绕丝加固作用机理-水工程结构缺陷加固技术

绕丝筒体之所以能起加固作用，一方面是通过预应力钢丝的缠绕筒体后产生——“预压应力”；另一方面当内压升起后还产生——“背压”，从而提高被加固的筒体承载力，或者说，在同样内压作用下，经过绕丝使筒体的周向应力水平大大降低，相当于筒体由薄壁增厚并改善了圆筒外围应力均布状态。

我国学者袁彪等通过表面裂纹管道的绕丝止裂加固研究，获得绕丝加固的作用机理。[2]

对局部等张力缠绕后的长筒体，其轴向按薄壁筒考虑，而周向考虑钢丝层及其与筒壁的组合体应力沿壁厚分布的不均匀性，且假设钢丝层不承受轴向力与轴向弯矩。

通过对柱壳弯曲时的平衡、几何和物理关系的分析与综合，可得筒体的弯曲微分方程为

预紧状态下钢丝层对筒体所产生的外压力（背压）取决于预紧后筒体的半径减小量，即取决于筒壁的径向位移W0。设远离边缘处（即绕丝段中部）筒壁的径向位移为。由于边缘的影响，筒壁径向位移改变量为ΔW0，则：

远离边缘处筒体背压的计算可由弹性厚壁筒的应力计算式推得：

由于ΔW0的存在，筒体在绕丝段两端的边缘附近还产生一背压改变量ΔPC0。同理，工作状态下的背压也与此相同。

将式（9.9）代入式（9.7）即得预紧状态下筒体的弯曲微分方程，再令，则由长筒体沿环向作用均布的法向线载荷q时的解沿长度方向对ξ在（-1，1）内积分可得作用下筒体的挠度为

由此可得预紧状态下远离绕丝段边缘处的筒壁应力为

由筒壁与钢丝层在接触半径处的径向位移连续性可解得，仅由内压P所引起的远离边缘处的筒体背压为

该式与式（9.9）叠加，即得工作状态下远离绕丝段边缘处的筒体背压为

由所产生的绕丝段筒壁径向位移为

故远离绕丝段边缘处的筒壁周向应力为

上列各式中　t——筒体壁厚，mm；

W0——PC0作用下绕丝段的筒壁径向位移，mm；

ΔW0——预紧状态下绕丝段边缘附近的筒壁径向位移改变量，mm；

——预紧状态下远离绕丝段边缘处的筒壁径向位移，mm；

——作用下绕丝段的筒壁径向位移，mm；(www.xing528.com)

——预紧状态下远离绕丝段边缘处的筒壁周向应力，MPa；

——工作状态下远离绕丝段边缘处的筒壁周向应力，MPa；

σW0——钢丝预应力，MPa；

β——;

D——D=Et3/12(1-μ2);

E——材料弹性模量，MPa；

μ——材料泊松比；

P——工作内压，MPa；

——预紧状态下远离绕丝段边缘处的筒体背压，MPa；

ΔPC0——预紧状态下绕丝段边缘附近的筒体背压改变量，MPa；

——仅受内压作用时远离绕丝段边缘处的筒体背压，MPa；

——工作状态下远离绕丝边缘处的筒体背压，MPa；

r1——筒体内半径，mm；

r2——筒体外半径，mm；

R1——R1=(r1+r2)/2;

r3——钢丝层外半径，。

式（9.11）与式（9.15）均表明，通过绕丝增强可使筒壁的周向应力下降，其下降程度取决于钢丝预应力的大小和绕丝层的厚度，这两方面作用的叠加表现为钢丝层对筒体的均匀背压作用。对于外表面裂纹情形，由于筒体承受内压后裂纹有向两侧扩张和向外膨胀的趋势，裂纹附近钢丝层对筒体还将有一个局部附加作用，表现为裂纹两侧钢丝层对筒壁的摩擦力和裂纹上方钢丝层的附加背压作用。