1.2 国内外研究现状与进展
1.2.1 国外PCCP的发展
早在1893年，巴黎总工程师邦纳（Bonna）就设计和制造了钢筒混凝土管，管径为 1.8m，内压力 0.35MPa，第一次铺设于巴黎科隆贝（Colombes）引水管网，其长度为 1500m。1939 年，邦纳公司制造了预应力钢筒混凝土管，并敷设于巴黎郊区。1942年，美国洛克昭（LookJoint）公司对PCCP的技术和理论作了深入的研究，开发并生产出了内衬式预应力钢筒混凝土管。由于PCCP良好的力学性能和优越的安装工艺，使PCCP在世界范围内得到广泛应用，相继在美国出现了阿麦隆公司（Ameron）和普赖斯兄弟公司（Price Brothers），并在技术上有了迅猛的发展。除了法国和美国公司外，英国的西通公司（Senton）、韩国的优尼克公司等均能够生产大口径的PCCP。
最初的PCCP为内衬式管，内径局限于0.4～1.2m，1979 年颁布的规范AWWA C301将PCCP-L的管径提高到了1.5m。另外一种埋置式管（PCCP-E）于1952年开始生产，内径至少可达0.6m。20世纪50年代，对PCCP管的设计与制造作了多次改变，高强钢丝的缠丝应力提高到钢丝最小标准抗拉强度的70%；采用水泥净浆使得钢丝处于高碱性环境中，将两种设计方法规范化，这两种设计方法列为AWWA C301（1964）附录A和附录B。1964年及以后的规范都作了更大的改进：允许采用较薄的冷扎钢材制造钢筒；管芯厚度减小等。1992年美国国家标准研究所和供水协会联合颁布了预应力钢筒混凝土管的设计规范（ANSI/AWWA C304-92），经修订，目前称为ANSI/AWWA C304-99。除此之外，学者们对PCCP管作了各方面的研究，主要有：1950年司曼（F.E.Seaman）和1960年肯尼逊（H.F.Kennlson）对管体进行了荷载试验；1950—1963年肯尼逊和司祖勒（A.B.Szule）研究了PCCP管结构性能和设计标准；1963—1972年鲁宾逊（R.C.Robinson）对保护层和抗腐蚀进行了研究；20世纪80—90年代黑格（F.J.Heger）、兹加米（M.Z.Zarghamee） 和丹纳（W.R.Dana）等学者对预应力钢筒混凝土管的力学性能和计算进行了广泛深入的研究［1-2］。
20世纪70年代初开始发生不同程度的爆管事件，人们开始对PCCP管进行监测，根据监测结果评估管线的状况从而决定管线的修复措施并且预估其残余强度和剩余寿命，在这期间，人们发明了多种无损伤性的监测技术以及修复措施、方案，而且一直以来不断地改进技术提高监测结果的精确性、可靠性。美国生产厂家从开始的2家，后来发展至8家，经过演变，现在只有4家，即阿美隆（Amero）、普赖斯兄弟公司（Price Brother）、即福希（Giford-Hill-American）和格瑞太克斯（Cretex），其中以阿美隆和普赖斯兄弟公司规模最大。普赖斯兄弟公司除美国中部、东部工程外，还为利比亚的“大人工河”现场制作了大直径的预应力钢筒混凝土管，第1期工程为 1900km，第2期工程为1700km，管径大部分是4m，小部分2.8m、2m和1.6m，内压大部分是1.0～1.2MPa，小部分是0.6MPa、0.8MPa、1.6MPa和1.8MPa，现已通水运营［3］。
随着人们对PCCP研究的不断深入和技术的不断发展，大规模的PCCP工程在世界范围内的到广泛应用。中央亚利桑那工程是当时世界PCCP 口径最大的工程，阿美隆公司为美国加州的中央亚利桑那工程制作了口径为6.4m的大型管道，工作压力0.98MPa，管顶覆土10.5m，修建长度10.5km。位于非洲北部的利比亚“大人工河”输水工程，是目前世界上最大的PCCP工程项目，总投资300多亿美元，已完成的一期和二期工程管线总长3300km（双线），管径4.0m，单根管长7.5m，近88万根，工作内压达到2.6MPa，被称为“世界的第八大奇迹”。弗吉尼亚（Virginia）350km 管道工程，是使用PCCP 地质条件最复杂的工程，自中部山地经过森林，爬数百米的山地，然后往下直到海岸平原的湿地，地基松软。弗吉尼亚管道工程共分五个标段，三个标段采用PCCP，两个标段采用球墨铸铁管（DIP），在恶劣的地质状况下，后二者的标段不得不放弃DIP，改用普赖斯兄弟公司的PCCP 才顺利完工。
1.2.2 国内PCCP的发展
我国于1985年开始对PCCP生产技术的研究和探索，并于1986年7月赴美国、德意志联邦共和国考察，对美国的两家最大的混凝土管道公司阿美隆公司（Ameron）和普赖斯兄弟公司（Price Brothers）及德意志联邦共和国的地伟达混凝土管道公司（Dywidag）的科研、设计、制管厂、设备制造厂、施工安装工地、核电站等进行了实地考察，了解和收集PCCP方面的技术资料。1989 年山东电力管道工程公司，引进了美国阿美隆（Amero）公司的部分关键设备——钢筒卷焊机，承、插口生产设备，专用管模等，并由国家电力公司杭州机械设计研究所配套研究设计的两台主机——立式差速绕丝机、立式辊射喷浆机和仿制设计的直径1.6m钢筒卷焊机的芯模，建成了一条设备完善、工艺先进的大口径 PCCP 管生产线，并于1990年6月生产出第一批口径为2.6m的PCCP-E管，填补了国内空白。山东电力管道工程公司于1991年又为山东淄博引黄工程生产12.5km、口径1.6m 的PCCP-E管，于1992年1月一次性通水试验成功，未发现渗、滴、漏现象，得到用户好评。近十几年来又生产了口径 2.6m 以下的各种规格的 PCCP管，1998 年又从美国引进了一台生产口径 1.2m 以下的小口径钢筒卷焊机（但承、插口需要人工焊接）。因此，山东电力管道工程公司是目前国内设备最完善的PCCP制管公司之一。
1990年，无锡华毅管道公司开始筹建PCCP厂，采用部分美国进口设备、立式差速绕丝机和立式辊射喷浆机，组成了一条生产线，于1995年投产，并为无锡市及江苏省其他城市生产了一批PCCP，也为山西引黄工程40km直径3m管线的完成作出了贡献。1992 年，深圳太阳管道有限公司成立，引进美国普赖斯兄弟（Price Brothers）公司全套设备，可生产口径为 0.9～2.6m 的 PCCP 管。1999 年由国家电力公司杭州机械设计研究所为杭州和达混凝土机械工程有限公司提供了一台可生产口径为 3m 的立式差速绕丝机，该公司近几年来为深圳地区及越南生产了一大批大口径PCCP 管。
2000年，成都金炜制管公司引进了第一套螺旋钢筒卷焊机。该螺旋钢筒卷焊机是在仿造引进设备的基础上通过改进研制成功的，实践证明设备性能达到和超过了进口设备。成都金炜制管公司从2000年5月投产至今为成都地区生产了几十公里长各种规格的PCCP，并在哈尔滨的引水工程项目中标。2001年，新疆国统管道公司引进了立式差速绕丝机、立式辊射喷浆机、水压试验机、承插口生产设备及其配套设备，当年投产后生产了一大批口径3m、长6m的PCCP；济南山水集团引进了螺旋钢筒卷焊机、立式差速绕丝机、立式辊射喷浆机各一台及其他部分配套设备；浙江萧山腾龙管业公司引进了包括螺旋钢筒卷焊机、立式差速绕丝机、立式辊射喷浆机在内的全套设备，2001年11月投产后为杭州地区生产了几十公里各种口径的PCCP。2002年浙江萧山腾龙管业公司又引进了螺旋钢筒卷焊机、立式差速绕丝机、立式辊射喷浆机及其他配套设备，组成了萧山腾龙的第二条生产线；新疆国统管道公司引进了一套可生产3.4m的立式差速绕丝机和立式辊射喷浆机及部分配套设备，在新疆和田建成了一座PCCP厂，并在当年12月份投产后一直生产至今。2003年，浙江金华市巨龙管业公司引进了一套可生产3.6m的包括螺旋钢筒卷焊机、立式差速绕丝机、立式辊射喷浆机在内的全套PCCP生产线设备。
随着对PCCP理论技术的不断深入研究，结合国外行业标准，我国的行业规范不断完善。1996年，国家建材局颁布了JC 625—1996《预应力钢筒混凝土管生产的行业标准》；2002年，颁布了CECS 140：2002《给水排水工程埋地管芯缠丝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》；2005年，国家颁布了标准GB/T 19685—2005《预应力钢筒混凝土压力管》。我国当前PCCP设计的国内执行标准为GB/T 19685—2005，同时也执行美国标准ANSI/AWWA C304。
2015年2月，水利部颁布规范SL 702—2015《预应力钢筒混凝土管道技术规范》，对PCCP的布置、材料、水力计算、结构计算、构造规定、防腐涂层、阴极保护、施工安装、管道功能性试验、安全监测、工程验收、工程运行管理等作出了更加完善的规范性要求，该规范充分吸收ANSI/AWWA C304的同时，结合国内规范及标准，使国内PCCP设计与国际接轨，对我国的PCCP行业的进一步发展提供了技术支撑。据不完全统计，2013年全国PCCP产量超过2000km（管径范围DN600～3800），累计产量突破12000km，行业销售收入近100亿元，是2010年的2.6倍。
城市化建设、旧城改造、城市基础设施建设（如城市污水垃圾设施及配套管网等）、生态环保工程（如城市给排水、重点流域污染防治等）、新农村建设（如电气化、电网改造、饮水等）以及国家区域性调水工程等诸多领域投资规模的扩大，为混凝土管道的发展提供了广阔的市场空间。例如，山西万家寨引黄工程、引额（额尔齐斯河）济乌（乌鲁木齐）倒虹吸工程、哈尔滨磨盘山引水工程、沈阳大伙房引水工程、南水北调中线工程等国家大型工程均运用PCCP作为输水管材，表明我国PCCP行业技术水平已达国际先进水平。PCCP在工程中的应用如图1.4所示。大口径PCCP在工程中的应用见表1.1。
图1.4 PCCP在工程中的应用
表1.1 大口径PCCP在国内工程中的应用
1.2.3 PCCP计算方法
对于钢筋混凝土结构而言，要保证结构构件的安全性，设计时要进行承载力极限状态计算［4-7］。但是在进行结构设计时，一些结构仅仅进行承载力的计算是不够的，还需进行开裂验算，特别是过水结构，为了满足过水的要求，开裂成为设计中的控制条件［8］。作为输水建筑物，PCCP一旦开裂容易造成漏水，从而影响建筑物的功能发挥和耐久性，还有可能引起整个管道周边地层的坍塌，造成区域性的破坏；在有些情况下抗裂验算就可能成为结构控制设计条件，由于混凝土和钢材在混凝土受拉开裂前基本处于弹性状态［9］，因此，国内外PCCP 的工程设计仍然以完全弹性理论为基础。
美国最早对PCCP设计方法进行了系统研究，并提出了以下三种计算方法［10-11］：
方法一：基于W0（引发混凝土初始裂缝的三点法试验荷载值的十分之九）和理论的水压试验压力P0（抵消由预压应力引起的管壁混凝土剩余压缩理论计算时的内水压力）。三点荷载值与内压力的允许组合条件取决于极限状态下W0 和P0之间的三次抛物线相关曲线。
方法二：采纳了管道在静荷载和内压作用下最大组合静拉应力极限值0.62
（米制）。
方法三：基于部分预应力理论的极限状态计算法，以变形控制作为设计准则，允许管道在一定的容许条件下出现可控裂缝。该方法基于Marston理论，按照AWWAM9规范计算外部荷载效应，包括土压力，各种交通工具所引起的活荷载、管重、水重、瞬时荷载，考虑工作压力、试验压力、瞬时压力，可组合形成多种计算工况，引入材料的本构关系后，确定PCCP管顶、管底和管腰的应力应变分布。
方法一和方法二主要应用于1999年以前，目前，PCCP管的设计主要以方法三为主。
大量研究成果表明，美国AWWA C304设计方法在极限荷载作用下具有足够的安全储备，而且能够提供合理的荷载来保证在试验情况下管芯混凝土和保护层不开裂。但是，这种设计方法只能计算假定危险截面（管底、管顶和管侧）的应力关系，不能深入解释PCCP在复合荷载作用下的各个截面的应力变化规律，不能全面反映PCCP受力状态。另外，在确定PCCP组成材料的最终应力并建立最终内部应力和实际应力平衡等式时，需要调整假定应变斜率并重新计算，有时候甚至需要计算多次才能完成计算，增加了计算量。
在参照了美国现用规范的基础上，并结合我国实际情况，2002年，中国工程建设标准化协会颁布了CECS140—2002《给水排水工程埋地管芯缠丝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》［11］，符合我国结构设计模式的管道设计方法开始应用于实际工程。
21世纪以前，PCCP管的研究手段主要是以试验和应用经验为主，随着计算机技术的快速发展，一些大型有限元软件逐渐商业化，如ABAQUS、ANSYS、ADINA等，使数值模拟技术得到了广泛的应用，可以结合试验和应用经验甚至单独使用数值分析法来分析PCCP各部分在运行阶段下的受力情况。目前国内外采用数值分析方法研究PCCP受力形式的研究成果还不多，关于PCCP各项受力特点还有很多工作要做，例如，超大直径PCCP（4m以上）管道的受力分析、可靠度研究、抗震性能研究等问题研究还较少。
国外PCCP管的数值分析开始于21世纪初，主要代表人物有美国Zarghamee和法国Diab等。其中，Zarghamee［13］从PCCP的开裂模式、裂缝宽度、裂缝深度、变形、钢丝应力的变化情况和混凝土压应力随预应力损失区长度的变化情况等方面来预测管线中钢丝受损时PCCP管的性能，其结论为：对于小管径 PCCP 管来说，如果预应力损失的同时内水压力增大，那么PCCP 管承载能力决定于外层混凝土的联锁性和钢筒的极限强度，而不是决定于钢丝破坏型式。随后，Zarghamee［14］通过建立两个非线性有限元模型（第一个模型模拟了裂缝开展过程、开裂模式和裂缝宽度，第二个模型模拟了由于钢筒扩张而对管芯外层混凝土作用有压力，并使其开裂）评估了外层管芯混凝土开裂后的强度。法国Diab［15-17］ 在其著作中分析了三种钢丝受损区域的形状、位置。Gomez［18］运用三维模型对预应力丧失情况进行研究。国外专家对 PCCP 管的数值分析主要倾向于研究钢丝受损区域的形状、大小和受损钢丝数目对 PCCP 管性能的影响，从而为修复、补救提供参考，然而他们在研究过程中都没有考虑管芯混凝土徐变对 PCCP 管的影响，同时管径没有超出 4m。
国内关于PCCP的数值分析起步较晚，在实际工程中往往采用试验的方法对PCCP进行测试。随着大量PCCP应用工程在国内的开展，研究者开始对PCCP各项受力特性进行研究，文献 ［19］和［20］ 结合有限元方法对 PCCP 管的设计方法进行了初步探讨。文献［21］ 分析了管芯徐变对管道的影响。文献 ［22］计算分析了PCCP管道在缠丝过程中和施工过程中的管道变形及应力变化情况，描述了整个过程中管道裂缝扩展趋势。文献［23］以南水北调中线工程为背景，基于断丝原型试验结果，建立PCCP承载数值计算分析模型，对超大口径PCCP断丝问题进行承载能力和受力状态分析。文献［24］采用数值计算方法研究PCCP管道在预应力丧失后的受力响应问题。文献［25］ 根据环形预应力作用机理，结合弹性地基梁理论，提出了单环预应力作用效应的计算方法和预应力混凝土压力管道施工阶段的验算方法。
1.2.4 地下管线的地震研究
地震时，管线的敷设方式不同，则相应的破坏也有所不同。管线本身的破坏形式可分为两种：一种是强度破坏；另一种是失稳破坏。针对这两种破坏形式，并根据管线的敷设方式以及其穿越介质的不同，国内外学者作了大量的理论与实验研究，取得了一定的进展。
早在20世纪60年代，国外学者针对地下管线抗震问题展开了研究。Newmark将管线与土假定为整体运动，忽略了管内水体产生的惯性力对管体的影响，对地下管线抗震安全问题进行了研究。这种方法目前被应用许多国家的相关规范当中。到20世纪70年代，日本学者提出了管线与土相互作用的分析模型，该模型将管线简化为弹性地基梁，将地震波简化为简谐波，即所谓的反应位移法，目前，日本规范大都基于该方法。Parmelee R.A.［26］首次将管线简化为半无限空间中的圆柱壳，土与管线之间相互作用采用静态求解，该方法的提出为以后的半无限空间理论和接触相互作用理论的发展奠定了基础。Wang L.R.L.［27］于1979年提出了拟静态分析方法，该方法不考虑惯性力和阻尼力的影响。同年，Nelson I.［28］采用振型分解法对分段管线进行了动力分析，并提出了动力计算的干扰反应谱。Muleski G.E.［29］通过假定管道为黏弹性介质中的弹性各向同性薄圆柱壳，提出了圆柱壳模型，该模型可用以研究管道的失稳和破裂等问题。Takada S.［30］采用传递矩阵法对管线进行了三维拟静态分析，同时考虑了接头的非线性和土与管线之间的滑移，给出了管道环向应力和沿管周的土压力分布形式。
叶耀先、魏琏等［31］通过直管和弯管管沟不同回填方式下爆炸振动试验，探讨了管、土间的共同变形问题，以及管沟用松散介质回填时对管线受力的影响，试验结果表明：回填松散介质时，管土间出现相对位移，使直管轴应力明显下降；夯实回填时管土之间接近共同变形的假设，直管轴应力相应较大。并在试验的基础上提出了纵波、横波作用下管线地震应力计算公式；同时认为直管的弯曲应力可根据管、土间的共同变形假设计算，当管径较小时可忽略弯曲应力；为使弯管的总应力不超出相应的直管的轴应力，弯管弯曲应力应小于管土共同变形时的直管轴应力。孙绍平等［32］通过各种刚性、柔性接头的大量实验，为编制我国地下管线抗震设计规范提供了设计校核准则，并研制了已经广泛应用的柔性接头。孙绍平还与美国王汝梁合作在唐山的工程管线上设置强震观察仪，以实测管线的地震反应。
到了20世纪80年代后期，国内的地下管线地震反应理论分析研究得到了迅速发展，国内学者提出了一系列较精确的计算方法。其中，熊占路［33］根据离散的梁元模型建立运动方程，研究在横向和纵向振动对地下管线的动应力响应。王海波和林皋［34］采用边界元方法求解了半无限弹性介质中土与管线的动力相互作用，研究表明：相互作用的强弱取决于波的不同频谱成分，管线埋设越浅，相互作用越显著。甘文水和侯忠良［35］采用有限元方法分析埋地管线在地震行波效应下的响应，探讨了土弹簧刚度、管与土之间的滑移、波速等因素对管线反应的影响。张社荣［36］利用动态有限元法研究了沟埋式管与土的动力相互作用，认为动态有限元法比一般动力有限元法更精确。张进国［37］以纵向振动微分方程为基础，将满足边界条件和初始条件的三角函数作为势函数，利用加权余量法计算地震作用下管道的纵向运动位移反应，进而求得纵向应变和应力。黄忠邦［38］采用一维有限元法，对地震简谐波作用下埋地管线的地震反应进行了分析研究，结果表明：在地震行波作用下，不均匀土介质中埋地管线的轴向应变比均匀介质中的管线的轴向应变增大了50%左右。根据面波原理，谢旭等［39］对穿过软、硬不同地基土的管线进行了反应分析，根据非连续介质地基中的应变（变形）协调条件和正交关系分析确定反射波和折射波，应用弹性地基梁模拟管线与土的相互作用，最后建立了简化的解析方法。林慧杰等［40］利用离散管道模型，分析二维非均匀土中埋地管道的地震反应。侯忠良等［41］应用二维超声波地震模拟方法，研究地震波动传播情况下地下管线的响应特征，分析地下管线轴线方向地震波动的相位差异效应，指出在非线性均匀覆盖层条件下，不同岩土介质交界面附近为振动相位差异显著的部位。梁建文［42］对穿越3种不同介质土的管线进行了动力分析，认为3种工介质场地可以形成地震波的聚集，管线的动力反应取决于3种土介质的软硬程度、排列顺序及中间土介质的厚度。