一种PCCP管钢筒混凝土协同增强结构及其制备方法与流程

本发明涉及预应力钢筒混凝土管制造，具体涉及一种pccp管钢筒混凝土协同增强结构及其制备方法。

背景技术：

1、pccp管由内衬混凝土、钢筒、管芯混凝土、环向预应力钢丝和砂浆保护层组成，广泛应用于长距离输水工程。传统pccp管的钢筒壁厚为1.5mm至3.0mm，在结构设计中仅作为防渗层使用，结构计算中不计入钢筒的抗拉贡献，管芯混凝土是主要承重构件，内水压力全部由环向预应力钢丝承担。

2、上述设计概念带来三方面问题。其一，全部内水压力由预应力钢丝承担，钢丝用量大，缠丝成本在管材造价中占比高。其二，管芯混凝土的抗裂完全依赖钢丝预压应力，运行中断丝导致预压应力损失，进而引发管芯开裂、渗漏乃至爆管，钢丝断丝是pccp管失效的主要诱因。其三，钢筒与混凝土的界面为光滑接触，粘结强度低，界面滑移使钢筒处于应力闲置状态，材料性能未被利用。

3、既有研究文献还记载，钢筒表面凸出的焊缝会约束混凝土的干缩，造成应力集中并诱发管芯内壁螺旋裂缝，因此本领域技术人员长期将钢筒表面凸出物视为需要管理的缺陷，在设计中避免钢筒表面出现凸出构造，更不会主动在钢筒表面增设凸出结构，薄壁钢筒无法可靠参与结构受力成为本领域的技术偏见。此外，管体沿轴向的受力与刚度分布并不均匀，承插口环邻近区段因接头构造存在刚度突变，界面剪应力与滑移变形集中于管端，而管体中部以均匀环向拉力为主，均匀布置的连接构造无法与该受力分布匹配。如何使薄壁钢筒与混凝土可靠协同受力，同时控制界面裂缝并适应管体受力分布的不均匀性，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有pccp管钢筒功能单一、缠丝粘结不可靠及承插口区易脱空开裂的问题，本技术方案提供一种pccp管钢筒混凝土协同增强结构，包括内衬混凝土、钢筒、管芯混凝土、缠绕于管芯混凝土外表面的环向预应力钢丝以及包覆于环向预应力钢丝外部的砂浆保护层。钢筒的壁厚为1.5mm至3.0mm。钢筒的外表面设置有沿管轴向延伸的螺旋凸肋，螺旋凸肋沿管轴向分为多个凸肋段，相邻凸肋段的螺旋方向相反，使左旋凸肋段与右旋凸肋段沿管轴向交替排布，相邻凸肋段的旋向转换处形成旋向转换节点。钢筒的内表面设置有多个锚固件，锚固件伸入内衬混凝土中，螺旋凸肋嵌入管芯混凝土中，钢筒通过双侧咬合与内衬混凝土和管芯混凝土形成整体受力结构，使钢筒由抗渗构造转变为环向受拉构件，在管内输水内压及外部荷载工况下与环向预应力钢丝共同承担环向拉力。在管内输水压力作用下，钢筒与环向预应力钢丝的环向拉应变协调一致，二者按各自环向抗拉刚度分担环向拉力。

2、内衬混凝土、钢筒、管芯混凝土、环向预应力钢丝和砂浆保护层沿管径向由内向外依次设置。锚固件的一端焊接固定于钢筒的内表面，另一端伸入内衬混凝土的厚度范围内，锚固件的伸入长度不小于内衬混凝土厚度的二分之一。螺旋凸肋与钢筒为同一钢板的一体成型结构，管芯混凝土包覆钢筒外表面并充满相邻螺旋凸肋之间的空间。环向预应力钢丝按设计螺距缠绕于管芯混凝土的外表面，钢丝两端锚固于承插口环。砂浆保护层包覆环向预应力钢丝，保护钢丝免受外界环境侵蚀。钢筒位于内衬混凝土与管芯混凝土之间，内表面经锚固件与内衬混凝土连接，外表面经螺旋凸肋与管芯混凝土连接，内外双侧咬合使钢筒与两侧混凝土同步变形，钢筒的环向拉应变与管芯混凝土及内衬混凝土的环向应变协调一致。

3、相邻凸肋段的旋向相反，钢筒外表面任一处的凸起走向沿管轴向交替换向，管芯混凝土干缩滑移及温度变形沿任一单向路径传递时均在凸肋段交替处受阻，收缩微裂纹被限定在单个凸肋段范围内，不能跨段扩展。旋向转换节点处的混凝土局部咬合加强，裂纹扩展至旋向转换节点时终止。螺旋凸肋沿管轴向的凸肋段长度为0.8m至1.5m，旋向转换处混凝土局部加厚咬合。凸肋段长度依据管径与混凝土收缩量确定，管径越大、收缩量越大则凸肋段长度取较大值，使单个凸肋段内累积的收缩应力不超过混凝土的开裂应力。对于公称内径不大于1200mm的管材，凸肋段长度宜取0.8m至1.0m；对于公称内径不小于3000mm的管材，凸肋段长度宜取1.2m至1.5m。相邻凸肋段在旋向转换处的肋条端部相互搭接或封闭连接，避免肋条中断形成传力缺口。旋向转换节点沿管轴向分布，相邻旋向转换节点的间距与凸肋段长度一致，任一节凸肋段均构成独立的收缩变形单元。

4、内衬混凝土位于钢筒内侧，其干缩方向背离钢筒，内衬混凝土与钢筒内表面的界面连接由锚固件承担，锚固件抵抗内衬混凝土干缩产生的界面剪力。管芯混凝土位于钢筒外侧，其干缩方向指向钢筒，径向收缩位移在楔形咬合面上分解为沿肋面的滑移分量和垂直于肋面的压紧分量，压紧分量随收缩量增大而增大。内衬界面与管芯界面的传力机制不同，分别由锚固件锚拉和楔形咬合楔紧承担，两种机制与两侧混凝土各自的收缩方向相适应。

5、螺旋凸肋的横截面为梯形，梯形侧腰与钢筒外表面法线的夹角为30°至60°，构成楔形咬合面。管芯混凝土硬化干缩时径向收缩，对楔形咬合面产生径向压紧分力，管芯混凝土与钢筒外表面的界面随干缩发展而楔紧，界面咬合随干缩发展而自行增强。夹角越大则咬合越深、抗滑移能力越强但脱模与成型难度增大，夹角越小则成型越容易但咬合作用减弱，30°至60°的范围兼顾成型可行性与咬合可靠性。楔形咬合面可采用对称梯形或不对称梯形，采用不对称梯形时，面向管芯混凝土收缩来向一侧的侧腰夹角取较大值。

6、梯形楔形咬合面的表面上设置有横向微齿，微齿的高度为0.2mm至0.5mm，微齿沿管轴向排列于楔形咬合面上。混凝土初凝前塑性阶段粘结薄弱，微齿嵌入塑性混凝土提供早期机械抗滑阻力，承担早期抗滑功能；混凝土硬化后干缩发展，楔形咬合面开始楔紧并承担长期咬合功能。早期抗滑与长期咬合按龄期先后衔接，覆盖从浇筑到服役全龄期的界面传力需求。微齿在滚压成型螺旋凸肋的同一工序中同步压制形成。两种机制的分工按混凝土龄期划分，初凝前的塑性阶段由微齿承担界面抗滑，硬化早期微齿与楔形咬合面共同作用，硬化后期干缩充分发展，楔形咬合面楔紧并承担主要的界面传力。微齿的齿形为三角形或梯形，齿尖朝向与肋面滑移方向相反，滑移发生时齿尖嵌入混凝土形成逐级增大的咬合阻力。微齿可为连续齿条，也可为沿肋面断续分布的齿段，断续分布时相邻齿段的间隔不大于齿段长度。

7、螺旋凸肋的螺距在管身中部区段为150mm至300mm，在承插口区段为100mm至150mm，承插口区段加密布置以加强该区段钢筒与管芯混凝土的协同受力。螺旋凸肋的肋高为8mm至15mm。螺旋凸肋为钢板经滚压塑性变形形成的凸起筋条，成型时不额外增加材料，凸肋背面相应形成凹槽，凹槽位于钢筒内壁一侧，浇筑后由内衬混凝土填充。螺旋凸肋的横截面面积为每米管长0.010m²至0.020m²，环向预应力钢丝的横截面面积为每米管长0.003m²至0.012m²，二者面积比为1.5至3.0，二者的环向抗拉刚度比与该面积比相适应。钢筒的纵焊缝避开相邻凸肋段的旋向转换节点布置，避免焊接热影响区与应力集中区叠加。螺距与肋高依据管径和管芯混凝土厚度选取，管径越大螺距取越大值，肋高不大于管芯混凝土厚度的三分之一，保证管芯混凝土对凸肋的完整包覆。螺旋凸肋与环向预应力钢丝的横截面面积比按内压工况下的拉力分担比例确定，二者的环向抗拉刚度比决定各自分担的拉力份额，面积比取1.5至3.0时钢筒分担30%至50%的环向拉力，钢丝用量相应减少。钢筒纵焊缝避开旋向转换节点不小于100mm布置。

8、锚固件沿管轴向分为加密区和非加密区梯度布置。加密区位于承插口区，加密区范围为自管端起0.5m至1.0m，加密区内的锚固件为栓钉，栓钉的环向间距为100mm至200mm、纵向间距为150mm至300mm。非加密区位于管身中部，非加密区内的锚固件为延性短弯筋，延性短弯筋的环向间距为300mm至500mm、纵向间距为400mm至600mm。锚固件在管端的布置位置避开承插口环的安装位置。承插口区为应力集中区且砂浆保护层在该区较薄，界面脱空开裂风险最高，加密布置锚固件以针对性加强；管身中部受力均匀，采用延性短弯筋在保证锚固可靠的同时兼顾延性变形能力并降低焊接工作量。栓钉的长度不大于内衬混凝土厚度的三分之二，避免穿透内衬混凝土影响管内输水过流面。延性短弯筋的弯折段与钢筒内表面呈30°至45°夹角，界面错动时弯筋产生弯曲变形，利用钢筋延性吸收变形而不脆断。承插口环安装于管端并兼作环向预应力钢丝的缠丝锚固部件，锚固件避开承插口环的安装位置布置，防止焊接位置干涉和局部应力叠加。加密区范围按承插口接头应力集中的影响长度确定，并留有延伸余量。

9、栓钉采用电容储能螺柱焊焊接到钢筒内表面，延性短弯筋采用电阻点焊焊接到钢筒内表面。电容储能螺柱焊与电阻点焊的热输入均控制在薄板允许范围内，焊接热输入不使钢筒烧穿，不产生明显焊接变形。两种焊接工艺的焊接接头抗剪强度均不低于锚固件母材的抗剪强度。焊接热输入依据钢板厚度设定，壁厚1.5mm至3.0mm的钢板上栓钉焊接热输入控制在500j至1200j范围内。焊后逐件进行外观检查，并按生产批次抽样进行抗剪试验，抽检不合格时对该批次的全部焊接接头重新检验。

10、本技术方案还提供上述pccp管钢筒混凝土协同增强结构的制备方法，包括以下步骤：s1 钢板开卷矫平后由组合辊模在同一滚压道次同步成型交替旋向分段的螺旋凸肋、肋面横向微齿和板面定位标记，对每个凸肋段编号并记录旋向转换节点位置；s2 按定位标记中的对缝基准线卷制钢筒，纵焊缝避开旋向转换节点，焊接承插口环，对焊缝进行渗漏检验；s3 按定位标记中的分区线在钢筒内表面按梯度分区焊接锚固件，栓钉采用电容储能螺柱焊，延性短弯筋采用电阻点焊，记录每个锚固件的焊接参数；s4 对钢筒进行水压检验，在检验压力下验证钢筒焊缝与承插口环焊缝的气密性，复验锚固件焊点的焊接质量，并采集钢筒环向变形数据，计算钢筒实测环向刚度；s5 浇筑内衬混凝土并养护至设计强度的70%以上；s6 在钢筒外表面浇筑管芯混凝土并振捣密实，养护至设计强度的70%以上；s7 按s4所得钢筒实测环向刚度修正缠丝张拉应力，按修正后的缠丝张拉应力缠绕环向预应力钢丝，记录缠丝张拉力与缠丝位置数据；s8 辊射砂浆保护层并养护成型，成品进行出厂水压检验，检验数据按批次反馈修正s1的滚压成型参数。步骤s1至s8顺序执行，前一步骤的输出作为后一步骤的输入。s1中滚压成型采用冷滚压工艺，成型后逐段检验肋高与微齿高度。s2中卷板圆度偏差不超过管径的千分之二，纵焊缝避开旋向转换节点不小于100mm。s5和s6中以同条件养护试块的抗压强度判定是否达到设计强度的70%。s7中钢丝接头避开承插口区布置。s8中砂浆保护层均匀覆盖环向预应力钢丝。

11、制备方法中设置三条传递链实现各流程环节的有序结合。其一为定位信息链，s1滚压成型时对每个凸肋段编号并记录旋向转换节点位置，s2卷板对缝时依据节点位置记录将纵焊缝避开旋向转换节点，s3焊接锚固件时依据凸肋段编号对应排布锚固件位置，使内表面锚固件与外表面螺旋凸肋位置对应。其二为质量数据链，s3记录每个锚固件的焊接参数，s4水压检验复验锚固件焊点质量并采集钢筒环向变形数据，s5和s6记录对应区段的混凝土浇筑振捣与养护数据，s4测得的钢筒实测环向刚度传递至s7用于修正本管缠丝张拉应力，s8成品出厂水压检验数据按批次反馈修正s1的滚压成型参数，各工序数据相互比对，出现偏差时溯源至对应工序。其三为强度传递链，s5内衬混凝土养护至设计强度的70%以上方可进入s6，s6管芯混凝土养护至设计强度的70%以上方可进入s7缠丝，保证钢筒与内衬混凝土和管芯混凝土已形成整体受力结构后再施加预应力，使预应力有效传递至钢筒。上述三种传递机制在各工序间闭环运行，任一工序的质量异常均可沿工序数据向前溯源，并依据凸肋段编号定位至具体的凸肋段和锚固件，形成批次内可追踪、批次间可修正的制备质量控制体系。s4水压检验在同一工序中兼作焊缝气密性检验、锚固件焊点质量复验和钢筒环向刚度测量，测得刚度直接用于修正本管缠丝张拉应力，不增加额外的检测工序。

12、上述结构中，钢筒通过双侧咬合参与环向受拉，承担30%至50%的环向拉力，环向预应力钢丝的缠丝用量可减少15%至30%。左旋凸肋段与右旋凸肋段交替排布，任一收缩微裂纹的扩展范围被限定在0.8m至1.5m的单个凸肋段内。管芯混凝土干缩沿楔形咬合面将凸肋楔紧，界面抗滑移能力随龄期增长而增强，砂浆保护层开裂渗水风险降低。承插口区加密锚固后界面脱空开裂得到抑制。钢筒抗渗功能与结构增强功能合一，无需额外增加抗渗构造。外部荷载工况下，钢筒与管芯混凝土共同抵抗管体的椭圆化变形，管体环向刚度提高，覆土荷载与车辆荷载引起的管径变形减小。温度工况下，左右旋交替的螺旋凸肋约束管芯混凝土的温度变形，温度应力沿各凸肋段分散释放，避免应力集中。内衬混凝土开裂时钢筒仍保持抗渗功能，结构增强功能与抗渗功能相互独立又彼此补充。全龄期内界面传力由微齿早期抗滑与楔形咬合长期楔紧先后承接，界面传力连续无间断。