淺淡頂進施工法用鋼筒混凝土管(JCCP)的設計

闕小平 陳明軒

(新疆國統(tǒng)管道股份有限公司 烏魯木齊831407)

引言

頂進施工法用鋼筒混凝土管(JCCP)的產(chǎn)品標準為《頂進施工法用鋼筒混凝土管》(JC/T2092-2011)[1],是一種在管體內(nèi)嵌置鋼筒的非預應力鋼筋混凝土管材。與預應力鋼筒混凝土管(PCCP)相同,JCCP 管體內(nèi)嵌置的鋼筒與鋼制承插口焊接,確保了管體良好的密封性。JCCP 比較適合用于市政、水利等行業(yè)的中低壓給排水管線(JC/T2092-2011 規(guī)定JCCP 工作壓力不宜超過1.0MPa)。由于JCCP接口尺寸與PCCP 一致,還可與同口徑的PCCP 管線混合使用,在穿越頂管段采用JCCP可以省去傳統(tǒng)穿越所需的套管,節(jié)省了工程建設費用。

目前,國內(nèi)尚無針對JCCP 的管體結構設計標準,在JC/T2092-2011 前言中提到: JCCP 的結構設計可以參照美國水工協(xié)會標準《Concrete Prestressed Pipe(混凝土壓力管)》(AWWA M9)[2]手冊。本文將介紹一種基于國內(nèi)標準的JCCP 結構設計方法,并結合JCCP 結構特點、計算算例和管材力學性能試驗對兩種方法進行分析,同時結合生產(chǎn)和應用經(jīng)驗提出針對JCCP 的幾項工藝、結構措施,希望對JCCP 的設計、生產(chǎn)和工程應用有些幫助。

1 JCCP的結構設計方法

1.1 JCCP的結構特點

(1)JCCP 是鋼筋混凝土結構,屬于剛性管,管體采用普通鋼筋作為受力鋼筋。其截面受力計算可按鋼筋混凝土構件進行,管頂(底)截面可按受彎(無內(nèi)壓)或拉彎(有內(nèi)壓)考慮;管側(cè)截面可按偏心受壓或偏心受拉(視內(nèi)壓產(chǎn)生的拉力大小而定)考慮。

(2)鋼筒是管體防滲構件,結構計算時鋼筒可作為環(huán)向受力鋼筋的一部分考慮。

(3)JCCP接口承受頂力面是鋼筒外側(cè)混凝土端面,鋼筒內(nèi)側(cè)混凝土不承受頂力。

(4)JCCP接口密封采用鋼制承插口接頭的雙(單)膠圈柔性密封,且接頭形狀和尺寸與PCCP一致。

JCCP的管體結構示意見圖1。

圖1 JCCP管體結構示意Fig.1 Schematic diagram of JCCP

1.2 JCCP的結構設計方法介紹

1.AWWA M9手冊計算方法簡介

野外數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理是高層建筑物沉降監(jiān)測的兩大重要階段，前者是對工程狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集，以便及時獲得客觀、準確的變形數(shù)據(jù)；后者是對所采集的數(shù)據(jù)進行整理、歸納和分析，以真正起到工程安全監(jiān)測和工程狀態(tài)說明或預測的作用，采取合理的預防處理措施，確保沉降量控制在允許范圍內(nèi)。

JCCP在AWWA M9 手冊中被稱作AWWA C300 型管,管材的結構設計方法在手冊第7 章中介紹。該方法是運用剛性管理論進行管子的結構設計,除了考慮內(nèi)外壓荷載組合外,還將內(nèi)壓作用時的配筋計算單獨列出,作為管子最小總配筋量。具體計算步驟詳見AWWA M9 手冊。

2.基于國內(nèi)標準的JCCP結構設計方法簡介

該方法計算依據(jù)主要是《給水排水工程管道結構設計規(guī)范》(GB50332-2002)[3]和《給水排水工程頂管技術規(guī)程》(CECS246: 2008)[4]。根據(jù)鋼筋混凝土管的設計方法,增加內(nèi)壓荷載組合進行計算。具體計算方法可參考 GB50332、CECS143[5]、GB50010[6]和CECS246 標準。

1.3 基于JCCP的結構特點對以上兩種設計方法的分析

1.JCCP屬于剛性管和鋼筋混凝土結構

(1)關于管頂豎向土荷載計算的分析

AWWA M9 手冊與國標GB50332- 2002、CECS246-2008 中對頂管豎向土荷載的計算公式均基于剛性管荷載理論得出,但由于具體參數(shù)的取值不同,導致計算結果差異較大。三個標準的頂管豎向土荷載計算值及結果對比見表1、表2。

表1 頂管豎向土荷載計算Tab.1 Vertical soil load

表2 頂管豎向土荷載計算結果對比Tab.2 Calculation results of vertical soil load

由表1、表2 可以看出:

1)AWWA M9 的荷載計算值為最小,GB50332居中,CECS246 最大。

2)造成計算結果差異的原因是: ①AWWA M9公式考慮了粘性土內(nèi)聚力對土荷載的有利作用,且管頂卸荷拱寬度取管外徑D1。②GB 50332 公式未考慮粘性土內(nèi)聚力對豎向土荷載的有利作用,且管頂卸荷拱寬度采用Bt(Bt=D1[1+tan ( 45°-φ/2)])。③CECS 246公式以GB 50332 公式為基礎(Bt取值相同),但考慮了粘性土內(nèi)聚力的有利作用,且Kaμ取值仍按AWWA M9 考慮;另外,公式假定在管頂覆土深度不超過管外徑時,不能形成卸荷拱,直接以管頂土重作為豎向荷載。

(2)關于管體鋼筋性能差異的分析

1)AWWA M9 規(guī)定: ①鋼筋屈服強度: 用于管頂和管底受力的鋼筋屈服強度設計值不應超過33000psi(228MPa);用于管側(cè)受力的鋼筋屈服強度設計值不應超過40000psi(276MPa)。②鋼筋允許應力: 管子內(nèi)壓配筋計算時相應于工作壓力(Pw)的允許應力fs=max(12500,16500-75Pw)(單位為psi,換算成MPa 為fs=max(86,113-75Pw));相應于工作壓力(Pw) +水錘壓力(Ps)的允許應力fst=16500psi(約113MPa)。在荷載組合計算時,管側(cè)鋼筋允許應力為22000psi(152MPa);管頂和管底鋼筋允許應力為18150psi(125MPa)。

2)國內(nèi)鋼筋混凝土管用鋼材情況: 國內(nèi)混凝土管用鋼材一般采用CRB550 或HRB400 鋼材,屈服強度分別為500MPa、400MPa。

3)鋼筋性能差異導致的問題是: 采用國內(nèi)混凝土管用鋼材,按AWWA M9 的方法計算,將導致材料強度值的嚴重富余,如按其規(guī)定采用低強度鋼材,既不符合國內(nèi)的實際情況,又明顯浪費材料。

4)設計建議: 宜采用國內(nèi)混凝土管用鋼材,按基于國內(nèi)標準的方法進行JCCP 的結構設計。既符合國內(nèi)工程應用實際情況,又節(jié)約材料。

2.將鋼筒視作環(huán)向受力鋼筋的一部分時應注意的問題

(1)管體截面受力計算時,內(nèi)層鋼筋的as值(鋼筋合力點到截面近邊的距離)應取鋼筋和鋼筒的合力點(二者面積組合的形心)距截面近邊的距離。如錯取鋼筋形心至截面近邊的距離,將導致計算配筋量偏小,不安全。

(2)鋼筋和鋼筒的設計強度取值應取各自的設計值,鋼筒的計算面積可按等強度代換的原則換算為與鋼筋強度相等時對應的面積進行計算。依據(jù)為GB 50010-2010 4.2.8 條。

3.JCCP 最大頂力計算時應注意的問題

由于JCCP 鋼筒的存在,其管體被分為內(nèi)、外兩層混凝土,相互之間不能擴散縱向應力,因此在計算JCCP 最大頂力和最長頂進距離時,其受頂面積應只考慮鋼筒外側(cè)管體厚度。

1.4 兩種設計方法的JCCP 結構設計結果對比

基于以上分析,本節(jié)采用1.2 節(jié)兩種方法進行JCCP 算例計算,并進行結構性能試驗,以驗證設計。

1.算例參數(shù)和配筋計算結果

鋼筋參數(shù): 按國標計算時鋼筋采用CRB550級;按AWWA M9 計算時鋼筋允許應力和屈服強度按其規(guī)定取值。管徑: DN1600、DN2400、DN3200。管體壁厚: 1/10 管徑。工壓: 0.3MPa。覆土深度: 3m、6m、9m。土壤類型: 非粘性土,容重18kN/m3,土弧管基120°,無地下水。混凝土強度等級: C50。鋼筒參數(shù): Q235,厚度1.5mm。鋼筋直徑: 10mm。凈保護層厚度:20mm。配筋結果匯總見表3。

表3 頂管算例結構配筋計算結果Tab.3 Results of structural reinforcement calculation for pipe jacking examples

2.管材力學性能試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)算例設計結果選取部分管材進行結構性能試驗,試驗分極限內(nèi)壓試驗和三點外壓抗裂荷載試驗,實測數(shù)據(jù)見表4。

表4 JCCP結構性能試驗數(shù)據(jù)Tab.4 JCCP structural performance test data

3.對算例計算結果和試驗數(shù)據(jù)的分析

(1)由表3 所列數(shù)據(jù)可知: 從計算理論上講,AWWA M9 方法和國內(nèi)標準方法均是以剛性管理論計算豎向土荷載,采用鋼筋混凝土受彎、偏壓(偏拉)構件截面計算方法進行管體截面配筋設計;雖然在土荷載計算參數(shù)和荷載設計效應系數(shù)等方面存在不同,但二者計算結果在總體上的可靠度處于同一水平。因此從配筋結果上看二者主要因為采用的鋼筋性能參數(shù)不同而造成配筋量的明顯差異,但管體力學性能計算指標基本一致。

(2)由表4 可知: 1)在極限內(nèi)壓試驗中,試驗管材全部達到設計壓力,雖管身裂縫已達到或超過允許裂縫寬度,但沒有出現(xiàn)爆裂和滲漏情況,說明管體鋼材強度和延性均有足夠的安全余量,確保管體不會出現(xiàn)脆性破壞;2)在三點外壓荷載試驗中,試驗管材全部達到設計荷載值,管體裂縫寬度小于允許值(0.2mm),說明管材結構設計合理,生產(chǎn)工藝質(zhì)量控制能夠符合設計要求的水平。

試驗結果還顯示: 使用CRB550 鋼筋,采用國內(nèi)標準方法設計的管材安全可靠度與AWWA M9 方法一致,且能顯著節(jié)省鋼材。

2 JCCP結構構造措施

由JCCP 結構可知,管體環(huán)向鋼筋分內(nèi)、外兩層,其中內(nèi)層環(huán)筋包含鋼筒和鋼筋兩部分,見圖2a 所示。由于鋼筒將管體混凝土分為內(nèi)外兩層,在承受豎向荷載時,承插口端混凝土容易產(chǎn)生內(nèi)力重分布,在外側(cè)管芯混凝土靠近鋼筒的附近區(qū)域形成受拉區(qū)(此時為素混凝土受拉),嚴重時會導至混凝土開裂。這種情況在大口徑管材中更易發(fā)生,如圖3 所示。

圖2 JCCP構造鋼筋布置示意Fig.2 Schematic diagram of JCCP structural reinforcement

圖3 JCCP未設構造鋼筋的管體開裂情況Fig.3 Cracking of the JCCP without structural reinforcement

為了避免此種現(xiàn)象的發(fā)生,可在承插口兩端混凝土易產(chǎn)生內(nèi)力重分布處按圖2b 的方式設置環(huán)向構造鋼筋,使該處混凝土受拉區(qū)有足夠的受力鋼筋,從而避免裂縫出現(xiàn)。

3 結語

本文針對JCCP 的結構特點,進行了基于AWWA M9 和國內(nèi)標準的兩種結構設計方法介紹及對比分析,并進行了算例計算結果和管材力學性能試驗對比分析。經(jīng)分析,筆者認為采用國標方法設計時,管材的計算理論合理,結構計算結果的安全可靠度不低于AWWA M9 方法,管體鋼筋類型的應用符合國內(nèi)行業(yè)慣例,更加合理且節(jié)省鋼材。另外,本文結合生產(chǎn)試驗和工程實踐,對管體構造配筋提出了相應的措施,能夠解決管材生產(chǎn)和應用中存在的隱患。希望本文對JCCP管材的推廣和應用有一定幫助。