预应力钢筒混凝土管（PCCP）研究进展

孙岳阳　胡少伟　胡登兴　黄逸群　王洋

摘要：预应力钢筒混凝土管（PCCP）因其高强度、高抗渗性、高密封性、耐久性好和维护费用低等优点，已经是长距离输调水工程中的首选管材。但是随着使用年限的增加，會出现断丝、渗漏、爆管等风险，一旦发生事故，直接威胁城市供水安全，也会造成巨大的经济损失和社会负面影响。为了更好地促进PCCP技术创新与进步，从结构设计与分析方法、试验方法、安全影响评价、健康监测检测与除险加固、BCCP的研发与使用等5个方面综述了国内外学者对PCCP的研究进展，并针对预应力高强钢丝、砂浆保护层、管身防龟裂老化、管芯混凝土的浇筑方式、全寿命智能监测平台、生产技术水平等方面进行了研究展望，以期促进PCCP技术进步与行业的健康发展。

关 键 词：PCCP； BCCP； 结构设计； 安全评价； 除险加固

中图法分类号： TV68 文献标志码： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.023

0 引 言

预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP）诞生于1893年，历经多次升级改进［1］，其中最重要的两次升级发生在1939年和1942年。1939年，Bonna管道公司首次将预应力混凝土技术应用到输水管道中；1942年，美国Look Joint公司首次将钢筒应用在混凝土管道中，才有了现如今在全世界大规模使用的PCCP，其结构如图1所示。在带钢筒的混凝土管芯外缠绕预应力钢丝，使得管芯受到一个初始的预压应力，充分发挥混凝土受压和钢筋受拉的材料优势，从而抵消实际运行过程中的部分内水压力。缠丝完成后最后辊射砂浆保护层，保护预应力钢丝免遭腐蚀。

中国PCCP的研究和使用起步较晚。1989年，山东电力管道工程公司从美国引进PCCP核心技术和设备，自此拉开了国内使用PCCP的序幕。1990年，该公司生产出中国第一批管径为2.6 m的埋置式PCCP。30多年来，从山西万家寨引黄工程到哈尔滨磨盘山输水工程；从南水北调工程到辽宁大伙房水库输水工程；从广州西江引水工程到辽宁省重点输水工程等一系列重点工程中担纲的管材都是PCCP［2］。仅仅30 a，两万多千米的PCCP打造了中国大江大河引水的超级管网。时至今日，全国除西藏自治区以外，各省、直辖市、自治区都有使用PCCP的重点工程实例，其中十大经典工程实例见表1。中国已成为全球PCCP生产与使用最多的国家。目前国内生产PCCP的厂家多达40多家，生产线数量超百条，生产的管径最大达4 m，最大工压可达3.0 MPa，最大覆土深度可达20 m，不断创造着最长里程、最大工压、最大管径等PCCP的中国之最、亚洲之最、世界之最，在全世界PCCP管道工程中树起了中国品牌。

在“十四五”新发展格局中，国家实施科技强国战略、制造强国战略、交通强国战略、区域协调发展战略。在以“两新一重”（新型基础设施建设，新型城镇化建设，交通、水利等重大工程建设）为标志的庞大基础设施体系建设项目中，对水资源的调配都离不开管道输送，PCCP具备的大口径并能够承受高工压、高覆土、使用年限长久等优点使其在输水项目、水资源配置项目各种管材中处于优势地位，因此PCCP在国内也逐步进入黄金时期。

但是在长期使用过程中，PCCP也暴露出一些问题，例如断丝甚至出现爆管现象。为此，本文依据收集的国内外相关研究资料，结合国内外关于PCCP结构设计与分析方法、试验方法、安全影响评价、健康监测检测以及除险加固等研究成果，总结了PCCP的相关研究，并进行了展望，以为PCCP行业的发展提供方向。

1 PCCP研究进展

1.1 结构设计与分析方法

PCCP结构设计指分析其在各种外力，包括土荷载、活荷载、内水压力、流体自重以及管体自重等作用下各组分的应力、应变分布和管体整体的受载响应规律。最早采用的是半经验的工作应力法，该方法是基于完全预应力理论的无拉应力准则进行结构计算，计算方便快捷。美国供水工程协会（American Water Works Association，简称AWWA）在早期制定的AWWA C301 Prestressed Concrete Pressure Pipe，Steel-Cylinder Type［3］规范中推荐使用该方法。该方法保证了PCCP管芯在内、外荷载作用下所产生的应力在预压应力范围内，安全系数较高，但往往会造成钢筋和混凝土用量的浪费，且容易导致局部混凝土受压应力过大，甚至存在被压溃的风险。

随后，1989～1993年，学者ZARGHAMEE等［4］提出了采用分层模型法计算PCCP在内、外荷载作用下的受力响应，并设计了大量原型管试验来验证此模型。将PCCP管壁根据材料分成若干层，假设各层之间是完全接触的，然后根据各层材料相应的本构模型计算内、外荷载作用下各层结构的应力应变分布。该方法可以得到各种材料都处于弹性阶段时的受力情况，但一旦某层材料进入塑性开始失效，截面应力发生重分布，模型计算结果则与实际误差较大。

经过大量工程实践，美国供水工程协会基于C301完全预应力理论进行改进，提出了基于部分预应力理论的极限状态计算法，并将该方法编入了AWWA C304 Design of Prestressed Concrete Cylinder Pipe［5］规范中。以变形控制为设计准则，允许PCCP在某些荷载组合工况下出现可以控制的裂缝，考虑工作、弹性和强度3种极限状态，选择管顶、管底和管腰作为关键截面，逐一计算各种荷载组合工况下的PCCP截面应力应变分布，将计算的结果与3种极限状态下的判定准则进行验证。中国水利部行业标准SL702-2015《预应力钢筒混凝土管道技术规范》［6］也参考此方法来设计PCCP。

除了以上几种结构设计方法，中国自主编制了预应力管道的通用设计标准——CECS140-2011《给水排水工程埋地预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管管道结构设计规程》［7］，该标准考虑正常使用极限状态和承载能力极限状态两种极限状态，以可靠度指标来衡量管道结构的可靠性。

随着有限元计算理论的发展，越来越多的学者使用各种有限元软件，即数值计算方法，来进行PCCP结构受力分析，经历了从二维到三维，线性到非线性的发展。学者ZARGHAMEE等［8］在2003年通过建立PCCP 三维计算模型，研究了断丝PCCP在内、外压共同作用下的破坏特点和断丝对PCCP结构失效的风险分析。2010年，Xiong等［9］建立了超大口径PCCP缠丝模型，考虑了钢丝刚度对管道整体刚度的贡献，实现了预应力钢丝的动态仿真模拟。2011年，胡少伟等［10］以南水北调中线工程为背景，进行PCCP断丝原型试验，基于断丝PCCP外压试验结果，建立PCCP三维数值计算模型，研究了断丝数量对超大口径PCCP承载性能的影响规律。2021年，黄智刚等［11］通过三维有限元模拟研究了裂缝长度、贯穿性裂缝和非贯穿性裂缝对PCCP管体承载能力的影响规律，为预存裂缝的PCCP管道在实际工程中应用提供安全性方面的理论支撑。

1.2 试验方法

国内外学者除了对PCCP结构设计方法和计算分析方法进行了大量的研究，还开展了大量的原位试验，揭示了PCCP的力学响应规律和破坏机理。美国供水工程协会规范AWWA M9 Concerete pressure pipe［12］中给出了PCCP型式检验的压力试验方法，明确规定成品管出厂前需进行抗裂内压和抗裂外压试验检测，要求在根据规范计算出的内水压和外压作用下，PCCP成品管需满足各项控制开裂的标准。

国内进行PCCP原型试验研究相对较晚。2009年，胡少伟［10］对南水北调工程超大口径PCCP进行了内、外压现场原型试验，揭示了大口径PCCP内、外荷载作用下的破坏规律和承载机理，给出了已有裂缝PCCP的安全评估方法。2018年，窦铁生［13-14］在PCCP承受内、外压试验中首次采用BOTDA和FBG光纤传感技术，得到了PCCP内、外压加载过程中钢筒、管芯、钢丝和保护层的应变响应，揭示了各部位的受载响应规律。GB/T 19685-2017《预应力钢筒混凝土管》［15］中详细给出了PCCP出厂前的型式检验要求，包括外观质量、裂缝宽度和长度、管芯混凝土强度、保护层砂浆强度、抗裂内压和抗裂外压试验。

1.3 安全影响评价

根据相关资料，近年来运行中的PCCP接连发生破坏事故，大多數是由于外部环境引起保护层开裂，腐蚀介质进入腐蚀钢丝，使管道的承载能力大幅下降。国内外学者则主要研究管道腐蚀、预应力损失、断丝和裂缝等4个方面对PCCP安全的影响，处理好这些问题将为PCCP的运行安全提供充分保障。

1.3.1 管道防腐研究

PCCP的腐蚀破坏往往是由外向内，由管端向管内发展，最容易遭受破坏的就是管身保护层和管端承插口。2004年，Jana［16］研究了埋置在酸性土壤中PCCP 砂浆保护层的剥蚀机理，认为在酸性环境下，碳化是造成保护层损坏的主要原因。2008～2009年，王东黎等［17］介绍了国外PCCP工程的防腐蚀措施，针对南水北调北京段PCCP工程，建议采用带状锌牺牲阳极法保护预应力钢丝的设计理念和方法，该方法后来也写进了中国的SL702-2015规范中，目前国内供水主干管工程中均采用此方法对管道实施防腐［18-19］。2011年，杜建伟［20］对盐碱地区的PCCP防腐材料选用进行了研究，对比了环氧煤沥青涂料、橡胶涂料、聚氨酯涂料、聚脲涂料等几种材料的性能，建议采用环氧煤沥青涂料作为PCCP保护层的防腐材料，环氧煤沥青涂料也是目前国内PCCP厂家普遍采用的管身防腐材料。

1.3.2 断丝成因和影响研究

PCCP通过缠绕1 570 MPa的高强预应力钢丝使管芯受到一个初始的预压应力，从而抵消部分内水压力。该高强预应力钢丝是钢盘条经反复拉拔而成的，钢的柔韧性能大幅下降，而脆性增加，氢脆指标难以合格，使用几年后易出现脆化断裂。为了保护预应力钢丝，PCCP中保护层采用辊射的砂浆保护层，参考JGJ/T 98-2010《砌筑砂浆配合比设计规程》［21］，水泥砂浆和预拌砌筑砂浆的强度等级最高为M30，而PCCP中要求保护层砂浆的抗压强度标准值不低于45 MPa，远大于M30和M15，强度难以满足，设计时计算校核虽然通过，但是往往忽略了实际砂浆强度不足带来的PCCP保护层先天隐蔽性缺陷。另外，当PCCP服役于盐类和化学腐蚀环境中时，还需对保护层进行耐久性设计，增加保护层的厚度和抗离子渗透性能［22］。因此，在施工及运行过程中，主要有如下多种原因会造成PCCP的断丝：① 钢丝的氢脆指标不合格；② 制造时砂浆保护层的强度不合格，质量差；③ PCCP处于腐蚀性土壤中，腐蚀性物质侵入砂浆保护层；④ PCCP安装不当，砂浆保护层出现裂缝。

预应力是整管强度的保证，是否能够长久使用取决于预应力钢丝的寿命，一旦断丝，整管承载能力将大幅下降。2001年，Diab等［23］对PCCP中钢丝断丝的原因进行了分析，并研究了断丝对PCCP承载能力的影响。2009～2011年，胡少伟［10］通过超大口径断丝PCCP原型试验和数值模拟，对断丝管的承载能力进行了研究，给出了不同数量断丝对PCCP结构性能影响的评价方法。2011年，Xiong等［9］建立了考虑钢丝和管芯混凝土接触作用的缠丝和断丝模型，研究了断丝管的承载能力，并采用现场试验进行了对比验证。2019年，胡少伟等［24］针对某输调水工程在役超大口径PCCP断丝问题，建立有限元分析模型，探究了管身中部预应力钢丝发生不同比例断丝时的管道各部位受力状态。

1.3.3 预应力损失研究

预应力混凝土管道从生产、施工到运行都不可避免会发生预应力损失。如果损失过大，将导致管芯的预压应力变小，承载能力将会受到影响。预应力损失主要由管芯混凝土和钢筒的弹性变形、管芯混凝土的局部挤压、钢筋松弛和混凝土的徐变产生。2010年，胡少伟［10］采用光纤光栅应变计，对PCCP中的预应力损失进行了测量，并基于试验数据，分析了预应力损失管的承载能力。

1.3.4 裂缝影响研究

PCCP中常见的裂缝有混凝土管芯内壁环向裂缝和纵向裂缝，两者形成的机理不同。国内外学者对PCCP中裂缝的发展规律和裂缝对结构承载性能的安全影响进行了大量研究。2015年，Najafi［25］对管芯环向裂缝和纵向裂缝进行了产生机理研究和可靠度分析，认为环向裂缝对PCCP的承载能力影响较小，而纵向裂缝对PCCP的承载能力影响较大。2010年，胡少伟［10］对南水北调工程北京段超大口径管芯预存纵向裂缝的PCCP进行了抗裂外压试验，同时建立三维有限元分析模型，研究了纵向裂缝对PCCP外压承载能力的影响，认为预存裂缝对PCCP的极限荷载影响不大，但是会在裂缝位置处的混凝土和砂浆保护层处产生应力集中。2021年，黄智刚［11］通过三维有限元模拟研究了贯穿性裂缝和非贯穿性裂缝对PCCP管体承载能力的影响规律，认为纵向贯穿性裂缝对PCCP结构的安全性影响较大，工程中应禁止使用纵向带有贯穿性裂缝的PCCP。

1.4 健康监测、检测与除险加固

由于PCCP安全事故的相继发生，越来越多的学者致力于PCCP运行安全的监测、检测及评估。2005年，Amaitik等［26］总结了电磁、声学、GPR雷达等常见的PCCP运行监测手段以及根据历史观测数据和检查结果，提出了一种基于人工神经网络（ANN）的PCCP断丝预测模型，从而评价PCCP的运行状态，并将其应用于大型人工河流工程（GMRP）的实际声波监测中，结果表明预测性较好。

中国对PCCP安全的监测技术研究较晚。2014年南水北调中线干线停水检修时，通过电磁法检测，发现北京段PCCP管道部分管节存在断丝。2015年4月至2016年5月，北京市南水北调建管中心在北京段PCCP管道工程选取试验段（35.7km）安装了国内首套基于光纤光栅传感技术（FBG）研发的断丝和漏水实时监测系统［27］。2016年，骆建军等［28］提出采用层次分析方法（AHP）建立PCCP管道安全风险层次分析数学评价模型，对南水北调工程中大口径PCCP的断丝风险进行评价，并开发出一套安全运行风险实时监测管理软件和频谱响应分析系统。2018年，魏治文［29］介绍了鄂北地区水资源配置工程中PCCP管道安全监测设计方案，包括监测设计原则、监测项目、测点及设备布置等。

PCCP管道预应力钢丝出现断裂后需进行加固修复。2017年，张海丰等［30］总结了北美地区广泛使用的4种PCCP加固修复技术：移除更换技术、体外钢绞线加固技术、缩颈钢筒内衬技术和钢管穿插技术，分析了4种技术的原理，比较了4种技术的优缺点。2019年，赵丽君［31］、张奇［32］等研究并发明了一种基于预应力钢绞线与锚具的管道预应力加固技术，如图2（a）所示。翟科杰［33］、鲁文妍［34］等研究了碳纤维增强聚合物（CFRP）加固后的PCCP承载性能，如图2（b）所示，并进行了有限元模拟验证，结果表明在管芯混凝土开裂后，CFRP能很好地参与应力重分布，经CFRP加固后的PCCP承载能力明显提高。

1.5 钢筋缠绕钢筒混凝土压力管研发与使用

钢筋缠绕钢筒混凝土压力管（Bar-wrapped Cylinder Concrete Pressure Pipe，BCCP）的结构形式（见图3）与PCCP类似，是遵循SL702-2015《预应力钢筒混凝土管道技术规范》［5］和GB 50332-2002《给水排水工程管道结构设计规范》［35］，参照美国AWWA C303 Concrete pressure pipe，bar-wrapped steel-cylinder type［36］标准进行结构设计和改进，经宁夏青龙管业集团股份有限公司3 a研究改进而取得成功的专利新产品［37］，是由带钢筒的高强混凝土管芯在缠绕预应力钢筋后，再浇筑细石混凝土保护层而制成的复合管材，结构如图3所示。该管道采用应力等级较低的冷轧带肋螺纹钢筋（直径一般8～11 mm，屈服强度为650 MPa或970 MPa）和细石混凝土保护层，既可以埋地使用，又可以露天使用，目前已应用于宁夏、山西、甘肃等20多项输调水工程中。孙岳阳［38-39］、胡少伟［40］等从结构计算分析和配筋优化方法、缠筋模型、在内外压作用下的承载性能和破坏规律、受力全过程数值仿真模拟、接口力学性能和预应力损失、裂缝对其安全影响的评价等方面对BCCP进行了深入系统的研究。

2 PCCP研究展望

实际工程中PCCP的受力行为较为复杂，尚有一些技术亟需探究。

（1） PCCP中采用高强的预应力钢丝，存在氢脆斷裂和腐蚀风险，严重影响PCCP管线的运行安全，可寻求新型材料来代替预应力钢丝，如使用玄武岩纤维复合筋（Basalt FRP）。玄武岩纤维是玄武岩矿石经过高温熔融后，通过高速拉丝漏板拉制而成，制备工艺成熟，成本低，其生产原料取自天然的火山岩矿石而无任何添加剂，生产过程中也无“三废”排放，对环境污染很小，是一种名副其实的环保节能产品，符合中国“十四五”时期创新发展、绿色低碳发展、高质量发展理念以及“双碳目标”，已被中国列为中长期重要发展的四大高新技术纤维之一。将Basalt FRP应用到PCCP中，需对其相关力学指标和工艺指标开展可靠性、经济性和稳定性研究。

（2） PCCP中保护层采用辊射的砂浆保护层，厚度较薄，易产生开裂，可寻求采用自愈合（自修复）砂浆，如利用砂浆中的水泥基材料进行自生愈合，使砂浆保护层产生的裂缝宽度不断缩小，甚至愈合，耐久性逐渐恢复，实现建筑材料的可持续发展。除了自愈合（自修复）砂浆外也可选用其它替代材料，对其力学性能、耐久性能、经济性和稳定性开展研究，最终延长PCCP的使用寿命。

（3） 在炎热的条件下，无论是PCCP还是BCCP，即使管身外厚涂高固体分环氧煤沥青防腐蚀涂料，依然会出现龟裂、老化、脱落等现象，如果管道在高侵蚀环境和高地下水环境下服役，环氧煤沥青损伤和砂浆保护层开裂后易引起预应力钢丝的锈蚀，需对环氧煤沥青进行改性研究，改进其耐候性。也可研究采用其它管身防护材料，对其适用性、耐久性和经济性进行研究，最终提高PCCP的耐久性能。

（4） 大口径的PCCP或BCCP管芯混凝土采用立式振动浇筑法生产，生产现场噪音大，会对工人和神经系统、心脑血管系统以及内分泌系统带来严重的影响，可寻求采用自密实混凝土进行浇筑，对其配制方法、工作性能、流变学特性、抗侵蚀性能、经济性和稳定性开展研究。

（5） 实际埋地运行过程中，PCCP除了会出现预应力损失、裂缝，还会出现渗漏和大变形等安全隐患。所以需对PCCP进行无损检测和运行监测，考虑地基、基础、管线结构、附属设施等检测模块，包括预应力损失、渗漏、变形、裂缝等工程检测项目，开发数据定位模块，可以记录不同时期、不同地点的检测信息（包括位置信息、工程信息、原始测试数据、报告等），最终建立基于人机交互的PCCP工程质量及全寿命智能监测平台，真实反映PCCP结构的实际运行情况。

（6） 南水北调中线工程京石段使用的PCCP管径达4 m，揭开了中国超大口径PCCP使用的序幕，标志着中国PCCP的生产工艺技术达到了国际先进水平，PCCP也成为长距离输调水工程中大口径承压输水管道的首选管材。需继续提高技术水平，研发更大口径PCCP的生产工艺，提高生产设备能力以及配套的密封、运输和安装技术。另外，小口径（1.2 m以下）PCCP的市场几乎被轻质、吊装运输方便和防腐蚀性能优越的塑料管（PE、PVC等）和球墨铸铁管等蚕食，应积极利用新技术、新材料在管道轻质、耐腐蚀方向进行探索研究，开发更多的高耐久性新型PCCP系列产品。

3 结 语

本文从结构设计与分析方法、试验方法、安全影响评价、健康监测检测与除险加固、BCCP的研发与使用等5个方面介绍了PCCP的研究进展，并对未来的研究方向进行了展望。尽管现在运行的PCCP在检测时发现个别断丝甚至出现爆管现象，但是对于大口径管道选型，PCCP仍然是性价比优越的管材。本研究旨在抛砖引玉，希望广大科研与工程技术人员同心协力，促进PCCP技术进步与行业的健康发展，以期让PCCP更好地服务于国民经济建设。

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（编辑：黄文晋）

Research progress of prestressed concrete cylinder pipe

SUN Yueyang1，HU Shaowei2，HU Dengxing3，HUANG Yiqun4，WANG Yang5

（1.School of Civil Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215011，China； 2.School of Civil Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，China； 3.Ningxia Qinglong Pipe Industry Group Co.，Ltd.，Yinchuan 750002，China； 4.School of Civil Engineering，Fujian University of Technology，Fuzhou 350118，China； 5.College of Water Resources and Hydropower，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Abstract： Prestressed Concrete Cylinder Pipe （PCCP） has been the preferred pipe for long-distance water transfer projects due to its high strength，high impermeability，high sealing，good durability and low maintenance costs.However，as the service life increases，PCCP will have risks such as wires broken，leakage，and pipe bursts.Once an accident occurs，it will threaten the safety of urban water supply，and lead to huge economic losses and negative social impacts.In order to promote the innovation and progress of PCCP，this paper reviews the research by domestic and foreign scholars from five aspects：structural design and analysis methods，test methods，safety impact assessment，health monitoring，detection and strengthening，and the development and application of Bar-wrapped Cylinder Concrete Pressure Pipe （BCCP）.Research prospects were also carried out in terms of prestressed high-strength steel wire，mortar protective cover，anti-cracking aging of pipe body，pouring method of pipe core concrete，full-life intelligent monitoring platform and production technology level，in order to promote the technical progress and healthy development of the PCCP industry，so as to better serve the national economic construction.

Key words： PCCP；BCCP；structure design；safety evaluation；danger elimination and reinforcement

收稿日期：2022-03-30

基金项目：江苏省高等学校基础科学（自然科学）研究项目（21KJB570003）；国家自然科学基金重点项目（51739008，52130901）；国家自然科学基金青年项目（52109164）；重庆市自然科学基金创新群体项目（cstc2020jcyj-cxttX0003）

作者简介：孙岳阳，男，讲师，博士，主要从事混凝土管道受力性能研究。E-mail：syyang0118@126.com

通信作者：胡少偉，男，教授，博士，主要从事管道及混凝土损伤断裂研究。E-mail：hushaowei@cqu.edu.cn