一种PCCP管预应力碳纤维补强加固结构设计

摘要

本发明涉及一种PCCP管的预应力碳纤维补强加固结构设计，所述PCCP管预应力碳纤维补强加固结构从内侧到外侧依次包括：柔性防渗涂层、碳纤维布层、弹性及刚性组合垫层以及PCCP管（预应力钢筒混凝土管）。本发明提供的PCCP管预应力碳纤维补强加固结构，通过设置弹性垫层，在保证PCCP管没有明显受力的前提下，增加了碳纤维布层的变形量，从而增加了碳纤维布层所能承受的拉应力，即预应力碳纤维，进而减小了分散到PCCP管的应力，避免了PCCP管混凝土出现裂缝或预应力钢丝断裂，使碳纤维材料的高强度优势得到充分发挥，最大程度地增加了碳纤维对PCCP管的补强加固效果。

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程领域，具体涉及一种PCCP管预应力碳纤维补强加固结构设计。

背景技术

预应力钢筒混凝土管( Prestressed Concrete Cylinder Pipe，简写PCCP管)是指在带有钢筒的高强混凝土管芯上缠绕环向预应力钢丝，再在其上喷制致密的水泥砂浆保护层而制成的输水管。它是由薄钢板、高强钢丝和混凝土构成的复合管材，综合发挥了钢材的抗拉、易密封和混凝土的抗压、耐腐蚀性能，具有高密封性、高强度和高抗渗的特性，广泛应用于长间隔输水干线、压力倒虹吸、城市供水工程、产业有压输水管线、电厂循环水工程下水管道、压力排污干管等。与以往管材相比，PCCP管具有适用范围广、经济寿命长、抗震性能好、安装方便、基本不漏水等优点。目前我国引调水工程中使用PCCP管的工程越来越多。但由于设计、施工质量缺陷、运行管理不当等原因，目前已发生多个工程出现爆管现象，严重威胁着输水管道的安全运行。大部分爆管是由于高强混凝土管芯上缠绕环向预应力钢丝出现断丝所致，为了防患于未然，对检测出有断丝的PCCP管需要进行加固。

PCCP管加固可以采用置换、加大外部断面、粘钢法、内衬钢桶、外部粘贴碳纤维及内侧粘贴碳纤维等方法。这些方法各具特色，互有优劣。内侧粘贴碳纤维加固PCCP管技术是通过树脂类胶结材料将碳纤维材料粘贴于PCCP管内侧混凝土表面，通过两者的共同作用达到加固补强、改善结构受力性能的一种加固技术。与其他加固技术相比，这种技术无需大型施工机具，施工简便、高效、质量易保证。碳纤维材料一般具有良好的耐腐蚀性和耐久性，片材较轻且薄，基本不增加原结构自重及不减少PCCP管的过水断面。但大量的实验研究和工程实践表明，目前的从内侧粘贴碳纤维加固PCCP管技术存在一些固有缺陷，由于碳纤维弹性模量相对其强度低得多，发挥强度时需要较大的变形，难以抑制PCCP管结构的变形与裂缝的发展，导致用碳纤维布加固PCCP管效果不明显。如碳纤维在较低的应力水平时PCCP管混凝土就会发生出现裂缝或外侧预应力钢丝断裂，使碳纤维材料的高强度优势不能得到有效发挥。这些缺陷在很大程度上降低了碳纤维对PCCP管进行加固的效果，增加了补强加固成本。

发明内容

为改善现有技术的不足，提出一种补强加固结构设计，可在高压水作用下最大程度利用碳纤维高强度的优势加固PCCP管，本发明提供了一种预应力碳纤维补强加固PCCP管的结构设计，设于PCCP管内壁，所述PCCP管预应力碳纤维补强加固结构设计包括：

柔性防渗涂层，设于PCCP管最内侧，用于防止管内水渗透到碳纤维布和垫层内；

碳纤维布层，设于柔性防渗涂层和垫层之间，在内水压力作用下分担PCCP管承受的拉应力；

垫层，包括间隔设置的弹性垫层和刚性垫层，其中，

弹性垫层设于PCCP管内壁的混凝土层与碳纤维布层之间，用于增加碳纤维布层的变形量；

刚性垫层设于PCCP管内壁的混凝土层与碳纤维布层之间，与弹性垫层在同一层，用于加强碳纤维布与PCCP管的连接；

其中，前述刚性垫层的宽度介于0-30cm，厚度介于3-6mm。

其中，前述弹性垫层的宽度介于20-50cm，厚度介于3-6mm。

其中，前述弹性垫层的厚度等于刚性垫层。

其中，前述刚性垫层的材质为环氧腻子或环氧砂浆。

其中，前述弹性垫层的材质为可压缩的低弹模发泡聚氨酯，所述低弹模发泡聚氨酯的压缩量大于40%。

其中，前述碳纤维布层设为1-3层，通过碳纤维粘结剂黏贴在固化后的弹性垫层和刚性垫层上。

其中，前述碳纤维粘结剂的材质为环氧树脂。

其中，前述柔性防护涂层的厚度介于1~2mm。

其中，前述柔性防护涂层的材质为单组份聚脲。

本发明提供的PCCP管预应力碳纤维补强加固结构设计，通过设置弹性垫层，在保证PCCP管没有明显变形的基础上，增加了碳纤维布层的变形量，从而增加了碳纤维布层所能承受的拉应力，进而减小了分散到PCCP管的应力，有效避免了PCCP管混凝土出现裂缝或预应力钢丝断裂，使碳纤维材料的高强度优势得到有效发挥，最大程度的增加了碳纤维对PCCP管的补强加固效果。

附图说明

图1：根据本发明实施例的PCCP管预应力碳纤维补强加固结构设计示意图。

具体实施方式

为了对本发明的PCCP管预应力碳纤维补强加固结构设计有更进一步的了解，下面配合附图详细说明本发明的结构设计及其产生的效果。

图1为本发明一个实施例的PCCP管预应力碳纤维补强加固结构设计示意图，如图1所示，本发明提供了一种PCCP管预应力碳纤维补强加固结构，设置于PCCP管内，从内侧到外侧依次包括：柔性防护涂层1、碳纤维布层2以及垫层，所述垫层包括弹性垫层31和刚性垫层32。

具体实施时，所述柔性防护涂层1也可以选择性省略，而使制备的PCCP管内仅包括从内侧到外侧的碳纤维布层2、弹性垫层31+刚性垫层32以及钢筒混凝土层4，但在柔性防护涂层1存在的情况下，可有效避免碳纤维在发挥其高强度特性的同时，由于碳纤维布层2伸长率较大、变形较大而可能导致的表面出现微裂缝的情形，从而可以有效解决在高压水作用下PCCP管内部预应力碳纤维防渗的问题。

本发明中，通过在碳纤维布层2和钢筒混凝土层4之间设置垫层，垫层包括弹性垫层31和刚性垫层32，可在保证PCCP管没有明显变形的基础上，增加了碳纤维布层2的变形量，从而增加了碳纤维布层2所能承受的拉应力，进而减小了分散到钢筒混凝土层4的应力，同时避免了PCCP管混凝土出现裂缝或预应力钢丝断裂，使碳纤维材料的高强度优势得到有效发挥，最大程度的增加了碳纤维对PCCP管的加固效果。其具体技术原理是在内水压力作用下，弹性垫层31受压变形，导致其表面的碳纤维布层2受拉，即相当于给碳纤维布层2施加了预拉应力，碳纤维布层2因为处于受拉状态，已有了一定的变形，可以先承担一部分内水压力，再与周边的钢筒混凝土层4一起承受内水压力，因此可以充分发挥碳纤维高抗拉强度的特点。

具体实施时，如图1所示，弹性垫层31和刚性垫层32间隔设置，其中，弹性垫层31的压缩量远远大于刚性垫层32，从而使得弹性垫层31能带动其表面的碳纤维布层2产生较大的变形，从而使碳纤维布层2承受较大的拉应力，而刚性垫层32表面的碳纤维布层2产生的变形较小，因此在实际过程中，可以通过调整弹性垫层31和刚性垫层32的厚度和宽度来调整碳纤维布层2的预拉程度。

所述弹性垫层32的宽度介于20-50cm，厚度介于3-6mm，所述刚性垫层31的宽度介于0-30cm，厚度与弹性垫层的厚度相同。

当然，在保证弹性垫层31与碳纤维牢固粘接的情况下，也可以省略刚性垫层32的设置，而将整个垫层设为弹性垫层31。

具体实施时，所述刚性垫层32的材质可设为环氧腻子或环氧砂浆；所述弹性垫层31的材质可设为可压缩的低弹模发泡聚氨酯，当然，也可以设为其它材料，只要能有效增加碳纤维布层2的变形量，同时与PCCP管牢固粘接即可。

本发明中，所述碳纤维布层2优选设为1-3层，通过碳纤维粘结剂（图未示）黏贴在固化后的垫层上。

本发明中，所述碳纤维粘结剂的材质优选为环氧树脂。

本发明中，所述柔性防护涂层1的厚度介于1-2mm，材质优选为单组份聚脲。

本发明提供的PCCP管预应力碳纤维补强加固结构，主要通过如下步骤操作形成：

（1）根据PCCP管直径的大小，在PCCP管内的钢筒混凝土层4内表面涂刷刚性垫层32，将PCCP管内侧分为若干区；

（2）在各刚性垫层32之间涂刷同厚度的弹性垫层31；

（3）在弹性垫层31固化后，在其表面涂刷碳纤维粘结剂，分层粘贴预应力碳纤维布，形成多层碳纤维布层2；

（4）碳纤维粘结剂固化后，在碳纤维布层2表面涂刷柔性防护层1，其中，柔性防护层1的厚度介于1.5-2mm。

如此，便制成了包括刚性垫层32及弹性垫层31的PCCP管，当然，在需要省略刚性垫层32的情况下，也可以省略步骤（1），而直接在PCCP管的钢筒混凝土层4内表面涂刷弹性垫层31。

综上，本发明提供的PCCP预应力碳纤维补强加固结构，具有如下优点：

（1）通过设置弹性垫层，在保证PCCP管没有明显变形的基础上，增加了碳纤维布层的变形量，从而增加了碳纤维布层所能承受的应力，进而减小了分散到钢筒混凝土层的应力，同时避免了PCCP管混凝土出现裂缝或预应力钢丝断裂，使碳纤维材料的高强度优势得到有效发挥，最大程度的增加了碳纤维对PCCP管的加固效果。设置刚性垫层是为了增加碳纤维层与PCCP管的整体性。

（2）通过间隔设置刚性垫层和弹性垫层，可根据实际需要，调整碳纤维布层的预拉程度，从而使本发明能应用于多种场合。

（3）通过设置柔性防护涂层，可有效避免碳纤维在发挥其高强度特性的同时，由于碳纤维布层伸长率较大、变形较大而可能导致的表面出现微裂缝的情形，从而可以有效解决在高压水作用下PCCP管预应力碳纤维防渗的问题。

虽然本发明已利用上述较佳实施例进行说明，然其并非用以限定本发明的保护范围，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围之内，相对上述实施例进行各种变动与修改仍属本发明所保护的范围，因此本发明的保护范围以权利要求书所界定的为准。