一種PCCP管預應力碳纖維補強加固結構設計的製作方法

2023-06-01 00:48:51 2

本實用新型涉及水利工程領域，具體涉及一種PCCP管預應力碳纖維補強加固結構設計。

背景技術：

預應力鋼筒混凝土管( Prestressed Concrete Cylinder Pipe，簡寫PCCP管)是指在帶有鋼筒的高強混凝土管芯上纏繞環向預應力鋼絲，再在其上噴制緻密的水泥砂漿保護層而製成的輸水管。它是由薄鋼板、高強鋼絲和混凝土構成的複合管材，綜合發揮了鋼材的抗拉、易密封和混凝土的抗壓、耐腐蝕性能，具有高密封性、高強度和高抗滲的特性，廣泛應用於長間隔輸水幹線、壓力倒虹吸、城市供水工程、產業有壓輸水管線、電廠循環水工程下水管道、壓力排汙幹管等。與以往管材相比，PCCP管具有適用範圍廣、經濟壽命長、抗震性能好、安裝方便、基本不漏水等優點。目前我國引調水工程中使用PCCP管的工程越來越多。但由於設計、施工質量缺陷、運行管理不當等原因，目前已發生多個工程出現爆管現象，嚴重威脅著輸水管道的安全運行。大部分爆管是由於高強混凝土管芯上纏繞環向預應力鋼絲出現斷絲所致，為了防患於未然，對檢測出有斷絲的PCCP管需要進行加固。

PCCP管加固可以採用置換、加大外部斷面、粘鋼法、內襯鋼桶、外部粘貼碳纖維及內側粘貼碳纖維等方法。這些方法各具特色，互有優劣。內側粘貼碳纖維加固PCCP管技術是通過樹脂類膠結材料將碳纖維材料粘貼於PCCP管內側混凝土表面，通過兩者的共同作用達到加固補強、改善結構受力性能的一種加固技術。與其他加固技術相比，這種技術無需大型施工機具，施工簡便、高效、質量易保證。碳纖維材料一般具有良好的耐腐蝕性和耐久性，片材較輕且薄，基本不增加原結構自重及不減少PCCP管的過水斷面。但大量的實驗研究和工程實踐表明，目前的從內側粘貼碳纖維加固PCCP管技術存在一些固有缺陷，由於碳纖維彈性模量相對其強度低得多，發揮強度時需要較大的變形，難以抑制PCCP管結構的變形與裂縫的發展，導致用碳纖維布加固PCCP管效果不明顯。如碳纖維在較低的應力水平時PCCP管混凝土就會發生出現裂縫或外側預應力鋼絲斷裂，使碳纖維材料的高強度優勢不能得到有效發揮。這些缺陷在很大程度上降低了碳纖維對PCCP管進行加固的效果，增加了補強加固成本。

技術實現要素：

為改善現有技術的不足，提出一種補強加固結構設計，可在高壓水作用下最大程度利用碳纖維高強度的優勢加固PCCP管，本實用新型提供了一種預應力碳纖維補強加固PCCP管的結構設計，設於PCCP管內壁，所述PCCP管預應力碳纖維補強加固結構設計包括：

柔性防滲塗層，設於PCCP管最內側，用於防止管內水滲透到碳纖維布和墊層內；

碳纖維布層，設於柔性防滲塗層和墊層之間，在內水壓力作用下分擔PCCP管承受的拉應力；

墊層，包括間隔設置的彈性墊層和剛性墊層，其中，

彈性墊層設於PCCP管內壁的混凝土層與碳纖維布層之間，用於增加碳纖維布層的變形量；

剛性墊層設於PCCP管內壁的混凝土層與碳纖維布層之間，與彈性墊層在同一層，用於加強碳纖維布與PCCP管的連接；

其中，前述剛性墊層的寬度介於0-30cm，厚度介於3-6mm。

其中，前述彈性墊層的寬度介於20-50cm，厚度介於3-6mm。

其中，前述彈性墊層的厚度等於剛性墊層。

其中，前述剛性墊層的材質為環氧膩子或環氧砂漿。

其中，前述彈性墊層的材質為可壓縮的低彈模發泡聚氨酯，所述低彈模發泡聚氨酯的壓縮量大於40%。

其中，前述碳纖維布層設為1-3層，通過碳纖維粘結劑黏貼在固化後的彈性墊層和剛性墊層上。

其中，前述碳纖維粘結劑的材質為環氧樹脂。

其中，前述柔性防護塗層的厚度介於1~2mm。

其中，前述柔性防護塗層的材質為單組份聚脲。

本實用新型提供的PCCP管預應力碳纖維補強加固結構設計，通過設置彈性墊層，在保證PCCP管沒有明顯變形的基礎上，增加了碳纖維布層的變形量，從而增加了碳纖維布層所能承受的拉應力，進而減小了分散到PCCP管的應力，有效避免了PCCP管混凝土出現裂縫或預應力鋼絲斷裂，使碳纖維材料的高強度優勢得到有效發揮，最大程度的增加了碳纖維對PCCP管的補強加固效果。

附圖說明

圖1：根據本實用新型實施例的PCCP管預應力碳纖維補強加固結構設計示意圖。

具體實施方式

為了對本實用新型的PCCP管預應力碳纖維補強加固結構設計有更進一步的了解，下面配合附圖詳細說明本實用新型的結構設計及其產生的效果。

圖1為本實用新型一個實施例的PCCP管預應力碳纖維補強加固結構設計示意圖，如圖1所示，本實用新型提供了一種PCCP管預應力碳纖維補強加固結構，設置於PCCP管內，從內側到外側依次包括：柔性防護塗層1、碳纖維布層2以及墊層，所述墊層包括彈性墊層31和剛性墊層32。

具體實施時，所述柔性防護塗層1也可以選擇性省略，而使製備的PCCP管內僅包括從內側到外側的碳纖維布層2、彈性墊層31+剛性墊層32以及鋼筒混凝土層4，但在柔性防護塗層1存在的情況下，可有效避免碳纖維在發揮其高強度特性的同時，由於碳纖維布層2伸長率較大、變形較大而可能導致的表面出現微裂縫的情形，從而可以有效解決在高壓水作用下PCCP管內部預應力碳纖維防滲的問題。

本實用新型中，通過在碳纖維布層2和鋼筒混凝土層4之間設置墊層，墊層包括彈性墊層31和剛性墊層32，可在保證PCCP管沒有明顯變形的基礎上，增加了碳纖維布層2的變形量，從而增加了碳纖維布層2所能承受的拉應力，進而減小了分散到鋼筒混凝土層4的應力，同時避免了PCCP管混凝土出現裂縫或預應力鋼絲斷裂，使碳纖維材料的高強度優勢得到有效發揮，最大程度的增加了碳纖維對PCCP管的加固效果。其具體技術原理是在內水壓力作用下，彈性墊層31受壓變形，導致其表面的碳纖維布層2受拉，即相當於給碳纖維布層2施加了預拉應力，碳纖維布層2因為處於受拉狀態，已有了一定的變形，可以先承擔一部分內水壓力，再與周邊的鋼筒混凝土層4一起承受內水壓力，因此可以充分發揮碳纖維高抗拉強度的特點。

具體實施時，如圖1所示，彈性墊層31和剛性墊層32間隔設置，其中，彈性墊層31的壓縮量遠遠大於剛性墊層32，從而使得彈性墊層31能帶動其表面的碳纖維布層2產生較大的變形，從而使碳纖維布層2承受較大的拉應力，而剛性墊層32表面的碳纖維布層2產生的變形較小，因此在實際過程中，可以通過調整彈性墊層31和剛性墊層32的厚度和寬度來調整碳纖維布層2的預拉程度。

所述彈性墊層32的寬度介於20-50cm，厚度介於3-6mm，所述剛性墊層31的寬度介於0-30cm，厚度與彈性墊層的厚度相同。

當然，在保證彈性墊層31與碳纖維牢固粘接的情況下，也可以省略剛性墊層32的設置，而將整個墊層設為彈性墊層31。

具體實施時，所述剛性墊層32的材質可設為環氧膩子或環氧砂漿；所述彈性墊層31的材質可設為可壓縮的低彈模發泡聚氨酯，當然，也可以設為其它材料，只要能有效增加碳纖維布層2的變形量，同時與PCCP管牢固粘接即可。

本實用新型中，所述碳纖維布層2優選設為1-3層，通過碳纖維粘結劑（圖未示）黏貼在固化後的墊層上。

本實用新型中，所述碳纖維粘結劑的材質優選為環氧樹脂。

本實用新型中，所述柔性防護塗層1的厚度介於1-2mm，材質優選為單組份聚脲。

本實用新型提供的PCCP管預應力碳纖維補強加固結構，主要通過如下步驟操作形成：

（1）根據PCCP管直徑的大小，在PCCP管內的鋼筒混凝土層4內表面塗刷剛性墊層32，將PCCP管內側分為若干區；

（2）在各剛性墊層32之間塗刷同厚度的彈性墊層31；

（3）在彈性墊層31固化後，在其表面塗刷碳纖維粘結劑，分層粘貼預應力碳纖維布，形成多層碳纖維布層2；

（4）碳纖維粘結劑固化後，在碳纖維布層2表面塗刷柔性防護層1，其中，柔性防護層1的厚度介於1.5-2mm。

如此，便製成了包括剛性墊層32及彈性墊層31的PCCP管，當然，在需要省略剛性墊層32的情況下，也可以省略步驟（1），而直接在PCCP管的鋼筒混凝土層4內表面塗刷彈性墊層31。

綜上，本實用新型提供的PCCP預應力碳纖維補強加固結構，具有如下優點：

（1）通過設置彈性墊層，在保證PCCP管沒有明顯變形的基礎上，增加了碳纖維布層的變形量，從而增加了碳纖維布層所能承受的應力，進而減小了分散到鋼筒混凝土層的應力，同時避免了PCCP管混凝土出現裂縫或預應力鋼絲斷裂，使碳纖維材料的高強度優勢得到有效發揮，最大程度的增加了碳纖維對PCCP管的加固效果。設置剛性墊層是為了增加碳纖維層與PCCP管的整體性。

（2）通過間隔設置剛性墊層和彈性墊層，可根據實際需要，調整碳纖維布層的預拉程度，從而使本實用新型能應用於多種場合。

（3）通過設置柔性防護塗層，可有效避免碳纖維在發揮其高強度特性的同時，由於碳纖維布層伸長率較大、變形較大而可能導致的表面出現微裂縫的情形，從而可以有效解決在高壓水作用下PCCP管預應力碳纖維防滲的問題。

雖然本實用新型已利用上述較佳實施例進行說明，然其並非用以限定本實用新型的保護範圍，任何本領域技術人員在不脫離本實用新型的精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種變動與修改仍屬本實用新型所保護的範圍，因此本實用新型的保護範圍以權利要求書所界定的為準。