顿汤市安装了管径为2

8、 100 mm、长度7 620 m的预应力无钢筒混凝土管至今仍在使用,已经79 a。1939年,邦纳在巴黎郊区安装的PCCP目前仍在使用,至今已经66 a。1943年,洛克绍特公司和普赖斯兄弟公司生产的PCCP仍在使用,至今已经62 a。1947年,普赖斯兄弟公司在密西根州修建的Saginaw到Middland管道,管径1 620 mm,图1衬筒管长度126 km,至今仍在正常运转,已经58 a。实地检测1989年3月,美国混凝土学会“国际混凝土”曾发表了勒尔-泼勒伯等人对运行的混凝土压力管耐久性实地检测和评估的文章,其检测内容为:从使用不同年代的PCCP管体上取保护层试件(有60 a、48

9、a、45 a、25 a、13 a龄期)做水泥试验、水泥砂浆断面岩相分析、钢丝锈蚀检查等。检测结论是水泥砂浆保护层断面均匀,工作状态良好,有效地防止钢丝锈蚀,已安装的管道可以继续使用,设计寿命可以制定为75 a,生产条件的改善可有更长的使用寿命。G.Midorn对保护层的岩相分析和断面均匀情况见图3。使用单位和学术团体对PCCP的寿命评价在1976年举行的国际壳体结构会议上,美国工程试验中心主任司祖勒等在大口径预应力混凝土管一文中,对PCCP的使用寿命评估为100 a以上;1997年美国陆军工兵设计规范(EM111a2-2902)中,使用混凝土压力管的寿命为75100 a;美国混凝土管协会将混凝

10、土管使用寿命评定为100 a以上。美国土木工程学会和材料学会认为PCCP可使用100 a;19971998年加州圣地亚哥的South BayOcean Outfall工程业主将钢筋混凝土钢筒管的使用寿命定为75 a。通过对实际工程的了解和对PCCP管体的检测,可以从它的构造看出其可靠性的机理:钢筒是被混凝土包围,高强钢丝是被水泥浆和水泥砂浆保护层所保护,而水泥的pH值高达12.5,在这样高碱的环境中,管道中的钢材表面会形成非活性的金属氧化膜,因此实现了PCCP的抗腐蚀能力,进而延长了使用寿命。(4)抗震性能好。地震时,地震波使管子产生压缩、拉伸或转角,而PCCP的钢制承插式接头因具有柔性,所以

11、可避免管道被破坏。如:1971年美国圣费尔南多地震,钢管遭受破坏的很多,但加州地区的PCCP安然无恙;1994年美国北顶地震,输、配水的钢管都被破坏,但PCCP仅在山坡上的接头处出现漏水,后经修理继续运行;1999年我国台湾地震,其他管材都有破损,而PCCP没有一处损坏。各种不同管材的管道震害率见表2。(5)运行和维护费用低。美国混凝土压力管协会19911995年在北美地区(包括加拿大)对不同管材的管道运行和维护费用进行了调查。调查结果表明,PCCP的运行和维护费用约为球墨铸铁管的1/3,钢管的1/5,其使用寿命是其他管道的2倍。运行和维护费比较见表3。3存在的问题1991年,美国混凝土压力管

12、协会主席克力夫曾对该国PCCP存在的问题进行过阐述。概括说来是当时生产厂家Interpa存在制造工艺问题和腐蚀、阴极保护不当的问题。该厂使用的集料、高强钢丝等原材料有问题,因而使得PCCP在工程上屡次发生事故。PCCP运行记录比较见表4。由此可见,生产厂家一旦粗制滥造,忽视质量,就会给工程带来巨大损失。4结语纵观PCCP的发展与应用,虽然其耐久性和可靠性在美国的不少工程中已得到了充分体现,但也出现(下转第125页)图3保护层的岩相分析管道种类费用(美元/a/km)PCCP 73.62钢筋混凝土管101.62钢筒混凝土管104.37球墨铸铁管203.75钢管379.75表3各种管道运行和维护费用比较表4美国PCCP运行记录生产厂其他9家Interpa其他厂其他运行年限/a 47 37 6 5管子损坏数/个38 80 2 0管子损坏占工程量/%0.2 0.7 0.07 0纪录项目统计生产年代1943-1990 1943-1981 1985-1990 1991-1995管道种类震害率铁管4.1PVC管68.4PCCP 0其他塑料管(包括PE、玻璃钢等)0.46钢管0.16混凝土管