PCCP管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、工程概況

大伙房水庫輸水應(yīng)急入連工程是由大伙房水庫向大連市輸水的一項(xiàng)大型輸水工程，輸水管線由大伙房水庫輸水(二期)工程之鞍山加壓泵站引出，年輸水量為3×108m3。

本工程由兩部分組成:碧流河水庫北段工程和碧流河水庫南段工程。

碧流河水庫北段工程輸水線路全長163.26km，其中;

鞍山加壓泵站。隧洞前輸水管線長121.37kin，管線管材主要采用預(yù)應(yīng)力鋼套筒混凝土管(以下簡稱PCCP)，管線穿越高速公路、省國道、鐵路、大中型河流等采用鋼管，管徑為DN2800。

輸水隧洞長14.12km，為城門洞型斷面，隧洞斷面尺寸(B×H)為3.2m×3.48m，

隧洞后輸水管線末端輸水管線長27.77km，管線管材主要采用預(yù)應(yīng)力鋼套筒混凝土管(以下簡稱PCCP)，管線穿越省國道、大中型河流等采用鋼管，管徑為DN2400。

對該工程采用的PCCP管材設(shè)計(jì)應(yīng)用了美國供水工程協(xié)會ANSI/AWWA C304-99標(biāo)準(zhǔn)配套的設(shè)計(jì)程序“VDP”進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。

2、設(shè)計(jì)方法簡介

根據(jù)AWWA C304-99標(biāo)準(zhǔn)，采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法對PCCP管進(jìn)行設(shè)計(jì)，既考慮管材的預(yù)應(yīng)力狀況，也考慮外載(we。wt，Ws)、管重(Wp)和水重(Wf)及工作壓力(Pw)瞬時(shí)壓力(Pt)檢驗(yàn)壓力(Pft)的綜合影響，保證管材的使用可靠性，從彈性和強(qiáng)度極限上提供足夠的安全儲備設(shè)計(jì)。計(jì)算程序采用AWWA C304-99配套設(shè)計(jì)軟件UDP和本院自編軟件CDP，規(guī)范要求的最小鋼絲面積作為鋼絲初始面積核對管體各項(xiàng)極限狀態(tài)的指標(biāo)要求，如果不能通過驗(yàn)算條件鋼絲面積自動(dòng)累加，直到滿足要求。

需要說明的是根據(jù)AWWA C304的默認(rèn)要求，預(yù)應(yīng)力鋼絲張拉控制應(yīng)力固定為鋼絲抗拉強(qiáng)度的75%，并且:

當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼絲只有一層時(shí)鋼絲的應(yīng)力松馳系數(shù)如下:

R=0.111-3.5(As/Ac)

(AWWA C304式6-30)

多層纏絲鋼絲應(yīng)力松馳系數(shù)如下:

內(nèi)部第一層纏絲:

其他層纏絲:

由于本工程要求fsg=0.7fsu，AWWAc304沒有給出當(dāng)fsg=0.7fsu時(shí)鋼絲應(yīng)力松馳系數(shù)的算法，根據(jù)中國標(biāo)準(zhǔn)GBS0010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.2.1條規(guī)定:

當(dāng)ocon≤O.7fptk時(shí)鋼絲應(yīng)力松馳值:

σL4=0.125(σcoll+fptk-0.5)σcol3(式中口conll口為fsg、fptk即為fsu)

當(dāng)O.7fptk<σcon≦0.8fptk時(shí)鋼絲應(yīng)力松馳值:

σ14=0.2﹙σcon÷fptk-0.575)σCon

當(dāng)σCOil=0.7fptk時(shí)鋼絲應(yīng)力松馳值σ14=2.5%σcon，當(dāng)口con=0.75fptk寸鋼絲應(yīng)力松馳值σ14=3.5%σcon，由此可見，當(dāng)fsg=0.7fsu時(shí)鋼絲應(yīng)力松馳值應(yīng)比當(dāng)fsg=0，75fsu的鋼絲應(yīng)力松馳值小，按fsg=0.7sfs計(jì)算更為保守，因此本報(bào)告不再尋求fsg=0.7fsu時(shí)鋼絲應(yīng)力松馳系數(shù)的算法，其差值作為合理安全儲備。

3、設(shè)計(jì)條件選取

以下各參數(shù)為設(shè)計(jì)中易為忽視的部分。

3.1管道內(nèi)壓

現(xiàn)場試驗(yàn)內(nèi)壓為工作壓力+O.3MPa;瞬時(shí)壓力為工作壓力的40%;管道上部覆蓋土層厚度2、4、6m三種，與不同的工作壓力進(jìn)行組合。

3.2 管基包角

管基中心角選取90°。雖然在施工中采用120°包角施工，但受承包人施工經(jīng)驗(yàn)、回填材料等多種因素影響。包角部位回填壓實(shí)質(zhì)量存在不穩(wěn)定情況，因此設(shè)計(jì)中仍然按90°考慮，多出部分作為施工安全儲備。

3.3 相對濕度

戶外設(shè)計(jì)相對濕度:本工程各標(biāo)分別取RH=52%、50%、60%。雖然業(yè)主在關(guān)于明確PcCP管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的意見中明確了PCCP管材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)參數(shù)中的相對濕度按照RH=60%計(jì)取，但考慮到各標(biāo)段環(huán)境溫度不盡相同，且其對管道的設(shè)計(jì)影響較小，因此對上述取值是可行的(只要不大于60%，數(shù)值越大越偏于保守)。

3.4 土壤特性

土壤特性系數(shù)Ku=0.15，為飽和表土的最大值。Ku=0.19，為無粘性顆粒材料的取值，偏于保守，尤其是覆土較深的管道，計(jì)算土荷載偏大。根據(jù)AWWA M9規(guī)定當(dāng)設(shè)計(jì)無資料時(shí)可以取Ku=0.15。

3.5 溝槽型式

管道埋設(shè)全線均采用上埋式。主要是因?yàn)榇笾睆絇ccP管鋪設(shè)線路一般較長，沿線工程地質(zhì)情況復(fù)雜，溝槽開挖寬度很容易超出溝埋式的要求。采用溝埋式設(shè)計(jì)雖然可以節(jié)省部分造價(jià)，但對結(jié)果影響不大。采用統(tǒng)一的埋設(shè)型式，可以簡化設(shè)計(jì)，也便于施工管理。

4、設(shè)計(jì)原則

本工程二標(biāo)、三標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用美國混凝土壓力管協(xié)會AWWA C304標(biāo)準(zhǔn)配套程序UDP設(shè)計(jì)軟件，該軟件系統(tǒng)默認(rèn)鋼絲直徑及抗拉強(qiáng)度均為英制規(guī)格且無公制選項(xiàng)，預(yù)應(yīng)力鋼絲張拉控制應(yīng)力固定為鋼絲抗拉強(qiáng)度的75%，而招標(biāo)文件明確為70%，因此承包商采用如下等效預(yù)壓應(yīng)力的方法進(jìn)行換算:

按此換算方法，多數(shù)情況下是可行的，但是，AWWA C304共有14種荷載組合、14種不同的控制條件，當(dāng)按uDPR件計(jì)算時(shí)出現(xiàn)如設(shè)計(jì)控制條件為AWWA C304第7.4.1條規(guī)定的“在荷載內(nèi)壓組合FWl，F(xiàn)Wlr2及FT2情況下，預(yù)應(yīng)力鋼絲內(nèi)最大拉應(yīng)力不得高于總纏絲應(yīng)力fsl”及AWWA C304第7.5.I條規(guī)定的“當(dāng)管子承受荷載與內(nèi)壓組合FWT3及FWT4時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼絲最大拉應(yīng)力不應(yīng)超過其屈服強(qiáng)度fsy”時(shí)，該轉(zhuǎn)換方法就不合適，當(dāng)管子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)以上控制條件時(shí)，以上換算方法偏于保守。

5、結(jié) 語

結(jié)合本院工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和本工程的實(shí)際情況，為確保PCCP管芯混凝土質(zhì)量，設(shè)計(jì)時(shí)盡量選用低標(biāo)號混凝土，同時(shí)考慮生產(chǎn)進(jìn)度和簡化生產(chǎn)管理，盡量減少混凝土標(biāo)號種類。

盡量減少管芯壁厚種類，便于生產(chǎn)控制和大規(guī)模生產(chǎn)，以提高生產(chǎn)效率。

管道纏絲盡量選用單層纏絲，以加快制管進(jìn)度，確保本項(xiàng)目工期。

采用雙層或多層纏絲時(shí)，建議管芯纏絲采用與單層纏絲相同的壁厚和絲距，以利于管理和加快工程進(jìn)度。