预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe,简称PCCP)是由混凝土管芯、钢筒、预应力钢丝及砂浆保护层构成的复合结构,具有强度高、抗渗性强、耐久性好和维护费用低等优点,是国内外长距离有压输水和市政排水等基础工程中常用的管型。由于设计不合理、制造缺陷、施工质量不符合设计要求、运行不当、荷载和外部环境条件的变化等因素的影响,导致PCCP发生断丝、管体纵向裂缝以及管线渗漏等问题,这些问题的出现严重影响PCCP输水管线的安全运行。采用体外预应力加固技术对PCCP断丝管进行补强加固,能够在减压、不停水的情况下对待加固管道进行施工,从而使管体恢复至原有承载能力,这一技术对于无法停止供水的单线管道尤为适用。目前国内对PCCP体外预应力加固技术的研究仍处于空白,本论文围绕PCCP体外预应力加固技术亟需解决的关键技术难题,通过理论推导、原型试验以及数值模拟等多种方法,对加固过程中涉及到的所有阶段PCCP各部件的受力情况、体外预应力加固体系的预应力损失等关键问题开展研究。主要开展了如下研究工作:一、针对国内外PCCP补强加固常用的方法,包括换管、颈缩钢筒内衬、钢管内衬、内贴碳纤维、加强钢带补强加固以及体外预应力加固法等,分析对比各方法的适用性和优缺点,为不同工况下加固方法的选择提供参考。二、结合PCCP结构型式,提出了适用于PCCP环形结构中钢绞线预应力损失的计算理论,完善了由于管壁与钢绞线的摩擦、锚固、分批张拉过程中混凝土弹性压缩、混凝土的收缩徐变、钢绞线自身松弛等多种影响因素导致的预应力损失的计算方法,以确定预应力钢绞线最终的有效预应力,为PCCP体外预应力加固设计中管体承载能力的计算提供理论依据。提出PCCP体外预应力加固技术的设计思路,以混凝土管芯和砂浆保护层为研究对象,按照承载能力极限状态对预应力钢绞线的截面面积及所对应的布设间距进行计算,并根据正常使用极限状态分别对管芯混凝土及砂浆保护层的受力情况进行验算,计算结果均满足判断标准时方可判定该加固方案可行。3.以PCCP结构型式为基础,针对PCCP的曲面特征,研发了一种预应力束环形锚固装置,避免传统的锚具对加固体造成破坏,并针对性的提出了相应的施工工序。4.开展PCCP体外预应力加固原型试验,沿管体轴向布设3个断面,每个断面分别在管腰、管顶及管底位置布设应变片,通过模拟PCCP管体从完好到破坏再加固过程的真实性态,不但掌握了全过程管体的力学特征,而且获得了加固前后管芯混凝土及钢绞线的应力应变响应曲线。对加固后断丝管的力学性态进行全面分析,评价PCCP体外预应力加固技术对于PCCP断丝管的加固效果。在恒定工作压力0.6MPa状态下,从PCCP管节中部开始分组断丝,断丝率达到37.7%时,管芯混凝土宏观裂缝开始扩展,此时停止断丝;减压至0.2MPa,利用钢绞线对PCCP断丝管施加体外预应力,加压至设计压力0.9MPa,压力稳定,管体裂缝仍然处于闭合状态,管体承载能力恢复到原设计荷载,且管体水密性良好,加固效果显著。5.以PCCP原型试验管为研究对象,建立三维实体有限元模型,对原型试验加压至工作压力→断丝至宏观裂缝扩展→逐级降压至自流压力→钢绞线安装及张拉→分级加压至设计压力的试验全过程进行模拟,得到PCCP断丝管在各种工况下的力学响应,并且通过模拟结果与原型试验数据的对比分析,验证了体外预应力加固预应力损失的计算方法、设计理论以及结构型式的正确性、合理性和可靠性。由于管芯混凝土及砂浆保护层的非结构性裂缝影响,管体结构受力过程中刚度减弱,在建立三维实体有限元模型时,管芯混凝土和砂浆保护层的本构模型采用塑性损伤模型(CDP)。承插口钢件的连接有其特殊性,建立了三节PCCP原型管的三维有限元数值模型;考虑了砂浆握裹力对于钢丝的作用,对断丝的影响范围进行了分区处理,优化了断丝模型;针对预应力钢丝的实际缠丝类型,采用螺旋缠绕的方式施加预应力,对以往的计算模型进行了优化。6.采用三维实体有限元模型,分析了包括钢绞线布设间距、抗拉强度、管体性能等因素对PCCP结构性能的影响,确定各相关因素对PCCP管体承载能力的影响程度,并结合模糊层次分析法建立了 PCCP体外预应力加固技术指标体系,为后期PCCP体外预应力加固技术的优选和实施提供支撑。