一種基于CECS140：2011的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土頂管（JPCCP）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

闕小平 徐惠娟 粟麗萍

四川國(guó)統(tǒng)混凝土制品有限公司 成都610509

引言

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土頂管（JPCCP）是近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)混凝土壓力輸水管線建設(shè)需求而發(fā)展起來(lái)的一種適用于頂進(jìn)施工的預(yù)應(yīng)力混凝土復(fù)合管材。JPCCP的管體結(jié)構(gòu)與PCCP 管類似，均是混凝土管芯中嵌置薄鋼筒的預(yù)應(yīng)力管，主要區(qū)別在于JPCCP使用模具澆筑成型的鋼筋混凝土保護(hù)層代替PCCP采用輥射工藝成型的砂漿保護(hù)層，這一優(yōu)化主要是為了滿足頂管工藝所需的管外壁光滑以利于減阻的技術(shù)要求。

目前，JPCCP在國(guó)內(nèi)尚無(wú)專門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，僅個(gè)別省市頒布了有關(guān)JPCCP應(yīng)用技術(shù)方面的地方標(biāo)準(zhǔn)［1］，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的JPCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法多參照PCCP 或結(jié)合PCCP 和鋼筋混凝土管的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行，這些方法多存在一些不足之處［2-4］。本文結(jié)合JPCCP結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種基于《給水排水工程埋地預(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》（CECS140：2011）［5］的JPCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，希望對(duì)JPCCP管材的設(shè)計(jì)和應(yīng)用有所幫助。

1JPCCP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

JPCCP的管體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：（1）管芯部分在不計(jì)內(nèi)層鋼筋籠的情況下與PCCP 管芯相同（目前JPCCP 的設(shè)計(jì)大多不在管芯內(nèi)壁配置鋼筋籠）：即由管芯內(nèi)層混凝土、防滲鋼筒、管芯外層混凝土組成；（2）管芯外表面纏繞環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲，建立管芯環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力，與PCCP 相同；（3）由一定厚度（一般60mm ～100mm）的帶鋼筋籠的混凝土層作為預(yù)應(yīng)力鋼筋保護(hù)層，混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般與管芯相同，保護(hù)層由立式振搗工藝成型，為管材提供了光滑的外表面，有利于減少頂進(jìn)阻力；（4）管芯的受頂面由管芯外層混凝土和混凝土保護(hù)層共同組成，鋼筒和管芯內(nèi)壁混凝土不直接受頂力作用。JPCCP的管體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 JPCCP 管體結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of JPCCP

2 JPCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

2.1 采用CECS140：2011 作為基本設(shè)計(jì)方法

JPCCP與PCCP 采用相同的管芯、鋼筒和預(yù)應(yīng)力鋼絲，且這些結(jié)構(gòu)組成部分采用相同的生產(chǎn)工藝和技術(shù)指標(biāo)，二者的主要區(qū)別是保護(hù)層材料與構(gòu)造不同，管材施工方式不同。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中基于PCCP的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行JPCCP 設(shè)計(jì)是合理的，但應(yīng)針對(duì)JPCCP的特點(diǎn)進(jìn)行修正。目前我國(guó)PCCP 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法主要采用CECS140：

2011 標(biāo)準(zhǔn)，本文采用CECS140：2011 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法作為基本設(shè)計(jì)方法，遵守該標(biāo)準(zhǔn)中在管體承載能力極限狀態(tài)計(jì)算（強(qiáng)度計(jì)算）時(shí)不考慮混凝土受拉性能的假定，管體在組合荷載下產(chǎn)生的拉力全部由鋼材承擔(dān)。

2.2 計(jì)入普通鋼筋的受力作用

在JPCCP結(jié)構(gòu)管芯內(nèi)壁和保護(hù)層混凝土內(nèi)適當(dāng)配置普通鋼筋的優(yōu)勢(shì)在于：

（1）有利于改善JPCCP的結(jié)構(gòu)安全性

在JPCCP管體中配置一定數(shù)量的普通受力鋼筋，使管體在受荷時(shí)形成了預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋共同受力的狀態(tài)；在受拉截面，拉應(yīng)力由預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋共同承擔(dān)。由于普通鋼筋韌性好，強(qiáng)屈比高（以HRB400 鋼筋為例，其強(qiáng)屈比不低于1.35；預(yù)應(yīng)力冷拉鋼絲無(wú)屈服點(diǎn)，其抗拉強(qiáng)度與名義屈服強(qiáng)度之比為1.25），斷裂伸長(zhǎng)率大，配置一定比例的普通受力鋼筋，可以使JPCCP的破壞狀態(tài)呈現(xiàn)一定的延性破壞特點(diǎn)，而非突如其來(lái)的脆性破壞。另外，一定比例的普通鋼筋與預(yù)應(yīng)力鋼筋共同受力，即使預(yù)應(yīng)力鋼筋受損退出工作，結(jié)構(gòu)尚可由普通鋼筋承擔(dān)荷載，短期維持這種“超負(fù)荷”承載的狀態(tài)可以為管線進(jìn)行應(yīng)急調(diào)整、維修和加固提供反應(yīng)時(shí)間，使結(jié)構(gòu)具有更大的安全冗余度。

（2）有利于避免“雙層纏絲”的設(shè)計(jì)結(jié)果

通過(guò)調(diào)整普通受力鋼筋的配筋比例，可以方便地按單層纏絲要求控制預(yù)應(yīng)力鋼筋的配筋量，有效避免了大口徑、高工況管材因“雙層纏絲”的設(shè)計(jì)結(jié)果而面臨復(fù)雜的生產(chǎn)工藝以及因此帶來(lái)的成本提高等其他問(wèn)題。

（3）有利于提高管芯內(nèi)壁混凝土韌性和剛度

JPCCP在頂管施工完成后，為了提高管道接口鋼構(gòu)件的耐腐蝕性，往往會(huì)進(jìn)行接口間隙的注漿（見(jiàn)圖2 中“接頭注漿孔”及內(nèi)外密封設(shè)計(jì)）。如注漿壓力過(guò)大，漿液可能會(huì)滲入管芯外壁與鋼筒之間的界面，對(duì)管芯內(nèi)壁混凝土形成附加外壓作用。管芯內(nèi)壁混凝土厚度較薄，如不配置普通鋼筋將是素混凝土，雖然管體混凝土中建立了預(yù)壓應(yīng)力，但仍然可能在前述附加外壓作用下產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。因此，在管芯內(nèi)壁混凝土中配置一定數(shù)量的普通鋼筋，有利于提高管芯內(nèi)壁混凝土的韌性和剛度，增強(qiáng)其抵抗前述附加外壓作用的能力。

圖2 JPCCP 接口構(gòu)造示意Fig.2 JPCCP interface structure hint

3JPCCP結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)需注意的問(wèn)題

本節(jié)僅對(duì)采用CECS140：2011 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行JPCCP結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)需要調(diào)整和修正之處進(jìn)行介紹，不列舉JPCCP的全部結(jié)構(gòu)計(jì)算過(guò)程。

3.1 材料參數(shù)

1.保護(hù)層混凝土計(jì)算參數(shù)

JPCCP保護(hù)層混凝土一般采用與管芯混凝土相同的強(qiáng)度等級(jí)，在選擇材料計(jì)算參數(shù)時(shí)，應(yīng)采用保護(hù)層混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（ftk）、彈性模量（Ec）等數(shù)據(jù)。此外，在保護(hù)層抗裂驗(yàn)算中應(yīng)代入保護(hù)層混凝土的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)，以便與管體實(shí)際材料一致。由于保護(hù)層的抗裂驗(yàn)算是針對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋的，因此計(jì)算時(shí)保護(hù)層厚度仍取預(yù)應(yīng)力鋼筋的凈保護(hù)層厚度。

2.普通鋼筋參數(shù)

對(duì)擬采用的普通鋼筋型號(hào)、直徑、布置位置進(jìn)行設(shè)置，并在承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)使用其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、彈性模量等參數(shù)。

3.2 管壁截面特征參數(shù)計(jì)算

在結(jié)構(gòu)計(jì)算過(guò)程中，由于存在普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋兩個(gè)需要求解的配筋參數(shù)，不便于直接求解，可采用試算法，根據(jù)管材工況和期望的設(shè)計(jì)效果預(yù)先假設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋的配筋量，再根據(jù)假設(shè)配筋量進(jìn)行管壁截面特征參數(shù)的計(jì)算，計(jì)算方法見(jiàn)CECS140：2011 附錄D，計(jì)算中需在相關(guān)公式中加入普通鋼筋參數(shù)。

1.y0的計(jì)算

用公式（D.0.6-2）計(jì)算Sn時(shí)，原公式中應(yīng)增加普通鋼筋的折算面積矩，即：

式中：nss為普通鋼筋與管體混凝土的彈性模量比；Ass1、Ass2分別為外層、內(nèi)層普通鋼筋的配筋面積；tmso、tmsi分別為外層、內(nèi)層普通鋼筋的保護(hù)層凈厚度；dso、dsi分別為外層、內(nèi)層普通鋼筋的直徑。

用公式（D.0.6-3）計(jì)算An時(shí)，原公式中應(yīng)增加普通鋼筋的折算面積，即：

2.I的計(jì)算

用公式（D.0.7）計(jì)算I時(shí)，應(yīng)在原公式中將Im換為Ic2（保護(hù)層混凝土對(duì)y0的慣性矩，如保護(hù)層與管芯強(qiáng)度等級(jí)相同，可不用單算Ic2，在計(jì)算Ic時(shí)采用管芯混凝土和保護(hù)層混凝土的厚度之和進(jìn)行計(jì)算）。另外，應(yīng)增加普通鋼筋A(yù)ss1、Ass2對(duì)y0的慣性矩Iss，Iss可按以下公式計(jì)算：

式中：Isso、Issi分別為外層、內(nèi)層普通鋼筋對(duì)y0的慣性矩。

3.Wco的計(jì)算

用公式（D.0.4）計(jì)算管壁截面對(duì)管壁外側(cè)截面受拉邊緣彈性抵抗矩時(shí)，由于保護(hù)層已改為混凝土，且I、y0計(jì)算均已包含普通鋼筋，因此公式（D.0.4）不變，只需將式中Wm以Wco代替即可。

經(jīng)上述調(diào)整，按CECS140：2011 附錄D 計(jì)算的各個(gè)管壁截面特征參數(shù)均為包含普通鋼筋且采用實(shí)際保護(hù)層材料參數(shù)的數(shù)值，可在后續(xù)計(jì)算中直接引用。

3.3 預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算

據(jù)CECS140：2011 第4.2.8 條計(jì)算混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失σs3時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)公式（4.2.8-3）和（4.2.8-4）中需計(jì)算最外層預(yù)應(yīng)力鋼筋以內(nèi)的管芯折算面積Acy和A′cy，由于JPCCP內(nèi)層管芯混凝土中可配置普通鋼筋，因此Acy和A′cy中應(yīng)增加內(nèi)層普通鋼筋的折算面積，即：

3.4 土荷載計(jì)算

JPCCP采用頂進(jìn)施工工藝，其管頂豎向土荷載應(yīng)按頂管土荷載考慮，建議按《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50332—2002）［6］附錄B第B.0.3 條的相關(guān)規(guī)定計(jì)算；也可按《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS246：2008）［7］第6.2.2 條計(jì)算。

3.5 承載能力極限狀態(tài)下的配筋計(jì)算

JPCCP在承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行配筋計(jì)算時(shí)，采用CECS140：2011 第6.1.4 條公式（6.1.4）進(jìn)行計(jì)算。該公式的計(jì)算截面是管側(cè)截面，只考慮鋼材受拉，忽略混凝土的抗拉強(qiáng)度，在計(jì)算JPCCP時(shí)需考慮普通鋼筋受拉時(shí)的貢獻(xiàn)，體現(xiàn)在公式中見(jiàn)式（7）所示。

式中：fs為普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；其他符號(hào)見(jiàn)CECS140 標(biāo)準(zhǔn)及前述說(shuō)明。

式（7）中，Ass1、Ass2根據(jù)管材總配筋量、普通鋼筋的配筋率、預(yù)應(yīng)力鋼筋與普通鋼筋的承載比例等條件預(yù)先設(shè)置。

3.6 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

JPCCP按照CECS140：2011 第6.2 節(jié)的規(guī)定進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)下的相關(guān)驗(yàn)算。

1.標(biāo)準(zhǔn)組合下管頂、管底截面的配筋計(jì)算本組合的配筋計(jì)算按標(biāo)準(zhǔn)公式（6.2.2-1）～（6.2.2-3）執(zhí)行，但在使用時(shí)應(yīng)注意：（1）An應(yīng)包含普通鋼筋折算面積；（2）ωc、Wp采用本文第

3.2 節(jié)方法計(jì)算的數(shù)值。

2.控制保護(hù)層開裂計(jì)算

JPCCP控制保護(hù)層開裂計(jì)算按標(biāo)準(zhǔn)第6.2.3節(jié)和第6.2.4 節(jié)相關(guān)公式計(jì)算，但需注意以下問(wèn)題：

（1）由于保護(hù)層是混凝土而非砂漿，應(yīng)將標(biāo)準(zhǔn)公式（6.2.3-1）和（6.2.4-1）中的參數(shù)εmt、Em換成保護(hù)層混凝土強(qiáng)度等級(jí)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)εct、Ec。

（3）保護(hù)層應(yīng)變量設(shè)計(jì)參數(shù)αm和α′m仍分別按5.0 和4.0 取值。理由為：1）根據(jù)混凝土和砂漿的本構(gòu)模型，混凝土從微裂到出現(xiàn)可見(jiàn)裂紋的應(yīng)變倍率為11，大于砂漿的8，在混凝土保護(hù)層開裂控制條件中將αm和α′m分別取5.0 和4.0，比保護(hù)層為砂漿時(shí)保守；2）根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，管材結(jié)構(gòu)計(jì)算控制工況在絕大多數(shù)情況下并非保護(hù)層開裂驗(yàn)算工況，在混凝土作保護(hù)層的情況下，αm和α′m的上述取值不會(huì)改變管材結(jié)構(gòu)的控制工況；3）對(duì)于采用頂進(jìn)施工且配置環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼筋的JPCCP，頂管時(shí)管道外壁與土層間存在摩擦作用，為了提高混凝土保護(hù)層的安全性，保護(hù)層開裂控制可適當(dāng)保守。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

根據(jù)本文提出的JPCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行實(shí)體管材的設(shè)計(jì)和承載能力驗(yàn)證試驗(yàn)，以驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的合理性。

4.1 試驗(yàn)管材相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)管材規(guī)格及主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，配筋計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。采用抗裂內(nèi)壓試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，是考慮到內(nèi)壓試驗(yàn)時(shí)管體受力最均勻，且不受設(shè)備、安裝精度等外界條件影響，能最準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)承載能力。管材抗裂內(nèi)壓試驗(yàn)依據(jù)GB／T 15345—2017規(guī)定的方法進(jìn)行，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意見(jiàn)圖3。

表1 JPCCP試驗(yàn)管材主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Main design parameters of JPCCP test pipe

表2 JPCCP試驗(yàn)管材結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果參數(shù)Tab.2 Parameter table of JPCCP test pipestructure calculation results

圖3 JPCCP DN2000 P0.6／H8 抗裂內(nèi)壓試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意Fig.3 Field diagram of JPCCP DN2000 P0.6／H8 crack resistance internal pressure test

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

當(dāng)試驗(yàn)壓力達(dá)到計(jì)算值1.64MPa 時(shí)，管體未見(jiàn)任何肉眼可見(jiàn)的裂縫；當(dāng)試驗(yàn)壓力達(dá)計(jì)算值的1.1 倍（1.80MPa）時(shí)，管體插口端開始出現(xiàn)可見(jiàn)縱向裂縫，裂縫數(shù)量7 條，沿管周基本呈均勻間距分布，裂縫寬度小于0.08mm，長(zhǎng)度在150mm ～200mm之間；管體其他位置無(wú)任何可見(jiàn)裂縫。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：

（1）試驗(yàn)管材的實(shí)際開裂荷載大于計(jì)算荷載，滿足設(shè)計(jì)要求；

（2）JPCCP插口端是結(jié)構(gòu)的邊界部位，也是預(yù)應(yīng)力區(qū)邊緣位置，該處的應(yīng)力條件不如管體中部均勻，試驗(yàn)中管體裂縫從該處開始發(fā)展是合理的，這與PCCP抗裂內(nèi)壓試驗(yàn)時(shí)管體裂縫的發(fā)展規(guī)律是一致的；

（3）實(shí)際開裂荷載為計(jì)算荷載的1.1 倍，說(shuō)明本設(shè)計(jì)方法的計(jì)算結(jié)果與管材實(shí)際性能表現(xiàn)是吻合的，且有合理的安全余量，符合工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，證明采用本設(shè)計(jì)方法進(jìn)行JPCCP的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠得到準(zhǔn)確、合理的設(shè)計(jì)結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)JPCCP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工程應(yīng)用環(huán)境提出了一種基于CECS140：2011 標(biāo)準(zhǔn)的JPCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)中的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)假設(shè)，同時(shí)針對(duì)JPCCP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)調(diào)整保護(hù)層材料參數(shù)和相應(yīng)公式內(nèi)容，以確保計(jì)算結(jié)果符合JPCCP結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況。

該方法在JPCCP保護(hù)層和管芯內(nèi)壁配置一定數(shù)量的受力普通鋼筋，可達(dá)到改善管材結(jié)構(gòu)安全性能、避免大口徑高工壓管材在設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)雙層纏絲的工藝制造難題、提升管芯內(nèi)壁混凝土抗失穩(wěn)能力的效果。

最后對(duì)該方法設(shè)計(jì)管材的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，證明了本設(shè)計(jì)方法能夠準(zhǔn)確反映JPCCP的結(jié)構(gòu)性能，并有合理的安全余量，符合工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。