Page 86 - 《应用声学》2021年第4期

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10 kHz is considered as the optimal frequency for this monitoring. This paper also changed the layout of
PZT, comparing the monitoring effects of two methods—surface sticking method and built-in method (namely,
comparing the monitoring effects of surface wave and body wave), finding that the effect of surface wave
monitoring is better at the spacing of 1.2 m and 10 kHz voltage source frequency. The above results indicate
that surface wave measurement by PZT can be used to monitor mortar coating of PCCP, which is of great
value to the life cycle prediction of PCCP.
Keywords: Prestressed concrete cylinder pipe; Piezoelectric sensor technology; Surface wave; Crack monitoring

外依次为内管芯、钢筒、外管芯、预应力钢丝、砂浆
0 引言
保护层，如图1所示。PCCP实体模型尺寸及其材料
预 应 力 钢 筒 混 凝 土 管 (Prestressed concrete 参数列于表1 ∼ 2中。
cylinder pipe, PCCP) 是由混凝土管芯、钢筒、高 PCCP 在实际生产、施工、运营过程中可能出
强预应力钢丝和砂浆保护层 4 部分组成的大型复 现的裂缝形式有环向裂缝和纵向裂缝。由于两种裂
合输水管，是在带钢筒的混凝土管芯上环向缠绕预 缝形式的监测原理和效果理论上是一致的，所以本
应力钢丝并在其上辊射砂浆保护层而制成的 [1−4] 。 文选择环向裂缝做重点研究。环向裂缝布置于一半
PCCP在我国已经有 30年的使用历程，累计使用里 管长处，激励端 PZT 与接收端 PZT 关于裂缝对称
程 3 万多千米 [5] 。PCCP 的应用大多为国家基础建 布置，布置方式如图2所示。
设重大工程，敷设里程巨大，关乎国计民生，其结
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构安全性和运行的稳定性是值得重点关注的技术 ᨂˍ
问题。
由于 PCCP 管道在生产和施工中就会产生一 2000 mm ܱኮᔇ
定缺陷，运营过程中还将承受极大的水压，环境复 2421 mm ᨂኔ
杂，易遭侵蚀，达到一定工作时间后PCCP管道的砂 Яኮᔇ
浆保护层会出现开裂和剥落，导致预应力钢丝遭受
6000 mm
腐蚀进而断裂，最终出现爆管等严重后果 [1−4] 。因
图 1 PCCP 模型
此，对PCCP 砂浆保护层的裂缝发展进行监测能够
Fig. 1 PCCP model
有效预测和预防力钢丝的断裂。目前，关于 PCCP
砂浆保护层开裂监测的研究很少，本文在基于此背
景下，利用 PZT表面应力波动法对PCCP保护层裂
缝发展进行数值仿真研究，结果表明该方法对裂缝
发展敏感，有极强的实用价值。

1 模型的建立与优化 PZT1 PZT2
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1.1 几何尺寸及材料参数
在本文数值仿真研究中，利用 ABAQUS 有限
元软件模拟了对埋置式 PCCP 砂浆保护层的开裂 图 2 PZT 布置图 (俯视)
监测，所选用的压电材料为PZT-5A。PCCP从内而 Fig. 2 Layout of PZTs (Top view)

表 1 PCCP 模型各组分尺寸
Table 1 Sizes of PCCP Components
(单位：mm)
单节长度 内径 外径 内管芯厚度 钢筒厚度 外管芯厚度 钢丝直径 保护层厚度 PZT 边长 PZT 厚度
6000 4000 4828 89.5 2 288.5 2 41 25 2