張斌

摘 要：混凝土壓力管道以其廉價、節(jié)能環(huán)保等特性一直占據(jù)著壓力管道的主要市場，在輸水工程中廣泛使用。但是，現(xiàn)有混凝土壓力管道易出現(xiàn)裂紋、腐蝕、高強鋼絲脆斷的潛在質(zhì)量問題，而且PCCP產(chǎn)品不能露天使用，這直接影響到管道的安全運行和使用壽命。所以，必須研發(fā)出性能更加優(yōu)越的新型混凝土壓力管道產(chǎn)品，滿足輸水工程建設(shè)要求。

關(guān)鍵詞：BCCP壓力管道;結(jié)構(gòu)設(shè)計;生產(chǎn)制造;應(yīng)用

中圖分類號：TU528.73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）26-0074-04

Research， Development and Application of Reinforced

Bar-wrapped Cylinder Concrete Pressure Pipeline （BCCP）

ZHANG Bin

（Ningxia Qinglong Pipes Industry Co.， Ltd.，Yinchuan Ningxia 756001）

Abstract： Concrete pressure pipeline has been occupying the main market of pressure pipe for its low cost， energy saving and environmental protection， and it is widely used in water conveyance project. However， existing concrete pressure pipes are prone to potential quality problems of cracks， corrosion， and high-strength steel wire brittleness， and PCCP products cannot be used in the open air， which directly affects the safe operation and service life of the pipes. Therefore， it is necessary to develop new concrete pressure pipe products with superior performance to meet the requirements of water transportation project construction.

Keywords： BCCP pressure pipeline;structural design;manufacturing;application

我國大口徑輸水工程主要使用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土壓力管（PCCP），其在多年使用中逐漸顯露出一些質(zhì)量問題，其集中反映在三個方面。一是高強鋼絲脆化斷裂問題。高工壓鋼筋混凝土輸水管主要的受力鋼筋使用1 570MPa高強鋼絲，它是由鋼盤條經(jīng)反復(fù)拉拔而成，使鋼的柔韌性能大幅下降，脆性增加，氫脆指標(biāo)難以合格，使用幾年后容易出現(xiàn)脆化斷裂，嚴(yán)重影響管道的安全運行和使用壽命。二是保護(hù)層空鼓裂縫問題。高工壓鋼筋混凝土輸水管的保護(hù)層是經(jīng)輥射工藝成型的，厚度較薄，一般在25mm左右，在制造與使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)保護(hù)層的吸水率較難控制合格，其與較細(xì)光面高強鋼絲的粘接力較差，易造成保護(hù)層空鼓裂縫。三是高強鋼絲與鋼制管口腐蝕問題。在使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)保護(hù)層空鼓裂縫處多存在高強鋼絲腐蝕問題，承插口部位也存在腐蝕問題，高強鋼絲的腐蝕是保護(hù)層空鼓裂縫引起的，管口的腐蝕是防腐材料性能質(zhì)量較差造成的。

以上問題嚴(yán)重影響輸水管道正常運行，人們必須研發(fā)性能更加優(yōu)越的新產(chǎn)品來滿足輸水工程建設(shè)要求。鋼筋纏繞鋼筒混凝土壓力管道（BCCP）是針對上述問題而研發(fā)的新產(chǎn)品，常用管徑為500～2 600mm，常用工壓≤2.0MPa。

1 BCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

BCCP產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》（GB/T 19685—2017）、《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50332—2002）的有關(guān)規(guī)定和《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范》（SL 702—2015）的有關(guān)規(guī)定，參照美國標(biāo)準(zhǔn)《鋼筒形條繞的混凝土壓力管》（ANSI/AWWA C303—2008）。采用冷扎帶肋鋼筋和較厚的鋼筒，鋼筒和鋼筋共同承擔(dān)截面應(yīng)力，鋼筋的面積不超過總環(huán)向鋼截面積的65%。環(huán)向鋼筋中心間距不大于50mm，凈間距不小于10mm，直徑不小于6mm;纏繞時按鋼筋屈服強度70%的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行控制。在管子結(jié)構(gòu)設(shè)計時，允許通過增加管芯厚度、改變鋼筒材質(zhì)或厚度、鋼筋材質(zhì)、直徑和間距、混凝土強度等級或通過改變管道基礎(chǔ)形式、管基中心角等敷設(shè)條件開展管子結(jié)構(gòu)設(shè)計，以獲得經(jīng)濟(jì)合理的管子結(jié)構(gòu)。管芯混凝土設(shè)計強度不應(yīng)低于C50;保護(hù)層為細(xì)石混凝土，設(shè)計強度不應(yīng)低于C50。采用鋼制承插口，雙膠圈密封止水。成品鋼筒水壓試驗和成品管抗裂檢驗內(nèi)壓符合《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》（GB/T 19685—2017）的規(guī)定。

1.2 設(shè)計步驟

首先，確定單獨承受內(nèi)部水壓時所需的管壁強度值。然后，評估外部荷載的影響，既考慮管子的預(yù)應(yīng)力狀況，也考慮外載（[We]，[Wt]）、管重（[Wp]）和水重（[Wf]）、工作壓力（[Pw]）和瞬時壓力（[Pt]）的綜合影響，保證管材使用的可靠性。

1.3 確定設(shè)計條件

首先，確定管道直徑[D]、工作壓力[P]和覆土深度[H]。其次，確定管道基礎(chǔ)型式，設(shè)計管基采用AWWA M9所列R4類型，設(shè)計基礎(chǔ)包角90°。

再次，確定外荷載。一是土荷載，要確定用于管道設(shè)計的回填物的容重，保證回填土的壓實度。埋設(shè)方式應(yīng)采用上埋式，覆土荷載計算采用Marston’s土荷載分布理論。二是溝槽寬度。當(dāng)管道內(nèi)徑≤1 400mm時，溝底寬度=管外徑+2×500mm;當(dāng)管道內(nèi)徑≥1 600mm時，溝底寬度=管外徑+2×600mm。地下水水位按同回填地面相平和無水的最不利情況考慮。三是活荷載，按照公路-Ⅰ級荷載要求，活荷載與地面附加荷載分布同時作用，取其較大者。

最后，抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，產(chǎn)品正常使用年限不小于50年。

1.4 確定主要原材料指標(biāo)

管芯混凝土設(shè)計強度等級選用C50。保護(hù)層細(xì)石混凝土設(shè)計強度選用C50，保護(hù)層吸水率滿足美國標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土壓力管 鋼筒型》（ANSI/AWWA C301—2007）的要求。保護(hù)層厚度[hs]=50mm。預(yù)應(yīng)力鋼筋一般采用冷軋帶肋鋼筋，直徑[ds]=6～12mm，鋼筋抗拉強度[fsu]=650MPa，纏筋控制應(yīng)力[fsg]=70%[fsu]。鋼筒采用Q235或Q345-b鋼板，厚度[ty]≥1.5mm，設(shè)計屈服強度[fy]≥215MPa。

1.5 結(jié)構(gòu)計算

1.5.1 環(huán)向鋼構(gòu)件橫截面積計算。根據(jù)式（1）和式（2），計算環(huán)向鋼構(gòu)件的橫截面積。在工作壓力作用下，環(huán)向鋼構(gòu)件的橫截面積為：

[As=6PwDyi/fs]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[As]為鋼構(gòu)件環(huán)向橫截面積;[Pw]為工作內(nèi)壓;[Dyi]為鋼筒內(nèi)徑;[fs]為工作壓力時的鋼構(gòu)件內(nèi)平均環(huán)向應(yīng)力。

在工作壓力+水錘壓力的聯(lián)合作用下，環(huán)向鋼構(gòu)件的橫截面積為：

[As=6（Pw+Ps）Dyi/fsi]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[Ps]為水錘壓力，一般?。?.3～0.4）[Pw];[fsi]為工作壓力+水錘壓力聯(lián)合作用時的鋼構(gòu)件內(nèi)平均環(huán)向應(yīng)力。

判別控制條件時，以鋼構(gòu)件環(huán)向橫截面積[As]大者為控制條件。

1.5.2 鋼筒截面積計算。計算鋼筒截面積時，要設(shè)計鋼筒厚度[ty]，計算鋼筒截面積[Ay]。

1.5.3 鋼筋截面積及配筋計算。采用冷軋帶肋鋼筋，抗拉強度[fsu]=650MPa，纏絲控制應(yīng)力[fsg]=70%[fsu]?？紤]鋼筋應(yīng)力松弛、混凝土收縮、徐變和鋼筋擠壓混凝土等應(yīng)力損失因素，總應(yīng)力損失按纏筋控制應(yīng)力的30%計算。計算纏筋間距[C]，得到初步計算成果后，進(jìn)行強度驗算。

1.5.4 管身截面強度驗算。一是抗裂驗算。成品管在控制開裂標(biāo)準(zhǔn)組合條件下的抗裂檢驗內(nèi)壓（[Pt]）應(yīng)由式（3）求得。水壓試驗時，管子[Pt]下至少恒壓5min，管體不得出現(xiàn)爆裂、局部凸起和滲漏現(xiàn)象，細(xì)石混凝土保護(hù)層不應(yīng)出現(xiàn)寬度大于0.2mm的裂縫和其他剝落現(xiàn)象。

[Pt=αt（Apσpc+αftkAn）Bra]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，[Pt]為抗裂檢驗內(nèi)壓，MPa;[αt]為管型結(jié)構(gòu)外保護(hù)層開裂調(diào)整系數(shù);[Ap]為每米管子長度上環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲面積，mm2;[σpc]為環(huán)向鋼筋最終有效預(yù)加應(yīng)力，N/mm2;[α]為控制開裂系數(shù)，取[α]=0.65;[ftk]為管芯混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2;[An]為每米管子長度上管芯混凝土、鋼筒、鋼筋折算面積，mm2;[B]為管子軸向計算長度，取[B]=1 000mm;[ra]為管子結(jié)構(gòu)計算內(nèi)半徑，mm。

二是抗裂外壓檢驗荷載（[Pc]）?？刹捎萌c法檢驗管子的外壓抗裂性能。在控制開裂標(biāo)準(zhǔn)組合條件下，抗裂外壓檢驗荷載（[Pc]）應(yīng)由式（4）求得。外壓試驗時，管體預(yù)應(yīng)力區(qū)保護(hù)層不得出現(xiàn)長度大于300mm，寬度大于0.25mm裂縫或剝落現(xiàn)象;細(xì)石混凝土保護(hù)層不得出現(xiàn)寬度大于0.2mm的裂縫或剝落現(xiàn)象;管內(nèi)壁不得出現(xiàn)縱向開裂。

[Pc=αt1.834×ωctc2（ApσpcAn+αftk）（D0+tc）]? ? ? ? ? ? ?（4）

式中，[Pc]為抗裂外壓檢驗荷載，kN/m;[D0]為管子內(nèi)徑，mm;[tc]為管芯厚度，包括鋼筒厚度，mm;[ωc]為管壁截面受拉邊緣彈性抵抗矩折算系數(shù)。

抗裂檢驗后，依據(jù)檢驗結(jié)果確定取值或調(diào)整配筋。當(dāng)設(shè)計的管身結(jié)構(gòu)和配筋不能滿足水壓檢驗時，一般應(yīng)該進(jìn)行配筋調(diào)整，以滿足檢驗條件。

三是纏繞預(yù)應(yīng)力鋼筋時，進(jìn)行管芯混凝土強度驗算。纏繞環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼筋時，管芯混凝土立方體抗壓強度不應(yīng)低于設(shè)計強度的70%，管芯混凝土中建立的初始壓應(yīng)力不應(yīng)超過管芯混凝土纏絲強度的55%。

纏繞環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼筋時，管芯混凝土允許強度[σh]為：

[σh=500×70%×55%=192.5kg/cm2]? ? ? ? ? （5）

纏繞環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼筋時，管芯截面上出現(xiàn)的壓應(yīng)力應(yīng)小于192.5kg/cm2，判定管芯混凝土安全。

1.5.5 承受外荷載計算。一是管道上土荷載計算。依據(jù)《鋼筒形條繞的混凝土壓力管》（ANSI/AWWA C303—2008），按式（6）和式（7）計算。當(dāng)管道鋪設(shè)在溝槽中時，管道上方的回填土柱將向下沉降，回填土柱沉降時，將沿溝槽兩側(cè)產(chǎn)生摩擦力，與沉降方向相反向上作用，管道上的填土荷載等于回填材料體的重量減去摩擦總荷載，用該標(biāo)準(zhǔn)的公式可以表示為：

[Wd=CdwBd2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中，[Wd]為溝槽回填荷載;[Cd]為溝槽荷載系數(shù);[w]為回填材料的容重;[Bd]為管道頂部溝槽寬度。

[Cd]進(jìn)一步定義為：

[Cd=1-e-2（H/Bd）Ku′2Ku′]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中，[K]為主動側(cè)向單位壓力與豎直單位壓力的比;[u′]為回填材料與溝槽側(cè)邊的摩擦系數(shù);[H]為管頂以上填土厚度;[Bd]為管道頂部溝槽寬度。

二是計算管道最低設(shè)計要求的允許荷載。依據(jù)《鋼筒形條繞的混凝土壓力管》（ANSI/AWWA C303—2008），按照式（8）進(jìn)行計算。

[W=D2（EI+0.061E′r3）/333Kr3]? ? ? ? ? ?（8）

式中，[W]為計算允許荷載;[D]為管徑;[EI]為管壁剛度;[E′]為土壤彈性均壓系數(shù);[t]為管壁厚度;[r]為平均管壁半徑，[r=0.5（D+t）];[K]為墊層常數(shù)。

結(jié)構(gòu)允許荷載[W]大于實際荷載[Wd]，則判定管道剛度滿足要求。

經(jīng)多種規(guī)格和工壓的反復(fù)設(shè)計、試驗檢測，按照《鋼筒形條繞的混凝土壓力管》（ANSI/AWWA C303—2008）設(shè)計的BCCP結(jié)構(gòu)在抗外壓方面能滿足要求，但抗內(nèi)壓多低于《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》（GB/T 19685—2017）的要求。因此，按照《鋼筒形條繞的混凝土壓力管》（ANSI/AWWA C303—2008）設(shè)計的配筋部分尚需按《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50332—2002）的有關(guān)規(guī)定或《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范（SL 702—2015）的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行復(fù)核，調(diào)整配筋，使BCCP結(jié)構(gòu)安全。最終結(jié)果應(yīng)滿足鋼筋面積、間距、直徑、混凝土強度和保護(hù)層裂縫寬度等結(jié)構(gòu)設(shè)計原則。

1.6 防腐設(shè)計

1.6.1 鋼制承插口防腐設(shè)計。鋼制承插口的防腐是管道安全運行的重要組成部分，運行檢查發(fā)現(xiàn)，PCCP的鋼制承插口在使用幾年后出現(xiàn)腐蝕的情況較為普遍，有些嚴(yán)重腐蝕，分析原因，主要是腐蝕材料不能滿足防腐要求。承插口多采用國產(chǎn)環(huán)氧類防腐涂層，質(zhì)量不穩(wěn)定，耐候性較差，夏季，其多在一至兩周內(nèi)就出現(xiàn)粉化。針對這種情況，對承、插口防腐進(jìn)行了專門試驗研究，筆者提出以下承插口防腐設(shè)計指標(biāo)。

防護(hù)部位應(yīng)進(jìn)行清潔除銹，手工除銹等級不低于St2，噴射除銹等級不低于Sa2，基底處理符合《建筑防腐蝕工程施工規(guī)范》（GB 50212—2014）的相關(guān)規(guī)定，干膜厚度為100～150μm。當(dāng)成品管道用于輸送飲用水時，所用防腐材料不得對管內(nèi)水質(zhì)產(chǎn)生任何不利影響，滿足食品級衛(wèi)生要求。

1.6.2 管口端面防腐設(shè)計。管口端面是指鋼承插口與管身混凝土結(jié)合處的管口部位，由于鋼與混凝土兩種材質(zhì)的收縮不同，管口端面會出現(xiàn)縫隙，外保護(hù)層不受預(yù)應(yīng)力約束，縫隙明顯，造成的結(jié)果是承插口根部腐蝕，應(yīng)采取防腐措施。管口端面防腐設(shè)計就是處理管口端面縫隙，防止管口根部腐蝕。

1.6.3 管身防腐設(shè)計。由于保護(hù)層加厚，并采用C50細(xì)石混凝土澆筑在螺紋鋼筋上，管子整體性很好，不會出現(xiàn)空鼓裂縫等造成腐蝕的缺陷，管口易腐蝕部位都采取了有效防腐措施，鋼筋處在有效堿性環(huán)境中，在一般腐蝕環(huán)境中使用，管身多采用環(huán)氧煤瀝青涂層防腐，厚度為200μm。如果沒有強腐蝕環(huán)境，一般不需要施加陰極保護(hù)。

2 BCCP生產(chǎn)制造

BCCP的制造工藝過程與PCCP很相近，只是需要增加外模進(jìn)行外保護(hù)層二次澆筑。因此，在不增加管子長度時，PCCP的生產(chǎn)設(shè)備均可用來生產(chǎn)BCCP。

但是，在制造BCCP的過程中，人們需要注意以下問題。

2.1 鋼筋纏繞

BCCP使用螺紋鋼筋，應(yīng)力等級低，直徑較粗，在6～12mm。由于螺紋的影響，纏筋時應(yīng)力波動較大，需要對纏絲機(jī)稍作調(diào)整，降低纏筋速度，將應(yīng)力波動控制在8%以內(nèi)，滿足纏筋要求。

2.2 模具問題

BCCP的外保護(hù)層需要外模二次澆筑，當(dāng)BCCP管徑≥1 200mm時，承口段需要擴(kuò)口300～500mm，以保證承口端面保護(hù)層厚度為50mm。同時，管芯混凝土立式澆筑，管壁較厚，需要對模具的底座、壓蓋、卷筒芯模和水壓機(jī)承插口進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)BCCP管徑≥1 600mm，管芯壁厚≥90mm時，需增加鋼絲網(wǎng)片。

2.3 蒸養(yǎng)問題

一是在10～30℃溫度下靜停1h（氣溫低時，通少量蒸汽）。二是升溫，以不大于22℃/h的升溫速度使環(huán)境溫度均勻上升，最終保持在42～52℃，每半小時測溫一次。三是恒溫，溫度保持在46～52℃，恒溫8h，每半小時測溫一次。四是降溫，摘罩降溫時間不少于2h，必須保證脫模溫差控制在20℃以內(nèi)。五是混凝土脫模強度不低于設(shè)計強度等級50%（25MPa）。六是管芯脫模后自然灑水養(yǎng)護(hù)至少3d，強度不低于設(shè)計強度等級的70%（35MPa），方可纏繞鋼筋。

3 BCCP轉(zhuǎn)化試驗

轉(zhuǎn)化試驗的目的是利用試制工藝的方法，將BCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計成果轉(zhuǎn)化為BCCP產(chǎn)品，并檢驗測試其性能是否達(dá)到設(shè)計要求。在轉(zhuǎn)化試制過程中，人們要依據(jù)檢測結(jié)果調(diào)整結(jié)構(gòu)及配筋，使其達(dá)到合格BCCP產(chǎn)品要求。

4 BCCP的創(chuàng)新點

本研究使用冷扎帶肋鋼筋或HRB400熱軋螺紋鋼筋，不使用高強鋼絲，鋼筋應(yīng)力等級低，與鋼筒共同受力，解決了鋼絲高應(yīng)力脆化問題，管道耐久性和安全性將大大提高。其間使用厚鋼筒，其抗?jié)B性能好，承壓能力高，縱向剛度增加，單管長度可加長。外壁澆筑C50PPF粗纖維細(xì)石混凝土，其具有密實、高強、抗拉和防腐等優(yōu)越性能。在較粗螺紋鋼筋上二次澆筑粗纖維細(xì)石混凝土保護(hù)層，粘接力大幅提高，有效解決保護(hù)層空鼓裂縫問題。接頭采用承插口柔性連接，雙膠圈密封，安裝、試壓方便，對基礎(chǔ)適應(yīng)性強，抗震能力強。承插口用美國高端漆防腐，承插口與混凝土結(jié)合處的收縮縫用彈性材料密封，保護(hù)承插口免遭腐蝕。管身采用環(huán)氧煤瀝青外防腐，沒有特殊要求，不需要采用陰極保護(hù)。BCCP可埋地使用，亦可露天使用。相比同類型混凝土壓力管道，有管徑加大、重量減輕的特點。

5 結(jié)論

大口徑壓力管道是輸水工程必不可少的施工材料，現(xiàn)行的壓力管道主要有混凝土壓力管道、球墨鑄鐵管和鋼管，混凝土壓力管道節(jié)能環(huán)保特性顯著，主要耗能指標(biāo)按用鋼量分析，新產(chǎn)品用鋼量只占球墨鑄鐵管的37%左右，占鋼管用鋼量的47%左右。使用新產(chǎn)品可大量減少污染物排放，降低能源消耗，綠色環(huán)保，節(jié)能效果顯著。

新產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)不僅可以為企業(yè)帶來新的利潤增長點，而且可以帶動混凝土壓力管道行業(yè)結(jié)構(gòu)升級，降低綜合成本，對地方經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整具有積極的意義，對促進(jìn)人員就業(yè)和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

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