关于PCCP设计的几个问题的思考
在输水管道行业内，相关技术人员对PCCP的结构形式都很熟悉，为了方便起见，还是在下面放一张示意图有助于对问题的说明和理解。
图1 PCCPE结构示意图
下面就近期关于PCC设计的几个热点问题，以及我对PCCP的了解谈一下个人体会。
关于PCCP设计方法和设计标准
在1992年之前，PCCP的设计是采用半经验公式进行设计和计算，AWWA（美国水工协会）的相关标准也只有C300到C303，对应的4种混凝土压力管道分别是RCCP、PCCP、RCP和WCP。AWWA标准前面均冠以ANSI（美国国家标准）。混凝土压力管道配套有AWWA M9 设计手册，但该手册中没有包含C301/PCCP的设计和计算方法。以上这4 种管道中我国已有生产的的是RCCP（GB/T 19685，JC/T 2092），PCCP（GB/T 19685）和RCP（GB/T 11836），但WCP至今还没有在国内推广开来，建议行业加大对WCP开发和研究力度。
AWWA标准系列中是以涉水产品及生产相关的标准，而1992年加入的C304是PCCP的设计标准，至今已经更新了4版（2014）。行业协会要求相关标准每隔5年左右需要修编，如果仍然有效，即使一字不改也要重新说明，因此最新版的C304称为C304（R19）。在C304之后，C300系列还增加了C305-18 CFRP Renewal and Strengthening of Prestressed Concrete Cylinder Pipe（PCCP的碳纤维修复和补强）。实际上，C304和C305是PCCP的衍生标准，可见行业对PCCP的重视程度。反观我国输水钢管行业，还没有一个相关的国标（GB），相比我国其它管材要行业内需要对输水钢管引起重视。
C304设计标准是在之前的设计软件UDP（Unified Design Program）的基础上编制的，UDP顾名思义是一种统一设计方法，它是由SGH公司（一家研究咨询机构）主导研究开发的，用其取代了传统的两种经验设计方法，该软件最新版本为UDP 2.0.1。
C304采用三种极限状态进行设计，分别为正常工作状态、弹性极限状态和强度极限状态。C304对每种极限状态设计了若干个不同的荷载组合，分别模拟管道工厂试压、管道埋地运行及管道埋地试压等三种状况。PCCPE和PCCPL因结构不同，荷载组合有所差异，PCCPE设计14种，PCCPL设计13种，荷载组合系数从1.0到2.0不等。
图2 刚性管组合载荷示意图
PCCP工作极限状态
PCCP工作极限状态准则的目的是防止在工作或工作外加瞬态压力下在管芯和外涂层中出现可见裂纹。准则适用于下列各项:
1. 管芯裂纹控制
2. 环向拉应力控制
3. 外保护涂层控制
4. 管芯压缩控制
5. 最大内压
PCCP弹性极限状态
弹性极限状态的目的是为了限制在工作压力外加瞬态压力的共同作用下，使预应力管道在瞬态条件下出现裂缝时产生弹性响应，防止预应力的破坏或损失。为下列状态提供了准则:
1. 钢丝应力控制
2. 钢筒应力控制
PCCP强度极限状态
强度极限状态的目的是保护管道免受预应力钢丝的屈服，混凝土管芯在外部荷载下的破碎，以及钢丝在内部压力下的拉伸破坏。安全系数适用于产生强度极限状态的荷载和压力。提供下列准则:
1. 钢丝屈服强度控制
2. 控制管芯抗压强度
3. 爆管压力控制
4. 外保护涂层粘结强度控制
PCCP至今的管道失效中，没有因配筋面积过小原因导致管道爆管。因此，C304的设计方法是全面、严谨和可靠的，在管道强度设计上没有问题。本人认为问题的关键并不在此。
管道的内砂浆/混凝土和外砂浆设计
由于管道内外防腐的对象不同（管内保护普碳钢制钢筒，管外保护预应力钢丝），管道的内砂浆/混凝土和外砂浆设计也是不同的，管道内是混凝土/湿式水泥砂浆，管外保护层是干硬性砂浆（含水率低于7%）。由于强度等级不同，预应力钢丝的裂纹扩展和应力腐蚀的敏感性要大大高于内置钢筒，因此对管外保护的要求就显得格外高，所以就有了外砂浆保护层的开裂控制。下图中的b和c是经常被引用的混凝土管芯和外砂浆的应力应变图，它们是基于应用观察到的实际情况，如图中a。图中的b和c是根据a进行的线性回归，对照a图还是相对保守的。
图3 混凝土和砂浆在拉伸作用下的应力应变关系图
所谓8倍的关系在图中也有相应的说明，它是指外砂浆出现可见开裂时的应变是初始显微裂纹应变的8 倍，即ε'k = 8ε't，并不是内压要增加8倍。混凝土的可见裂纹是初始显微裂纹应变的11 倍，ε'k = 11ε't。
PCCP的特点是混凝土管管芯在预应力（75%）下将高强（1570MPa）钢丝缠绕在管芯外，对管芯有压缩作用，在没有超过设计压力下运行的PCCP管道是不会发生管芯开裂的，因此也不会使外砂浆保护层产生拉伸。当试验打压超过设计极限时才会出项外砂浆保护层开裂。这里，内压不是主要影响因素，反而外压对外砂浆保护层开裂影响更大（例如，垫层又硬又平）。
相对应的是，C303/WCP对外砂浆开裂的要求就没有PCCP的严格，其标准规定，外表面上的裂纹在不修复的情况下，最大宽度为0.1 mm的纵向裂纹是可以接受的。原因是WCP外砂浆（与PCCP相同为干硬性砂浆）保护的是非预应力普碳钢筋。
下图是内衬水泥砂浆的输水钢管，由于长时间处于干燥环境，开裂的情况比较严重，但在管内修补后并不影响使用。
图4 开裂修补后的内衬水泥砂浆输水钢管
混凝土和水泥砂浆都具有徐变收缩的特性，控制开裂是需要花成本的。为了控制开裂，目前除了PCCP采用的方法外，还有一种应用广泛的钢纤维混凝土，不知经济性如何，是否适合用在PCCP管道的制作中。