郭 放

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110006)

近年來，為解決水資源不平衡問題，各地區(qū)開工建設(shè)了許多引調(diào)水項(xiàng)目，而輸水管道是此類項(xiàng)目中不可或缺的一種形式。鋼管作為管材的一種，雖然單價(jià)較貴，但其在安全性上有著其他管材不可比擬的優(yōu)勢(shì)，所以在管道沿線一些重點(diǎn)部位，如穿越公路、鐵路，隧洞連接段部位以及布設(shè)在村莊附近管線部位等均選用鋼管管材，而不用價(jià)格相對(duì)低廉的其他管材。然而，鋼管特別是大口徑鋼管承受外部荷載的能力有限，需要外包混凝土予以保護(hù)。文章以遼寧省重點(diǎn)輸水工程為例，總結(jié)了高覆土下大口徑鋼管外包混凝土的設(shè)計(jì)與施工，并應(yīng)用有限元方法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，為以后此類工程提供參考和經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

遼寧省重點(diǎn)輸水工程全長(zhǎng)598.432km，主體工程由輸水管線與輸水隧洞兩部分組成，其中輸水管線部分長(zhǎng)290.108km，輸水隧洞部分長(zhǎng)308.324km。該工程的輸水管線部分在上述重點(diǎn)部位均采用了鋼管，由于沿程流量差異，工程中采用了不同管徑及根數(shù)的組合：1×φ5.8m，1×φ5.4m，2×φ3.8m，3×φ3.6m，3×φ3.4m，4×φ3.2m等，在高覆土工況下，上述組合均設(shè)置了外包混凝土結(jié)構(gòu)以保護(hù)鋼管。

2 設(shè)計(jì)方案

考慮經(jīng)濟(jì)性要求，避免為了解決極少數(shù)高外荷載工況下的問題而專門生產(chǎn)一批特殊型號(hào)(壁厚)的鋼管，本工程鋼管均可承受不超過4m厚度覆土的外荷載，當(dāng)鋼管埋深超出此深度時(shí)則需要外包混凝土以承擔(dān)外部荷載。本工程輸水線路長(zhǎng)且地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，少數(shù)鋼管埋設(shè)深度最大可達(dá)18m。

2.1 設(shè)計(jì)形式

2.1.1 主體結(jié)構(gòu)

本工程輸水管線的鋪設(shè)形式分為同槽和分槽兩種，故在同一個(gè)溝槽內(nèi)存在一根管到四根管的四種橫斷面形式，如圖1～圖4所示。

圖1 單根鋼管外包混凝土

圖2 兩根鋼管外包混凝土

圖3 三根鋼管外包混凝土

圖4 四根鋼管外包混凝土

由于鋼管在水錘作用下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，故在鋼管與外包混凝土之間設(shè)置了5mm厚度的瀝青卷材，以避免混凝土受振動(dòng)荷載產(chǎn)生破壞。根據(jù)鋼管埋深所對(duì)應(yīng)的覆土外荷載計(jì)算出外包混凝土的主要控制尺寸，詳見表1。

2.1.2 過渡段

為避免鋼管外包混凝土結(jié)構(gòu)與其他鋼管或管道部位產(chǎn)生不均勻沉降差異，本工程在整體結(jié)構(gòu)縱斷方向上的兩側(cè)分別設(shè)置了兩節(jié)長(zhǎng)度10m(每節(jié)5m)的過渡段，具體做法如圖5所示。為施工方便，過渡段的寬度均與相連外包混凝土結(jié)構(gòu)寬度保持一致。

圖5 鋼管外包混凝土過渡段縱剖面圖

管材鋪設(shè)形式覆土深度/m尺寸a/mm尺寸b/mm尺寸c/mm主筋直徑/mm主筋間距/mm1×?5.8m6700600600201508900800800201501090080080022150121050850850221501×?5.4m670060060020150880070070020150109508008002015012100085085022150141100900900221502×?3.8m10600500500201501260055055022150146506006002215016750650650221503×?3.6m146506006002215018800750750221503×?3.4m18750700700221504×?3.2m1460055055020150

2.2 注意事項(xiàng)

(1)鋼管外包混凝土在縱斷方向上一般不宜超過12m，且在分縫處應(yīng)避開鋼管加勁環(huán)位置。

(2)環(huán)向受力鋼筋在鋼管加勁環(huán)處可適當(dāng)調(diào)整間距以避開加勁環(huán)，縱向鋼筋如與鋼管加勁環(huán)沖突可斷開處理，禁止將鋼筋焊接在加勁環(huán)上而產(chǎn)生安全隱患。

(3)過渡段的碎石墊層需級(jí)配良好，防止上部中粗砂中滲有碎石，導(dǎo)致鋼管被碎石損傷。

(4)若外包混凝土結(jié)構(gòu)縱斷方向兩側(cè)為巖石地基，則可不設(shè)置過渡段。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

常規(guī)的鋼管外包混凝土設(shè)計(jì)方案中，混凝土易于澆筑振搗，施工比較方便；然而，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，上述結(jié)構(gòu)有進(jìn)一步優(yōu)化的空間：可將結(jié)構(gòu)上部?jī)蓚€(gè)直角進(jìn)行磨腳處理，使最薄處的混凝土厚度與頂部最薄處保持一致，如圖6所示(以單根鋼管為例，其他形式原理相同)。

圖6 鋼管外包混凝土優(yōu)化設(shè)計(jì)斷面

通過下面的有限元分析及結(jié)構(gòu)計(jì)算可驗(yàn)證此結(jié)構(gòu)的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

3.1 模型的建立

本次計(jì)算采用了平面應(yīng)變分析方法，底邊采用固定邊界，管頂按8m覆土外荷載考慮。模型1剖分了400個(gè)單元，480個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖7所示；模型2(優(yōu)化斷面)剖分了475個(gè)單元，571個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖8所示。

圖7 有限元模型1

圖8 有限元模型2(優(yōu)化斷面)

3.2 計(jì)算結(jié)果與對(duì)比分析

根據(jù)模型的最大主應(yīng)力σ1計(jì)算結(jié)果，模型1頂拱部位的最大拉應(yīng)力σ1最大值達(dá)到了0.4MPa，為最危險(xiǎn)截面，且拉應(yīng)力范圍占到了整個(gè)截面的一半，根據(jù)SL191- 2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中第十二章的按應(yīng)力配筋原理，需要相對(duì)較多鋼筋來抵抗截面的拉應(yīng)力。在模型2中，最大拉應(yīng)力σ1最大值出現(xiàn)在拱肩部位，且最大值為0.05MPa，較模型1明顯減小，且受拉截面面積占整個(gè)截面的比例亦顯著減小，整個(gè)模型大部分在壓應(yīng)力控制下，受力條件有顯著改善，根據(jù)模型2的計(jì)算結(jié)果按照應(yīng)力配筋，則只需要配分布鋼筋即可滿足結(jié)構(gòu)及裂縫要求。數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 計(jì)算結(jié)果(模型1)

圖10 計(jì)算結(jié)果(模型2，優(yōu)化斷面)

3.3 經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性分析

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，采用優(yōu)化后的設(shè)計(jì)斷面可節(jié)省一部分混凝土和鋼筋用量，以1×φ5.8m鋼管，覆土深度8m為例，分布鋼筋按φ16mm考慮，每延米可節(jié)省混凝土約2.3m3，鋼筋約0.7t，經(jīng)濟(jì)性非常可觀。在具體施工環(huán)節(jié)中，由于優(yōu)化方案多出兩塊模板且存在斜面，在混凝土澆筑及振搗等方面略增加一定難度，但總體看來仍然是利遠(yuǎn)大于弊。

4 結(jié)語

實(shí)踐證明，該鋼管外包混凝土設(shè)計(jì)方案有效解決了高覆土下大口徑鋼管抵抗外部荷載的問題，保證了鋼管在此工況下的安全運(yùn)行，避免了鋼管生產(chǎn)廠家為少數(shù)工況而生產(chǎn)特別型號(hào)的管材，總體上節(jié)省了工程建設(shè)成本。同時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上和實(shí)際施工中均是可行的，且可進(jìn)一步節(jié)約成本，可在今后的類似工程中予以實(shí)踐和推廣。

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