趙曉露 孫其臣 張海濤

預應力鋼筒混凝土管是在帶有鋼筒且內壁光滑的混凝土管芯外表面，以一定的拉應力環(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合形成滑動柔性接頭。其英文名稱為Prestressed Concrete Cylinder Pipe， 簡 稱 PCCP。PCCP 按制作工藝可分為兩種型式，即內襯式預應力鋼筒混凝土管（PCCPL）和埋置式預應力鋼筒混凝土（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、使用壽命長的特點。

1 PCCP 國內外標準發(fā)展歷程

PCCP 發(fā)展至今已經有80 多年歷史，國外的結構設計方法已經十分成熟，尤其是美國在該領域的研究成果最為顯著。目前美國標準ANSI/AWWA C301 和 ANSI/AWWA C304 普遍使用于各種 PCCP 工程中，標準均于2014 年修訂。我國從20 世紀80 年代末引進相關標準和生產設備，大部分工程PCCP生產和設計采用美國的標準。但美國的PCCP 標準并不符合我們的國情，造成了國內PCCP 管道質量檢驗標準不統(tǒng)一，對設計理念理解不一致等多種問題，導致管道生產質量參差不齊，造成工程隱患。在2002 年，中國建設標準化協(xié)會頒布了協(xié)會標準CECS 140:2002《給水排水工程埋地管芯纏絲預應力混凝土管和預應力鋼筒混凝土管管道結構設計規(guī)程》，對PCCP 的結構設計作了規(guī)定，該標準于2011 年修訂。在2005 年國家頒布了國家標準GB/T 19685—2015《預應力鋼筒混凝土管》，該標準于2017 年修訂。之后，水利部頒布行業(yè)標準SL 702—2015《預應力鋼筒混凝土管道技術規(guī)范》。

本文就上述3 種現(xiàn)行規(guī)范ANSI/AWWA C304、CECS 140、SL702進行結構計算，對結果作對比分析。

2 計算條件

2.1 管道結構參數(shù)

管道類型PCCPE：（1）管材內徑Di根據(jù)設計需要取值；（2） 鋼筒外徑Dy按照 GB/T 19685—2015《預應力鋼筒混凝土管》取值；（3）管芯厚度（包括薄鋼筒厚度）hc按照GB/T 19685—2015 預應力鋼筒混凝土管取值，并做適當調整；（4）薄鋼筒厚度dy=1.5 mm；（5）鋼絲直徑ds=7 mm，本次計算只考慮單層纏繞；（6）凈保護層厚度（不包括鋼絲直徑）為20 mm。

2.2 材料參數(shù)

（1）管芯混凝土設計強度等級按照C60；（2）保護層砂漿抗壓強度標準值fm，k=45 MPa；（3）鋼筒抗拉伸屈服強度設計值fyy=227.5 MPa；（4）鋼筒抗拉強度設計值f*yy=310 MPa；（5）預應力鋼絲強度抗拉標準值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)計算取值，溝槽管，管基包角90°，土弧基礎；（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 計算；（4） 管材內壓值：工作壓力Pw；（5） 無地下水；（6）活荷載：活荷載按公路Ⅰ級考慮。活荷載與附加荷載不需同時計入，取其中較大者。

2.4 其他條件

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

3 計算結果及分析

3.1 計算結果

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

表1 不同管徑和覆土厚度時鋼絲截面積計算值

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

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

3.2 計算結果分析

通過以上計算結果分析得出以下幾點結論：

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

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

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

表2 不同覆土厚度和工作內壓時鋼絲截面積計算值

（4） PCCP 在相同直徑時，覆土厚度越大，CECS140 計算As值比 C304 計算As值差值越大；工作內壓越大，CECS140 計算As值比 C304 計算As值差值越大。

4 結 語

隨著PCCP 在引調水工程廣泛使用，選擇合適的計算方法既能保證管道的結構安全性，又能節(jié)省管道投資費用。通過計算分析，建議PCCP 覆土厚度超過6 m，或工作內壓超過1.0 MPa 時，不建議使用CECS140 計算，其計算結果偏大，安全余度較大，造價過高。SL702 和AWWA C304 的計算結果相近，并有適當?shù)陌踩喽?，其計算結果既能保證一定的安全性又符合設計要求。