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【摘 要】预应力钢筒混凝土管（简称“PCCP”）是管道施工中常见的施工组件，也是大型水利项目施工中不可或缺的部分。但PCCP自身存在内壁裂缝问题，严重影响了工程的质量。论文对控制PCCP内壁裂缝的方式进行了研究。研究结果显示，混凝土和钢丝对钢筒焊缝的应力是导致PCCP内壁裂缝的关键因素。
【Abstract】The prestressed concrete cylinder pipe （referred to as "PCCP"） is a common construction component in pipeline construction， and also an indispensable part of large-scale water conservancy project construction. However， PCCP has the problem of inner wall cracks， which seriously affects the quality of the project. This paper studies the way to control the inner wall cracks of PCCP. The results show that the stress of concrete and steel wire to cylinder pipe weld is the key factor to cause the inner wall cracks of PCCP.
【关键词】预应力钢筒混凝土管（PCCP）;内壁;裂缝;控制
【Keywords】prestressed concrete cylinder pipe （PCCP）; inner wall; cracks; control
【中图分类号】TV672+.2 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2019）11-0171-02
【作者简介】安波（1985-），男，甘肃天水人，工程师，从事混凝土管道的质量管理和控制研究。
1 引言
预应力钢筒混凝土管（以下简称“PCCP”）是一种复合型管材结构，是在带有钢筒和混凝土内衬组成的管芯外侧或在由钢筒和钢筒内、外两侧混凝土层组成的管芯混凝土上缠绕钢丝，并在钢丝表面再喷制一层水泥砂浆，从而制作成为PCCP。PCCP管材的内、外抗压能力非常好，且防渗能力和密封能力较好，使用寿命较长，因此，非常适合用作水利工程中的输水管道，我国的南水北调工程中大量使用了PCCP。PCCP产生裂缝的原因主要是钢筒的焊接工艺导致的其内壁应力不均匀，在荷载的作用下便会开裂，PCCP的内壁裂缝（尤其是纵向裂缝）会对其质量带来较大影响，因此，控制其裂缝对于提升水利工程的质量至关重要。
2 PCCP内壁裂缝产生的原因
2.1 混凝土干缩变形
混凝土主要指的是由通过水泥作为胶凝材料，以砂石作为集料，通过加水按照一定比例进行拌合胶结成为一个整体的复合材料的一类统称，也称之普通混凝土，其是现阶段的土木工程当中最常见的材料。从上述分析可知，混凝土自身含有较多的水分，因此，当制作好的PCCP被放置在露天通风的环境下时，空气的流动便会带走混凝土内的水分，失去水分的混凝土便会出现体积缩小的情况。水分流失較多时，混凝土自身的形状也会发生改变，这种现象叫做混凝土的干缩变形。对于PCCP来说，当内壁混凝土干缩变形时，会对其内部的钢筒产生内应力，这种内应力一般不会对完整的钢筒产生影响，但如果应力点在钢筒的焊接处，则钢筒焊接处会受到焊接与混凝土变形的双重应力，导致混凝土在钢筒焊接处开裂。 2.2 缠绕钢丝直径过大
钢丝的缠绕是生产PCCP时的重要环节，可以增加PCCP的内、外部抗压能力，而缠绕的钢丝也会对钢筒产生预应力。一般来说，为提升PCCP结构的可靠度，缠绕的钢丝往往采取很大拉应力，按照一定的钢丝螺距缠绕的方式，会产生沿钢筒周长的环形应力，这种环形应力会对钢筒产生沿周长方向上的拉伸作用，如果钢筒生产环节焊接得不够牢固，焊缝在钢丝的环形钢丝的应力作用下便会开裂[1]。这种由钢丝应力产生的内壁裂缝较为普遍，且这种裂缝会沿着钢筒的焊缝螺旋分布，距管材插口端300mm范围内出现的环向裂缝宽度大于1.5mm，内壁环形裂缝大于0.5mm[2]，则会对PCCP的质量造成一定的负面影响。
3 控制PCCP内壁裂缝的方式
3.1 提升焊接质量
从上文可以看出，无论是由混凝土干缩引起的裂缝，还是钢丝应力引起的裂缝，其本质是相同的，都是由于钢筒的焊缝无法承受应力导致的混凝土开裂。因此，提升钢筒生产环节中的焊接质量，是控制PCCP裂缝的关键。
影响钢筒焊接质量的不仅有焊接的手段，由于不同钢材的焊接特性不同，生产钢筒所用的钢材也会对焊缝质量产生影响。因此，提升焊接质量除了要使用更加先进的焊接手段外，还应当对生产钢筒搭接宽度和焊缝质量进行控制。通常来说，钢筒內混凝土裂缝产生的位置大部分都是钢筒表面不平整的部位——焊缝位置，焊缝在承受压力时会出现应力不均匀的现象，在长时间的压力作用下会导致混凝土开裂。因此在焊接钢板时，应当注意控制对钢板的搭接宽度和焊接过程。尽量保证搭接部位平整的对接，同时在不影响焊接效果的前提下，尽量减小钢板搭接的宽度，尽可能减小焊缝高度，避免因钢板搭接太宽和焊接太高导致混凝土的开裂问题。
3.2 缩小预应力钢丝直径
对于PCCP的总预应力来说，所缠绕钢丝的直径基本不会对总预应力产生影响，但单根钢丝的直径以及缠绕的螺距会影响分布在钢筒表面的预应力的均匀性。当预应力分布不均匀时，钢筒出现裂缝的概率会增加。一般来说，直径较小的钢丝预应力分布更加均匀[3]，钢筒出现裂缝的概率更小。
为了找出适合进行钢筒缠绕的预应力钢丝，选择了常用的5mm、6mm与7mm直径的预应力钢丝进行缠绕实验。PCCP管道共计10节，内压为0.6MPa，分别用三种不同直径的钢丝进行缠绕实验，在一段时间后观察钢筒的裂缝情况。
实验周期为7天。到第7天时，5mm钢丝出现裂缝的管道为1节，而6mm与7mm均为2节，三种钢丝缠绕的钢筒中裂缝的宽度基本一致，但5mm钢丝中裂缝的平均长度更短，这说明较细的钢丝有助于避免PCCP裂缝的产生。
3.3 重视后期养护
由于混凝土自身在外部环境中会失去水分，因此，在PCCP生产完毕后，对其内壁的混凝土和外壁砂浆进行后期洒水养护，及时地补充其水分，避免干缩变形导致内壁混凝土开裂。生产完毕的PCCP管道的两端应当及时进行封堵，避免管道内部的“穿堂风”带走混凝土中的水分。
4 结语
本文对控制PCCP内部裂缝的方式进行了研究，造成PCCP内部裂缝的主要原因是混凝土的干缩变形以及缠绕钢丝的应力。基于此，本文从焊接质量、钢丝直径和后期养护三个角度提出了控制PCCP内部裂缝的建议。
【参考文献】
【1】顾晓波.预应力钢筒混凝土管（PCCP）耐久性探讨[J].黑龙江水利科技，2017（11）：60-62.
【2】GB/T 19685—2017 預应力钢筒混凝土管[S].
【3】奚军.预应力钢筒混凝土管内壁环形裂缝的控制[J].中北大学学报：自然科学版，2016，37（5）：482-486.
【Abstract】The prestressed concrete cylinder pipe （referred to as "PCCP"） is a common construction component in pipeline construction， and also an indispensable part of large-scale water conservancy project construction. However， PCCP has the problem of inner wall cracks， which seriously affects the quality of the project. This paper studies the way to control the inner wall cracks of PCCP. The results show that the stress of concrete and steel wire to cylinder pipe weld is the key factor to cause the inner wall cracks of PCCP.
【关键词】预应力钢筒混凝土管（PCCP）;内壁;裂缝;控制
【Keywords】prestressed concrete cylinder pipe （PCCP）; inner wall; cracks; control
【中图分类号】TV672+.2 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2019）11-0171-02
【作者简介】安波（1985-），男，甘肃天水人，工程师，从事混凝土管道的质量管理和控制研究。
1 引言
预应力钢筒混凝土管（以下简称“PCCP”）是一种复合型管材结构，是在带有钢筒和混凝土内衬组成的管芯外侧或在由钢筒和钢筒内、外两侧混凝土层组成的管芯混凝土上缠绕钢丝，并在钢丝表面再喷制一层水泥砂浆，从而制作成为PCCP。PCCP管材的内、外抗压能力非常好，且防渗能力和密封能力较好，使用寿命较长，因此，非常适合用作水利工程中的输水管道，我国的南水北调工程中大量使用了PCCP。PCCP产生裂缝的原因主要是钢筒的焊接工艺导致的其内壁应力不均匀，在荷载的作用下便会开裂，PCCP的内壁裂缝（尤其是纵向裂缝）会对其质量带来较大影响，因此，控制其裂缝对于提升水利工程的质量至关重要。
2 PCCP内壁裂缝产生的原因
2.1 混凝土干缩变形
混凝土主要指的是由通过水泥作为胶凝材料，以砂石作为集料，通过加水按照一定比例进行拌合胶结成为一个整体的复合材料的一类统称，也称之普通混凝土，其是现阶段的土木工程当中最常见的材料。从上述分析可知，混凝土自身含有较多的水分，因此，当制作好的PCCP被放置在露天通风的环境下时，空气的流动便会带走混凝土内的水分，失去水分的混凝土便会出现体积缩小的情况。水分流失較多时，混凝土自身的形状也会发生改变，这种现象叫做混凝土的干缩变形。对于PCCP来说，当内壁混凝土干缩变形时，会对其内部的钢筒产生内应力，这种内应力一般不会对完整的钢筒产生影响，但如果应力点在钢筒的焊接处，则钢筒焊接处会受到焊接与混凝土变形的双重应力，导致混凝土在钢筒焊接处开裂。 2.2 缠绕钢丝直径过大
钢丝的缠绕是生产PCCP时的重要环节，可以增加PCCP的内、外部抗压能力，而缠绕的钢丝也会对钢筒产生预应力。一般来说，为提升PCCP结构的可靠度，缠绕的钢丝往往采取很大拉应力，按照一定的钢丝螺距缠绕的方式，会产生沿钢筒周长的环形应力，这种环形应力会对钢筒产生沿周长方向上的拉伸作用，如果钢筒生产环节焊接得不够牢固，焊缝在钢丝的环形钢丝的应力作用下便会开裂[1]。这种由钢丝应力产生的内壁裂缝较为普遍，且这种裂缝会沿着钢筒的焊缝螺旋分布，距管材插口端300mm范围内出现的环向裂缝宽度大于1.5mm，内壁环形裂缝大于0.5mm[2]，则会对PCCP的质量造成一定的负面影响。
3 控制PCCP内壁裂缝的方式
3.1 提升焊接质量
从上文可以看出，无论是由混凝土干缩引起的裂缝，还是钢丝应力引起的裂缝，其本质是相同的，都是由于钢筒的焊缝无法承受应力导致的混凝土开裂。因此，提升钢筒生产环节中的焊接质量，是控制PCCP裂缝的关键。
影响钢筒焊接质量的不仅有焊接的手段，由于不同钢材的焊接特性不同，生产钢筒所用的钢材也会对焊缝质量产生影响。因此，提升焊接质量除了要使用更加先进的焊接手段外，还应当对生产钢筒搭接宽度和焊缝质量进行控制。通常来说，钢筒內混凝土裂缝产生的位置大部分都是钢筒表面不平整的部位——焊缝位置，焊缝在承受压力时会出现应力不均匀的现象，在长时间的压力作用下会导致混凝土开裂。因此在焊接钢板时，应当注意控制对钢板的搭接宽度和焊接过程。尽量保证搭接部位平整的对接，同时在不影响焊接效果的前提下，尽量减小钢板搭接的宽度，尽可能减小焊缝高度，避免因钢板搭接太宽和焊接太高导致混凝土的开裂问题。
3.2 缩小预应力钢丝直径
对于PCCP的总预应力来说，所缠绕钢丝的直径基本不会对总预应力产生影响，但单根钢丝的直径以及缠绕的螺距会影响分布在钢筒表面的预应力的均匀性。当预应力分布不均匀时，钢筒出现裂缝的概率会增加。一般来说，直径较小的钢丝预应力分布更加均匀[3]，钢筒出现裂缝的概率更小。
为了找出适合进行钢筒缠绕的预应力钢丝，选择了常用的5mm、6mm与7mm直径的预应力钢丝进行缠绕实验。PCCP管道共计10节，内压为0.6MPa，分别用三种不同直径的钢丝进行缠绕实验，在一段时间后观察钢筒的裂缝情况。
实验周期为7天。到第7天时，5mm钢丝出现裂缝的管道为1节，而6mm与7mm均为2节，三种钢丝缠绕的钢筒中裂缝的宽度基本一致，但5mm钢丝中裂缝的平均长度更短，这说明较细的钢丝有助于避免PCCP裂缝的产生。
3.3 重视后期养护
由于混凝土自身在外部环境中会失去水分，因此，在PCCP生产完毕后，对其内壁的混凝土和外壁砂浆进行后期洒水养护，及时地补充其水分，避免干缩变形导致内壁混凝土开裂。生产完毕的PCCP管道的两端应当及时进行封堵，避免管道内部的“穿堂风”带走混凝土中的水分。
4 结语
本文对控制PCCP内部裂缝的方式进行了研究，造成PCCP内部裂缝的主要原因是混凝土的干缩变形以及缠绕钢丝的应力。基于此，本文从焊接质量、钢丝直径和后期养护三个角度提出了控制PCCP内部裂缝的建议。
【参考文献】
【1】顾晓波.预应力钢筒混凝土管（PCCP）耐久性探讨[J].黑龙江水利科技，2017（11）：60-62.
【2】GB/T 19685—2017 預应力钢筒混凝土管[S].
【3】奚军.预应力钢筒混凝土管内壁环形裂缝的控制[J].中北大学学报：自然科学版，2016，37（5）：482-486.