2013年8月17日，第二屆全國(guó)預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）行業(yè)發(fā)展高峰論壇在石家莊隆重召開(kāi)。北京韓建河山管業(yè)股份有限公司總工劉江寧以《PCCP管道、管件制造及質(zhì)量管理技術(shù)》主題做報(bào)告，他介紹了PCCP的起源和發(fā)展現(xiàn)狀、PCCP的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)、PCCP的設(shè)計(jì)、制作工藝與技術(shù)性能、有關(guān)PCCP等熱點(diǎn)問(wèn)題。

　　一.PCCP的起源和發(fā)展現(xiàn)狀

　　PCCP是預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筒（Prestressed  Concrete Cylinder Pipe）的英文縮寫(xiě)，起源于法國(guó)。1894年法國(guó)Bonna公司的創(chuàng)始人Aime Bonna發(fā)明了帶鋼筒的混凝土管，并申請(qǐng)了專(zhuān)利。

　　二十世紀(jì)40年代，歐美各國(guó)競(jìng)相研制開(kāi)發(fā)。國(guó)際主要制造商有：美國(guó)Ameron公司、Price Brothers公司、法國(guó)Bonna公司、意大利Casagrande公司等。

　　PCCP是在40年代開(kāi)始在世界上得到應(yīng)用，目前世界上使用PCCP最著名的工程是利比亞人工大運(yùn)河（The Great Man-made River）工程。這項(xiàng)工程是大家對(duì)PCCP有了更深刻的了解， 該工程是將沙漠中的淡水引到沿海城市使用，自80年代初期，工程已鋪設(shè)PCCP3000多公里，其中包括2000多公里DN4000 PCCP。大運(yùn)河工程的三期和四期工程仍在進(jìn)行中。目前由于的利比亞戰(zhàn)爭(zhēng)而擱淺部分工程，

　　我國(guó)從80年代末從美國(guó)引進(jìn)PCCP的生產(chǎn)技術(shù),進(jìn)入90年以后這項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)得到了快速發(fā)展。具有代表性工程有：（100km以上或口徑大于3米） 山西萬(wàn)家寨引黃工程、 新疆引額濟(jì)烏衣水工程、哈爾濱磨盤(pán)山引水工程、沈陽(yáng)大伙房引水工程、 南水北調(diào)北京段PCCP工程、山西萬(wàn)家寨引黃二期工程、淮水北調(diào)工程、遼西供水工程。

　　南水北調(diào)北京段PCCP工程DN4000, 55km(雙線(xiàn))

　　但現(xiàn)有生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平參差不齊，有些企業(yè)的技術(shù)水平已經(jīng)進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)水平的行列，也有的企業(yè)仍停留在手工作坊式的生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量令人擔(dān)憂(yōu)。

　　二. PCCP的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

　　1.PCCP的基本構(gòu)成：鋼筒、混凝土管芯、高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲、水泥砂漿保護(hù)層

　　2.PCCP常用結(jié)構(gòu)形式

　　內(nèi)襯式PCCP（DN400-DN1200)

 　　埋置式PCCP（DN1400-DN4000)

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　　3.PCCP的特點(diǎn)

　　（1）工作壓力高

　　在混凝土管芯中加入一層完全閉水鋼筒后，克服了普通混凝土管在高工作壓力下管身滲水的問(wèn)題，PCCP的最高工作壓力可達(dá)3.0MPa。

　?。?） 結(jié)構(gòu)剛性好

　　PCCP的結(jié)構(gòu)剛性是目前所使用輸水  管材中最好的，可以承受較深的覆土荷載及外部動(dòng)荷載。南水北調(diào)工程中DN4000 PCCP 的設(shè)計(jì)覆土深度達(dá)10.5m。

　　（3）使用壽命長(zhǎng)

　　PCCP中所有鋼部件都處于由水泥混凝土“營(yíng)造”的堿性環(huán)境中，確保不受腐蝕。

　?。?）維護(hù)成本低

　　美國(guó)混凝土壓力管協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，PCCP是目前常用輸水管中維護(hù)成本最低的管道。

 　?。?）抗震性能好

　　1999年臺(tái)灣“9.21”7.3級(jí)地震后，臺(tái)灣自來(lái)水公司對(duì)震后各種輸水管道調(diào)查表明，只有PCCP管道經(jīng)受住了地震的破壞，其他管道均有不同程度的破壞。

　　（6）安裝方便

　　承插式接口對(duì)接非常方便，不需現(xiàn)場(chǎng)焊接，也不需復(fù)雜的大型機(jī)具，南水北調(diào)工程曾創(chuàng)造每天安裝34根的紀(jì)錄（每根管重達(dá)70余噸）。

　　三.PCCP的設(shè)計(jì)

　　1. PCCP標(biāo)準(zhǔn)管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

　　目前有兩套設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一個(gè)是AWWA C304 《 DESIGN OF PRESTRESSED CONCRETE CYLINDER PIPE 》、另一個(gè)是CECS 140《給排水工程埋地管芯纏絲預(yù)應(yīng)力混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》。兩套標(biāo)準(zhǔn)都在使用，美國(guó)是C304，目前國(guó)內(nèi)更多的是CECS140，總體來(lái)說(shuō)CECS140更保守一些，因?yàn)?40相對(duì)304要簡(jiǎn)單很多，所以主要介紹AWWA304。

　　AWWA C304的設(shè)計(jì)原則：AWWA C304的基本設(shè)計(jì)思想是綜合考慮由于內(nèi)壓、外壓、管自重及管內(nèi)液體重產(chǎn)生的環(huán)向極限應(yīng)力和極限彎矩。具體地說(shuō)就是在管子承受工作荷載和內(nèi)壓及附加荷載和瞬時(shí)附加壓力時(shí)，環(huán)向極限應(yīng)力都不能超過(guò)所規(guī)定的極限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

　　三種極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 ：㈠工作極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則①.管芯裂縫控制；②.徑向張力控制；③.保護(hù)層裂縫控制；④.管芯壓力控制；⑤.最大內(nèi)水壓力,㈡線(xiàn)性極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；①.鋼絲應(yīng)力控制；②.鋼筒應(yīng)力控制，㈢強(qiáng)度極限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 ①.鋼絲屈服強(qiáng)度控制；②.管芯抗壓強(qiáng)度控制;③爆管壓力控制；④.保護(hù)層粘接強(qiáng)度控制。

　　2. PCCP設(shè)計(jì)中涉及的主要數(shù)學(xué)模型

　?、? 主要材料特性的數(shù)學(xué)模型

　　PCCP設(shè)計(jì)中使用的主要材料的數(shù)學(xué)模型全都來(lái)自ASTM（American Society Testing and Materials）。ASTM是美國(guó)最權(quán)威的材料試驗(yàn)機(jī)構(gòu)，他的數(shù)據(jù)被廣泛的被各國(guó)科研機(jī)構(gòu)采用。

　　管芯混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型

　　管芯混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型說(shuō)明：①取7代替f’c， f’c ＞7；②Ec＜實(shí)際混凝土的彈性模量；③混凝土在其變形ε達(dá)到1.5倍極限變形εt 時(shí)出現(xiàn)微裂縫④混凝土管芯的變形不能超過(guò)1.5 εt ；⑤變形ε達(dá)到11εt 變形時(shí)出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫；⑥立方體強(qiáng)度轉(zhuǎn)換圓柱體強(qiáng)度時(shí)也很保守

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　　保護(hù)層砂漿的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型

　　保護(hù)層砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型說(shuō)明：①取7代替f’m，f’m ＞7；②Em＜實(shí)際砂漿的彈性模量；③變形ε達(dá)到8 ε’tm 變形時(shí)出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫；④砂漿的變形不能超過(guò)8ε’tm （不能出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫）

　　薄鋼板的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型

　　薄鋼板的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型說(shuō)明：①薄鋼板只考慮鋼材的彈性部分；②薄鋼板只起管身抗?jié)B作用；③薄鋼板對(duì)管芯混凝土的增強(qiáng)作用基本不考慮

　　高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型

　　高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型說(shuō)明：①鋼絲的纏絲應(yīng)力為鋼絲斷裂應(yīng)力的75%；②鋼絲的設(shè)計(jì)屈服應(yīng)力為鋼絲斷裂應(yīng)力的85%。

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　?、浦饕奢d的數(shù)學(xué)模型（剛性管）

　?、貾aris（1923）均勻分布土荷載模型：

　　Paris理論要點(diǎn)：管頂荷載均勻分布，荷載寬度為管徑；管底荷載均勻分布，荷載寬度為管溝支撐寬度；管側(cè)面荷載均勻分布（也可呈梯形分布），荷載寬度為管徑。

　?、?Olander（1950）球形分布土荷載模型

　　Olander理論要點(diǎn):土荷載呈兩球形分布，交界點(diǎn)位于管溝支撐角的兩端點(diǎn)。管溝支撐角的兩端點(diǎn)處荷載為零。

　　3.管溝形式的設(shè)計(jì)

　?、艤下袷剑ㄏ侣袷剑┮c(diǎn)是：管溝底部?jī)蓽媳谙嗷テ叫星掖怪庇谒矫?、垂直溝壁部分要高于或等于管的頂部、管溝寬度Bd（管頂部溝槽寬度）要明顯小于覆土深度H。

　?、频贪妒?

　?、俚贪渡下袷揭c(diǎn)是：管子頂部位于地平面之上、管子側(cè)面和上面的覆土堆積成梯形堤岸狀

　?、诘贪断侣袷揭c(diǎn)是：管子鋪設(shè)在一相對(duì)較淺的溝槽中，管頂位于原始地平面之下、覆土的頂部高于地平面，形成一堤壩狀

　　⑶假溝槽式要點(diǎn)是:先按堤岸上埋式安裝管子，將管體兩側(cè)按要求寬度培土并夯實(shí)，堆積高度要求至少高于管頂一個(gè)管子直徑的高度，并形成一個(gè)堤壩狀,將管頂?shù)母餐镣诔?，回填以低容重材料，如鋸末、稻草和有機(jī)土等，最后覆以少量原土以保持低容重材料穩(wěn)定

　　⑷放坡式要點(diǎn)是：溝槽上開(kāi)口較大，管頂溝槽寬度遠(yuǎn)大于覆土深度

　　4. 管溝支撐角的設(shè)計(jì)

　　管溝支撐角（bedding angle）是指當(dāng)管體置于溝槽中管底部能夠有效支撐管體重量的弧線(xiàn)兩端與管心連線(xiàn)之間的夾角。美國(guó)水工協(xié)會(huì)（AWWA）根據(jù)不同的管溝支撐角將管溝分成TYPE R1-TYPE R5 五種類(lèi)型，其支撐分別為30°45°60°90°和120°。管溝支撐角越大，管體受力狀態(tài)越好，相應(yīng)的管溝的制作難度越高，設(shè)計(jì)中最常用的是90°(TYPE R4)。

　　5. 內(nèi)壓設(shè)計(jì)

　?、?工作壓力(Pw)：由設(shè)計(jì)單位根據(jù)工程要求確定的管線(xiàn)長(zhǎng)期運(yùn)行壓力，PCCP的設(shè)計(jì)工作壓力因口徑不同而不同，口徑越大越難以承受高壓力，通常DN2000以下的PCCP設(shè)計(jì)工作壓力不超過(guò)1.5MPa，DN2000以上不超過(guò)1.0MPa。過(guò)高的工作壓力會(huì)使管道成本大幅度提高。

　?、?試驗(yàn)壓力(Pft)：由標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的對(duì)管線(xiàn)進(jìn)行驗(yàn)收的壓力，美國(guó)水工協(xié)會(huì)AWWA C301規(guī)定試驗(yàn)壓力為工作壓力的1.2倍，我國(guó)水利標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工作壓力≤1.0MPa，試驗(yàn)壓力為工作壓力的1.3倍；工作壓力>1.0MPa，試驗(yàn)壓力=工作壓力+0.3MPa。

　?、?瞬時(shí)壓力(Pt)：管線(xiàn)中可能產(chǎn)生的水錘壓力，美國(guó)水工協(xié)會(huì)AWWA C301規(guī)定水錘壓力為工作壓力的0.4倍和0.276MPa中的大值，即：Pt=max(0.4Pw, 0.276MPa)，由于先進(jìn)減壓閥的使用，近期輸水工程多采用此數(shù)值。

　?、?極限壓力(P’k)：管體在工作狀態(tài)和瞬時(shí)壓力聯(lián)合作用下可能產(chǎn)生的極限壓力，我國(guó)“預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管”（GB/T 19685）的抗裂內(nèi)壓試驗(yàn)采用此數(shù)值，管道設(shè)計(jì)時(shí)，任何情況下管道內(nèi)壓不允許超過(guò)此值。

　?、?混凝土零預(yù)壓應(yīng)力內(nèi)壓力(Po)：管芯在內(nèi)壓作用下，混凝土的預(yù)壓應(yīng)力被抵消為零時(shí)的內(nèi)水壓力，管道設(shè)計(jì)時(shí)，ECP管內(nèi)壓必須≤1.0Po；LCP管內(nèi)壓必須≤0.8Po。

　　⑹.破壞壓力(Pb): 管道設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)生爆管的理論壓力,管道設(shè)計(jì)時(shí)，任何情況下管道內(nèi)壓不允許超過(guò)此值,破壞壓力(Pb)通常是工作壓力(Pw)的數(shù)倍。例：DN1600，覆土深度3m，Pw =0.6MPa，Pb=2.06MPa.

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　　三.制作工藝與技術(shù)性能

　　1.PCCP標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)示意圖

　　2.PCCP生產(chǎn)工藝流程

　　四.有關(guān)PCCP熱點(diǎn)問(wèn)題

　　1.PCCP接頭轉(zhuǎn)角

　?、?PCCP接頭轉(zhuǎn)角的主要影響因素

　　合格的插口型材： 尺寸準(zhǔn)確，有試驗(yàn)水道，有前導(dǎo)角

　　膠圈的性能: 永久壓縮變形，硬度（邵氏50-65），強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、抗老化性能優(yōu)良等

　　承插口配合尺寸: 國(guó)標(biāo)（GB/T 19685）規(guī)定：0.4-2.0mm，膠圈壓縮率為35-26%，試驗(yàn)值：20%的膠圈壓縮率可閉住2.0MPa的水壓。

　　轉(zhuǎn)角與管道直徑無(wú)關(guān)

　　開(kāi)口于轉(zhuǎn)角有關(guān)

　　2.預(yù)應(yīng)力鋼絲

　　鋼絲拉拔溫度不能超過(guò)182度;增加了鋼絲纏繞(wrapping test)試驗(yàn)；后此項(xiàng)試驗(yàn)演變成扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)；增加了鋼絲的氫脆試驗(yàn)；在標(biāo)準(zhǔn)中取消了Ⅳ級(jí)鋼絲。

　　3.冷軋板和熱軋板

　　現(xiàn)行美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A611和ASTM A568，A611中分A、B、C、D、E級(jí)

　　在99版美標(biāo)中冷軋板是可已使用，A、B級(jí)太軟，不能用；E級(jí)太硬，太脆也不允許用于PCCP。（301的規(guī)定）；冷軋鋼板可以用于PCCP生產(chǎn)；07版美標(biāo)中取消了參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM A611。

　　4.關(guān)于砂子的含泥量

　　建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)：普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程（JGJ/T55）和普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（JGJ52）中都規(guī)定：有抗?jié)B、抗凍要求的混凝土，砂子含泥量不大于3.0%；C60及以上混凝土，砂子含泥量不大于2.0%。

　　5.關(guān)于裂縫問(wèn)題

　　鋼筒與水接觸會(huì)銹蝕，裂縫會(huì)影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。大量試驗(yàn)證明管體內(nèi)部的裂縫可以愈合；美國(guó)C301標(biāo)準(zhǔn)中認(rèn)為1.5mm的環(huán)向裂縫在今后的輸水過(guò)程中可以愈合；美國(guó)墾務(wù)局的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為2.0mm的管道裂縫可以愈合；要避免管芯內(nèi)部的縱向裂縫。

　　6.PCCP生產(chǎn)中確實(shí)要注意的問(wèn)題

　　與預(yù)應(yīng)力鋼絲有關(guān)的問(wèn)題，如纏絲應(yīng)力、錨固強(qiáng)度、鋼絲接頭及運(yùn)輸包裝。與混凝土強(qiáng)度有關(guān)的問(wèn)題，如配合比、水灰比、養(yǎng)護(hù)、早期強(qiáng)度等，保護(hù)層砂漿的質(zhì)量，如是否有大粒徑顆粒、密實(shí)度等。