預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管不同規(guī)范結(jié)構(gòu)計(jì)算對(duì)比分析

趙曉露 孫其臣 張海濤

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管是在帶有鋼筒且內(nèi)壁光滑的混凝土管芯外表面，以一定的拉應(yīng)力環(huán)向纏繞一層或多層鋼絲，且多層鋼絲之間需噴射一定厚度的砂漿，然后在鋼絲最外層表面輥射密實(shí)而耐久的砂漿，焊接在鋼筒兩端的承插口的凹槽能與膠圈相結(jié)合形成滑動(dòng)柔性接頭。其英文名稱為Prestressed Concrete Cylinder Pipe， 簡(jiǎn) 稱 PCCP。PCCP 按制作工藝可分為兩種型式，即內(nèi)襯式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCPL）和埋置式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土（PCCPE）。它充分發(fā)揮了鋼材的抗拉、易密封和混凝土的抗壓、耐腐蝕性能，具有耗鋼少、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。

1 PCCP 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程

PCCP 發(fā)展至今已經(jīng)有80 多年歷史，國(guó)外的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)十分成熟，尤其是美國(guó)在該領(lǐng)域的研究成果最為顯著。目前美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/AWWA C301 和 ANSI/AWWA C304 普遍使用于各種 PCCP 工程中，標(biāo)準(zhǔn)均于2014 年修訂。我國(guó)從20 世紀(jì)80 年代末引進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)設(shè)備，大部分工程PCCP生產(chǎn)和設(shè)計(jì)采用美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)。但美國(guó)的PCCP 標(biāo)準(zhǔn)并不符合我們的國(guó)情，造成了國(guó)內(nèi)PCCP 管道質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，對(duì)設(shè)計(jì)理念理解不一致等多種問題，導(dǎo)致管道生產(chǎn)質(zhì)量參差不齊，造成工程隱患。在2002 年，中國(guó)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)頒布了協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CECS 140:2002《給水排水工程埋地管芯纏絲預(yù)應(yīng)力混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》，對(duì)PCCP 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作了規(guī)定，該標(biāo)準(zhǔn)于2011 年修訂。在2005 年國(guó)家頒布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19685—2015《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》，該標(biāo)準(zhǔn)于2017 年修訂。之后，水利部頒布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL 702—2015《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范》。

本文就上述3 種現(xiàn)行規(guī)范ANSI/AWWA C304、CECS 140、SL702進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，對(duì)結(jié)果作對(duì)比分析。

2 計(jì)算條件

2.1 管道結(jié)構(gòu)參數(shù)

管道類型PCCPE：（1）管材內(nèi)徑Di根據(jù)設(shè)計(jì)需要取值；（2） 鋼筒外徑Dy按照 GB/T 19685—2015《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》取值；（3）管芯厚度（包括薄鋼筒厚度）hc按照GB/T 19685—2015 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管取值，并做適當(dāng)調(diào)整；（4）薄鋼筒厚度dy=1.5 mm；（5）鋼絲直徑ds=7 mm，本次計(jì)算只考慮單層纏繞；（6）凈保護(hù)層厚度（不包括鋼絲直徑）為20 mm。

2.2 材料參數(shù)

（1）管芯混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)按照C60；（2）保護(hù)層砂漿抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fm，k=45 MPa；（3）鋼筒抗拉伸屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fyy=227.5 MPa；（4）鋼筒抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f*yy=310 MPa；（5）預(yù)應(yīng)力鋼絲強(qiáng)度抗拉標(biāo)準(zhǔn)值fsu=1 570 MPa。

2.3 荷載參數(shù)

（1）混凝土容重取值24.0 kN/m3，砂漿容重取值23.5 kN/m3，鋼材容重取值78.5 kN/m3，水容重取值10 kN/m3，回填土容重取值18.9 kN/m3；（2）管頂覆土厚度H根據(jù)計(jì)算取值，溝槽管，管基包角90°，土弧基礎(chǔ)；（3）作用于管頂?shù)孛嬉陨系木己奢d為附加荷載（堆積荷載），按10 kPa 計(jì)算；（4） 管材內(nèi)壓值：工作壓力Pw；（5） 無地下水；（6）活荷載：活荷載按公路Ⅰ級(jí)考慮?；詈奢d與附加荷載不需同時(shí)計(jì)入，取其中較大者。

2.4 其他條件

（1） 輸送介質(zhì): 水庫(kù)原水；（2） 管材外置時(shí)間: 管材置于室外時(shí)間（t1）和充水前時(shí)間（t2）分別按不少于270 d 和1 080 d 考慮；（3）荷載、荷載組合及其它設(shè)計(jì)參數(shù)：按照相應(yīng)的規(guī)范取值。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

在工作內(nèi)壓Pw取0.6 MPa 的條件下，按3 種規(guī)范分別計(jì)算不同管徑、不同覆土厚度條件下的鋼絲截面積，計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見表1。

表1 不同管徑和覆土厚度時(shí)鋼絲截面積計(jì)算值

在管徑取3.6 m 的條件下，按3 種規(guī)范分別計(jì)算不同覆土厚度、工作內(nèi)壓條件下的鋼絲截面積，計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見表2。

表1 中符號(hào)“—”指單層鋼絲已不能滿足結(jié)構(gòu)要求，需要纏繞雙層鋼絲。為便于分析，計(jì)算結(jié)果不參與比較。差值列中A 指CECS140 計(jì)算結(jié)果與AWWA C304 計(jì)算結(jié)果差值百分比，B 指SL702 計(jì)算結(jié)果與AWWA C304 計(jì)算結(jié)果差值百分比。表2 類同。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

通過以上計(jì)算結(jié)果分析得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1） PCCP 在Pw=0.6 MPa 時(shí)，CECS140 計(jì)算As值比 AWWA C304 計(jì) 算As值 大 4.6% ～38.9% ， SL 702——2015 計(jì) 算As值 比 AWWA C304 計(jì) 算As值 大0.2%～6.9%。

（2） PCCP 管徑取 3.6 m 時(shí)，CECS140 計(jì)算As值比AWWA C304 計(jì)算As值大4.6%～56.1%，SL 702—2015計(jì)算As值比AWWA C304計(jì)算As值大1.0%～6.9%。

（3）PCCP 在管徑和內(nèi)壓相同時(shí)，覆土厚度越大 ， CECS140 和 SL 702—2015 計(jì) 算As值 與 AWWA C304 計(jì)算As值差值越大。

表2 不同覆土厚度和工作內(nèi)壓時(shí)鋼絲截面積計(jì)算值

（4） PCCP 在相同直徑時(shí)，覆土厚度越大，CECS140 計(jì)算As值比 C304 計(jì)算As值差值越大；工作內(nèi)壓越大，CECS140 計(jì)算As值比 C304 計(jì)算As值差值越大。

4 結(jié) 語

隨著PCCP 在引調(diào)水工程廣泛使用，選擇合適的計(jì)算方法既能保證管道的結(jié)構(gòu)安全性，又能節(jié)省管道投資費(fèi)用。通過計(jì)算分析，建議PCCP 覆土厚度超過6 m，或工作內(nèi)壓超過1.0 MPa 時(shí)，不建議使用CECS140 計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果偏大，安全余度較大，造價(jià)過高。SL702 和AWWA C304 的計(jì)算結(jié)果相近，并有適當(dāng)?shù)陌踩喽龋溆?jì)算結(jié)果既能保證一定的安全性又符合設(shè)計(jì)要求。