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(xué)土木建筑工程學(xué)院 100044）

引言

城市污水主要通過(guò)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(lái)源廣，制作工藝較簡(jiǎn)單，故常用作市政工程排水系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，混凝土排水管道設(shè)計(jì)壽命在40年以上。但往往在使用10～20年左右就暴露出各類(lèi)問(wèn)題，主要是因?yàn)榇祟?lèi)排水管道采用脆性材料，在使用過(guò)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(hù)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(guò)對(duì)北京市區(qū)內(nèi)幾十條混凝土或鋼筋混凝土排水管道進(jìn)行調(diào)研，得出其主要存在接口損壞、管道開(kāi)裂、移位、腐蝕、破裂、塌陷等病害。其中，需要結(jié)構(gòu)性補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)的占總管節(jié)數(shù)的12%，在氣蝕較為嚴(yán)重如跌水井及管道排氣不暢通區(qū)域更為明顯，結(jié)構(gòu)承載能力下降可達(dá)20%以上。

排水管道位于城市主要交通道路下方，無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模開(kāi)挖修復(fù)?，F(xiàn)有管道修復(fù)主要以外觀修復(fù)為主，如表面噴涂、增設(shè)塑料內(nèi)襯等方式，此類(lèi)修復(fù)無(wú)法解決管道結(jié)構(gòu)性損傷的問(wèn)題。在國(guó)外城市排水管道修復(fù)中有一種較為科學(xué)合理的管道結(jié)構(gòu)性修復(fù)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(bǔ)強(qiáng)的地方增設(shè)剛性支架，通過(guò)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(gòu)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(yīng)用于對(duì)恢復(fù)承載力要求不高的小口徑管道，此類(lèi)技術(shù)在國(guó)外發(fā)展較為成熟。當(dāng)待加固管道口徑較大、對(duì)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)要求較高時(shí)，則需采用拼裝式支架，此技術(shù)目前鮮有應(yīng)用，本文將重點(diǎn)討論。

考慮到加設(shè)支架會(huì)減少管道的過(guò)水面積，結(jié)合排水管道的運(yùn)行環(huán)境，管道內(nèi)支架的材質(zhì)優(yōu)選強(qiáng)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(duì)結(jié)構(gòu)性修復(fù)用管道內(nèi)支架而言，其對(duì)管道結(jié)構(gòu)修復(fù)的能力取決于自身剛度，通過(guò)調(diào)整內(nèi)支架的剛度，可滿(mǎn)足全結(jié)構(gòu)修復(fù)（指修復(fù)部分承受全部外荷載而不依賴(lài)原管道）及部分結(jié)構(gòu)修復(fù)（原管道結(jié)構(gòu)仍承擔(dān)部分外荷載，與加固結(jié)構(gòu)共同工作）的需求。結(jié)構(gòu)性修復(fù)用管道內(nèi)支架主要用于如下情況：（1）原管道存在較嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性損傷，如混凝土坍塌、剝落、露筋銹蝕、結(jié)構(gòu)裂縫等；（2）原管道混凝土強(qiáng)度有明顯下降；（3）原管道所受外荷載超過(guò)原設(shè)計(jì)值；（4）管道外觀修復(fù)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)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(kāi)合管片C和結(jié)構(gòu)圓管片A、B組成，各組件采用鉸接連接。結(jié)構(gòu)圓管片弧度與待加固管道內(nèi)壁適配，當(dāng)滿(mǎn)足檢查井洞口出入時(shí)，可將A、B組件設(shè)計(jì)為整體。開(kāi)合管片C為鉸接的兩部分，每部分分別再與A、B鉸接。當(dāng)開(kāi)合管片C折疊時(shí)，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(dāng)開(kāi)合管片C開(kāi)啟時(shí)，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(jiàn)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(kāi)挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 210-2014）計(jì)算確定，每榀管道內(nèi)支架寬度滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)安裝條件即可，通過(guò)多榀聯(lián)合拼裝實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(guò)流斷面尺寸往往不是標(biāo)準(zhǔn)正圓。為使管道內(nèi)支架與待加固管道協(xié)同受力，應(yīng)盡量消除二者間的空隙。因此，開(kāi)合管片C的設(shè)計(jì)是拼裝式管道內(nèi)支架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其開(kāi)合公差決定支架是否能夠正確開(kāi)啟。開(kāi)合管片C的開(kāi)合公差應(yīng)控制在5mm～10mm時(shí)較為合適，考慮到開(kāi)啟效果及安裝便利，開(kāi)合管片的開(kāi)啟角度宜設(shè)定為30°以上。

從施工簡(jiǎn)便角度考慮，開(kāi)合管片設(shè)在頂部較為合理。當(dāng)待加固管道管徑較大時(shí)，可設(shè)多個(gè)開(kāi)合管片，多個(gè)開(kāi)合管片施工較為復(fù)雜且可靠性差，因此對(duì)稱(chēng)設(shè)置較為合理。

2.2 頂部加強(qiáng)梁

開(kāi)合管片C開(kāi)啟后，支架體系形成，同時(shí)由于開(kāi)合公差存在會(huì)對(duì)管道內(nèi)支架施加一定的徑向張力，從而對(duì)待加固管道結(jié)構(gòu)形成一定的外壓。由于開(kāi)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(shè)加強(qiáng)梁來(lái)保證結(jié)構(gòu)受力及安全，頂部加強(qiáng)梁示意如圖3a所示。加強(qiáng)梁的一側(cè)外緣與開(kāi)啟后的開(kāi)合管片弧度適配，在開(kāi)合管片C與結(jié)構(gòu)圓管片A、B鉸接處分別設(shè)置連接肋板，通過(guò)螺栓與加強(qiáng)梁連接固定，見(jiàn)圖3b。加強(qiáng)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(yīng)小于管道內(nèi)支架壁厚。

3 管道內(nèi)支架有限元計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

《混凝土和鋼筋混凝土排水管試驗(yàn)方法》（GB/T 16752-2006）規(guī)定，對(duì)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(biāo)控制其承載能力。由于本次設(shè)計(jì)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(yàn)建立模型，排水管道外壓荷載試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖4。

圖3 頂部加強(qiáng)梁示意Fig.3 Schematic of the reinforcing beam

圖4 外壓荷載試驗(yàn)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(jìn)行計(jì)算，計(jì)算參數(shù)如下：混凝土管道外徑660 mm，內(nèi)徑600mm，管長(zhǎng)1m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(guò)建立面與面接觸來(lái)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(jì)算模型采用剛性支承，通過(guò)4級(jí)加載最后達(dá)到破壞荷載的80%。計(jì)算分為2個(gè)工況，工況1為無(wú)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(jì)算模型見(jiàn)圖5。

圖5 有限元計(jì)算模型Fig.5 Finite element calculation model

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

混凝土管道各級(jí)加載對(duì)應(yīng)位移見(jiàn)圖6，從圖中可以看出，混凝土管道在外壓荷載作用下，無(wú)論是否增設(shè)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(cè)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(shì)。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(jì)算結(jié)果表明，安裝管道內(nèi)支架對(duì)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(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)參數(shù)及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)論，對(duì)實(shí)體管道進(jìn)行外壓荷載試驗(yàn)。試驗(yàn)分為安裝管道內(nèi)支架及無(wú)管道內(nèi)支架兩種工況，每工況試件數(shù)量2個(gè)，混凝土管道、管道內(nèi)支架參數(shù)與理論計(jì)算相同。

試驗(yàn)荷載分為4級(jí)，加載速度為每分鐘1.5kN/m，達(dá)到目標(biāo)荷載并保持1min，以此類(lèi)推，最終達(dá)到該型混凝土管道破壞荷載的80%。由理論計(jì)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(cè)管壁，測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖7。

圖7 測(cè)點(diǎn)布置Fig.7 Measuring point layout

4.2 荷載試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)加載達(dá)到試驗(yàn)最大值時(shí)，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(shì)，各級(jí)加載對(duì)應(yīng)混凝土管道變形見(jiàn)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(yàn)證明，該型管道內(nèi)支架對(duì)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(yàn)值Fig.8 Experimental value of the maximum displacement

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

理論計(jì)算與荷載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1、表2，從表中可以得出，無(wú)管道內(nèi)支架工況混凝土管道結(jié)構(gòu)變形呈線性且包絡(luò)于理論計(jì)算結(jié)果，理論計(jì)算與試驗(yàn)值偏差在15%以?xún)?nèi)。安裝管道支架后，理論計(jì)算與試驗(yàn)值偏差為負(fù)值，最大偏差為-11%，此結(jié)果說(shuō)明管道內(nèi)支架對(duì)混凝土管道承載力的實(shí)際增強(qiáng)作用相較理論計(jì)算有一定程度的降低。相較于理論計(jì)算結(jié)果，管道內(nèi)支架隨著荷載增加，其參與結(jié)構(gòu)受力越明顯，對(duì)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(shí)測(cè)值對(duì)比Tab.1 Comparison of theoretical and measured values of horizontal displacement

表2 豎向位移理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Tab.2 Comparison of theoretical and measured values of vertical displacement

5 結(jié)語(yǔ)

管道結(jié)構(gòu)性修復(fù)用內(nèi)支架可對(duì)混凝土或鋼筋混凝土管道的結(jié)構(gòu)性損傷進(jìn)行非開(kāi)挖修復(fù)，在損失少量過(guò)流面積的前提下，對(duì)原結(jié)構(gòu)承載力提升明顯。管道與內(nèi)支架形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)在荷載作用下，理論計(jì)算結(jié)果略?xún)?yōu)于試驗(yàn)結(jié)果，可為今后管道結(jié)構(gòu)的修復(fù)和補(bǔ)強(qiáng)提供參考。