姚嘉王光明，2司金艷王灝

（1.北京市市政工程研究院 100037；2.北京交通大學土木建筑工程學院 100044）

引言

城市污水主要通過排水管道收集排出，混凝土或鋼筋混凝土管道由于原材料來源廣，制作工藝較簡單，故常用作市政工程排水系統(tǒng)。一般來說，混凝土排水管道設計壽命在40年以上。但往往在使用10～20年左右就暴露出各類問題，主要是因為此類排水管道采用脆性材料，在使用過程中容易出現(xiàn)裂縫，由于成型工藝等原因混凝土或鋼筋混凝土管的孔隙率大，保護層厚度不足，內(nèi)部缺陷較多，使其抗酸、堿侵蝕及抗?jié)B性能較差。

通過對北京市區(qū)內(nèi)幾十條混凝土或鋼筋混凝土排水管道進行調(diào)研，得出其主要存在接口損壞、管道開裂、移位、腐蝕、破裂、塌陷等病害。其中，需要結構性補強修復的占總管節(jié)數(shù)的12%，在氣蝕較為嚴重如跌水井及管道排氣不暢通區(qū)域更為明顯，結構承載能力下降可達20%以上。

排水管道位于城市主要交通道路下方，無法進行大規(guī)模開挖修復?，F(xiàn)有管道修復主要以外觀修復為主，如表面噴涂、增設塑料內(nèi)襯等方式，此類修復無法解決管道結構性損傷的問題。在國外城市排水管道修復中有一種較為科學合理的管道結構性修復方式，但還未形成較為完備的體系。其基本加固思想是在管道需要補強的地方增設剛性支架，通過支架抵抗管道的外荷載。

1 管道內(nèi)支架介紹

管道內(nèi)支架按構造主要分為整體式和拼裝式，如圖1所示。其中，整體式主要應用于對恢復承載力要求不高的小口徑管道，此類技術在國外發(fā)展較為成熟。當待加固管道口徑較大、對結構補強要求較高時，則需采用拼裝式支架，此技術目前鮮有應用，本文將重點討論。

考慮到加設支架會減少管道的過水面積，結合排水管道的運行環(huán)境，管道內(nèi)支架的材質(zhì)優(yōu)選強度高、摩擦系數(shù)小、耐腐蝕的304不銹鋼，也可采用PVC等材料。

對結構性修復用管道內(nèi)支架而言，其對管道結構修復的能力取決于自身剛度，通過調(diào)整內(nèi)支架的剛度，可滿足全結構修復（指修復部分承受全部外荷載而不依賴原管道）及部分結構修復（原管道結構仍承擔部分外荷載，與加固結構共同工作）的需求。結構性修復用管道內(nèi)支架主要用于如下情況：（1）原管道存在較嚴重的結構性損傷，如混凝土坍塌、剝落、露筋銹蝕、結構裂縫等；（2）原管道混凝土強度有明顯下降；（3）原管道所受外荷載超過原設計值；（4）管道外觀修復技術無法實現(xiàn)的結構性加固。

圖1 管道內(nèi)支架Fig.1 Inner pipe support

2 拼裝式管道內(nèi)支架

2.1 拼裝管片

拼裝式管道內(nèi)支架由開合管片C和結構圓管片A、B組成，各組件采用鉸接連接。結構圓管片弧度與待加固管道內(nèi)壁適配，當滿足檢查井洞口出入時，可將A、B組件設計為整體。開合管片C為鉸接的兩部分，每部分分別再與A、B鉸接。當開合管片C折疊時，管道內(nèi)支架的環(huán)向尺寸小于待加固管道內(nèi)壁，便于定位安裝。當開合管片C開啟時，管道內(nèi)支架的環(huán)向尺寸與待加固管道內(nèi)壁適配，拼裝式管道內(nèi)支架示意見圖2。拼裝管片的壁厚根據(jù)需求按照《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復更新工程技術規(guī)程》（CJJ/T 210-2014）計算確定，每榀管道內(nèi)支架寬度滿足現(xiàn)場安裝條件即可，通過多榀聯(lián)合拼裝實現(xiàn)設計要求。

圖2 拼裝式管道內(nèi)支架示意Fig.2 Schematic of the assembled inner pipe support

由于施工誤差、環(huán)境侵蝕等原因，排水管道的過流斷面尺寸往往不是標準正圓。為使管道內(nèi)支架與待加固管道協(xié)同受力，應盡量消除二者間的空隙。因此，開合管片C的設計是拼裝式管道內(nèi)支架設計的關鍵，其開合公差決定支架是否能夠正確開啟。開合管片C的開合公差應控制在5mm～10mm時較為合適，考慮到開啟效果及安裝便利，開合管片的開啟角度宜設定為30°以上。

從施工簡便角度考慮，開合管片設在頂部較為合理。當待加固管道管徑較大時，可設多個開合管片，多個開合管片施工較為復雜且可靠性差，因此對稱設置較為合理。

2.2 頂部加強梁

開合管片C開啟后，支架體系形成，同時由于開合公差存在會對管道內(nèi)支架施加一定的徑向張力，從而對待加固管道結構形成一定的外壓。由于開合管片多位于管道正彎矩區(qū)，且包含鉸接裝置，因此可增設加強梁來保證結構受力及安全，頂部加強梁示意如圖3a所示。加強梁的一側外緣與開啟后的開合管片弧度適配，在開合管片C與結構圓管片A、B鉸接處分別設置連接肋板，通過螺栓與加強梁連接固定，見圖3b。加強梁寬度需視待加固管道所受外力及自身破損情況而定，但不應小于管道內(nèi)支架壁厚。

3 管道內(nèi)支架有限元計算

3.1 計算模型

《混凝土和鋼筋混凝土排水管試驗方法》（GB/T 16752-2006）規(guī)定，對混凝土和鋼筋混凝土排水管采用外壓荷載及內(nèi)水壓力指標控制其承載能力。由于本次設計的管道內(nèi)支架并不涉及抗?jié)B漏的功能，故參照排水管道外壓荷載試驗建立模型，排水管道外壓荷載試驗裝置見圖4。

圖3 頂部加強梁示意Fig.3 Schematic of the reinforcing beam

圖4 外壓荷載試驗裝置示意Fig.4 Schematic of the external pressure load test device

采用通用有限元軟件ANSYS進行計算，計算參數(shù)如下：混凝土管道外徑660 mm，內(nèi)徑600mm，管長1m，混凝土強度等級C30，采用solid65單元模擬；管道內(nèi)支架材質(zhì)為304不銹鋼，壁厚為3mm，彈性模量200GPa，泊松比0.3，采用shell181單元模擬；通過建立面與面接觸來模擬混凝土管道與管道內(nèi)支架之間的相互作用，兩者之間的摩擦系數(shù)取0.3。計算模型采用剛性支承，通過4級加載最后達到破壞荷載的80%。計算分為2個工況，工況1為無管道內(nèi)支架僅混凝土管，工況2為混凝土管且安裝管道內(nèi)支架，計算模型見圖5。

圖5 有限元計算模型Fig.5 Finite element calculation model

3.2 計算結果分析

混凝土管道各級加載對應位移見圖6，從圖中可以看出，混凝土管道在外壓荷載作用下，無論是否增設管道內(nèi)支架，最大豎向位移位于管頂，最大橫向位移位于兩側管壁。最大荷載作用下，兩種工況混凝土管道均未出現(xiàn)塑性變形的趨勢。未安裝支架的管道最大橫向位移為0.077mm，最大豎向位移為0.174mm；安裝管道內(nèi)支架后，混凝土管道的最大橫向位移為0.047mm，下降了39%，最大豎向位移為0.109mm，下降了37%。有限元計算結果表明，安裝管道內(nèi)支架對混凝土管道的承載力具有較明顯的提高。

圖6 混凝土管道最大位移理論值Fig.6 Theoretical value of the maximum displacement

4 管道外壓荷載試驗與分析

4.1 試驗參數(shù)及測點布設

為驗證理論計算結論，對實體管道進行外壓荷載試驗。試驗分為安裝管道內(nèi)支架及無管道內(nèi)支架兩種工況，每工況試件數(shù)量2個，混凝土管道、管道內(nèi)支架參數(shù)與理論計算相同。

試驗荷載分為4級，加載速度為每分鐘1.5kN/m，達到目標荷載并保持1min，以此類推，最終達到該型混凝土管道破壞荷載的80%。由理論計算可知，管道受外壓荷載作用下，其豎向最大位移位于管頂，橫向最大位移位于兩側管壁，測點位置見圖7。

圖7 測點布置Fig.7 Measuring point layout

4.2 荷載試驗結果

當加載達到試驗最大值時，兩種工況混凝土管道均未出現(xiàn)裂縫及其他塑性變形的趨勢，各級加載對應混凝土管道變形見圖8。從圖中可以看出，最大荷載作用下，未安裝支架的管道最大橫向位移為0.067mm，最大豎向位移為0.157mm；安裝管道內(nèi)支架后，混凝土管道的最大橫向位移為0.052mm，下降了22%，最大豎向位移為0.120mm，下降了24%，試驗證明，該型管道內(nèi)支架對原管道承載能力的提高效果顯著。

圖8 混凝土管道最大位移試驗值Fig.8 Experimental value of the maximum displacement

4.3 試驗結果分析

理論計算與荷載試驗結果對比見表1、表2，從表中可以得出，無管道內(nèi)支架工況混凝土管道結構變形呈線性且包絡于理論計算結果，理論計算與試驗值偏差在15%以內(nèi)。安裝管道支架后，理論計算與試驗值偏差為負值，最大偏差為-11%，此結果說明管道內(nèi)支架對混凝土管道承載力的實際增強作用相較理論計算有一定程度的降低。相較于理論計算結果，管道內(nèi)支架隨著荷載增加，其參與結構受力越明顯，對待加固管道承載能力提升效果越好。

表1 橫向位移理論值與實測值對比Tab.1 Comparison of theoretical and measured values of horizontal displacement

表2 豎向位移理論值與實測值對比Tab.2 Comparison of theoretical and measured values of vertical displacement

5 結語

管道結構性修復用內(nèi)支架可對混凝土或鋼筋混凝土管道的結構性損傷進行非開挖修復，在損失少量過流面積的前提下，對原結構承載力提升明顯。管道與內(nèi)支架形成的復合結構在荷載作用下，理論計算結果略優(yōu)于試驗結果，可為今后管道結構的修復和補強提供參考。