預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土頂管（JPCCP）常用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)析

徐惠娟 闕小平

新疆國(guó)統(tǒng)管道股份有限公司 烏魯木齊831407

引言

PCCP是一種在我國(guó)市政、水利行業(yè)給排水工程中應(yīng)用較為廣泛的混凝土壓力管道。截止2019年，PCCP在我國(guó)的使用量已超過18000km，管徑最大達(dá)4m，管線最大工作壓力達(dá)2.0MPa。隨著埋地PCCP輸水管道的大量應(yīng)用，需要一種適合用于頂管施工的配套管材，在城市輸水管線頂進(jìn)施工中，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土頂管（JPCCP）在近年逐漸開始應(yīng)用于實(shí)際工程。JPCCP的管體基本結(jié)構(gòu)與PCCP相同，主要區(qū)別在于使用模具澆筑成型的混凝土保護(hù)層代替PCCP采用輥射工藝成型的砂漿保護(hù)層，這是為了滿足頂管工藝所需的管外壁光滑以利于減阻的技術(shù)要求。JPCCP的混凝土保護(hù)層厚度較厚（一般不小于80mm），其中配置了構(gòu)造抗裂鋼筋；保護(hù)層混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般與管芯相同，采用模具立式澆筑成型工藝，具有光滑平順的外壁。

JPCCP在國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)單獨(dú)的產(chǎn)品行業(yè)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，JPCCP應(yīng)用較多的個(gè)別省市已頒布了相關(guān)的地方標(biāo)準(zhǔn)。目前JPCCP產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法主要有以下幾種：1）直接使用PCCP設(shè)計(jì)方法［1］，將JPCCP混凝土保護(hù)層仍按抗壓強(qiáng)度為45MPa的砂漿考慮，設(shè)計(jì)厚度按預(yù)定值輸入，算出管體預(yù)應(yīng)力筋配筋量作為結(jié)構(gòu)配筋，在保護(hù)層中直接按構(gòu)造配置普通鋼筋；2）按PCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算預(yù)應(yīng)力配筋＋排水管標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)算保護(hù)層配筋，按PCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法計(jì)算預(yù)應(yīng)力筋配筋量，再按鋼筋混凝土管設(shè)計(jì)方法驗(yàn)算JPCCP保護(hù)層鋼筋在空管狀態(tài)的承載力，獲得保護(hù)層鋼筋配筋量［2，3］；3）采用數(shù)值模擬分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過實(shí)體試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果［4，5］。本文將結(jié)合JPCCP結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)3種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，希望對(duì)JPCCP管材的設(shè)計(jì)和應(yīng)用有所幫助。

1 JPCCP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

JPCCP的管體結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 JPCCP管體結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of JPCCP

由圖1可知，JPCCP的管體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1）管芯部分結(jié)構(gòu)在不計(jì)內(nèi)層鋼筋籠的情況下（有的JPCCP在設(shè)計(jì)中并未考慮在管芯內(nèi)層混凝土中配置鋼筋），與PCCP管芯相同；即由管芯內(nèi)層混凝土、防滲鋼筒、管芯外層混凝土組成；

（2）管芯外表面纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲，建立管芯混凝土環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力，與PCCP管芯相同；

（3）由帶鋼筋籠的混凝土層作為預(yù)應(yīng)力鋼筋保護(hù)層，混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般與管芯相同，保護(hù)層由立式振搗工藝成型，為管材提供了光滑的外表面，有利于減少頂進(jìn)阻力；為了便于工藝操作，該層厚度一般不小于80mm；

（4）管體的受頂面由管芯外層混凝土和混凝土保護(hù)層共同組成，鋼筒和管芯內(nèi)壁混凝土不受頂力作用。在此，不討論JPCCP的接口和其他構(gòu)造。

2 目前常用的JPCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)析

2.1 直接使用PCCP設(shè)計(jì)方法

該方法將JPCCP結(jié)構(gòu)完全等同于PCCP結(jié)構(gòu)，即不考慮管體中普通鋼筋（鋼筋籠）的結(jié)構(gòu)受力作用；并將混凝土保護(hù)層視為等同于PCCP砂漿保護(hù)層進(jìn)行計(jì)算；保護(hù)層鋼筋籠按構(gòu)造配筋。之所以如此考慮，主要有以下幾種原因：

（1）尚無(wú)規(guī)范對(duì)JPCCP的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則和方法做出明確規(guī)定，無(wú)“法”可依。由于JPCCP是由PCCP改良而來(lái)，結(jié)構(gòu)變化不大，自然按PCCP的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)；

（2）PCCP結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)者在保護(hù)層參數(shù)設(shè)置時(shí)往往分別將JPCCP實(shí)際保護(hù)層厚度和PCCP最小保護(hù)層厚度（凈厚度25mm）代入計(jì)算，根據(jù)所得的配筋取較大值。由于對(duì)計(jì)算結(jié)果的這種偏安全選擇，以及因?qū)嶋HJPCCP保護(hù)層為設(shè)置了鋼筋籠的混凝土，其開裂條件遠(yuǎn)優(yōu)于PCCP輥射砂漿保護(hù)層的設(shè)計(jì)假設(shè)，所以該方法的設(shè)計(jì)結(jié)果較為保守，這也是設(shè)計(jì)人員愿意采用PCCP標(biāo)準(zhǔn)和程序進(jìn)行JPCCP計(jì)算的主要原因。

但上述設(shè)計(jì)方法存在一些問題，主要有：

（1）設(shè)計(jì)假設(shè)與實(shí)際結(jié)構(gòu)不符，JPCCP保護(hù)層是混凝土而非砂漿，其彈性模量和開裂性能均不相同，取用砂漿的性能參數(shù)與實(shí)際不符，計(jì)算指標(biāo)與實(shí)際構(gòu)件性能表現(xiàn)將產(chǎn)生差異。

（2）計(jì)算結(jié)果過于保守，計(jì)算中如選用按PCCP最小保護(hù)層厚度計(jì)算所得的配筋（往往配筋量較大），雖看起來(lái)更加安全，但此厚度并非JPCCP實(shí)際保護(hù)層厚度，如此取值有違常理。如果僅為選擇一種更加安全的計(jì)算結(jié)果而“強(qiáng)行”增加結(jié)構(gòu)配筋，除了在邏輯上存在漏洞外，還增加了不必要的生產(chǎn)成本。

（3）不便于有效解決雙層纏絲的問題，當(dāng)較大口徑的JPCCP（如DN2800以上）遇到較高工況時(shí)（如工壓1.0MPa，覆土厚度10m以上），如按PCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算，可能會(huì)遇到雙層纏絲需求（圖2），這對(duì)于JPCCP來(lái)說存在一些困難：1）如采用立式澆筑工藝澆筑第1層鋼絲保護(hù)層，則意味著管材的生產(chǎn)將進(jìn)行3次混凝土成型，要滿足此項(xiàng)結(jié)構(gòu)和工藝要求，可能導(dǎo)致管壁總厚度不可避免會(huì)設(shè)計(jì)的過厚，生產(chǎn)工藝過于復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，且模具投入較大，成本過高；2）如按PCCP雙層纏絲時(shí)第1層鋼絲保護(hù)層的做法采用輥射工藝成型，則產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和材料組成與設(shè)計(jì)假定不符。

圖2 JPCCP雙層纏絲不同工藝結(jié)構(gòu)管體截面示意Fig.2 Cross section indication of JPCCP double layer winding process tube structure

2.2 按PCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算預(yù)應(yīng)力配筋＋排水管標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)算保護(hù)層配筋

該方法除了直接采用PCCP標(biāo)準(zhǔn)和程序計(jì)算外，還假設(shè)管體在“空管＋覆土”的工況下按鋼筋混凝土管（一般按CECS143標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算）設(shè)計(jì)方法進(jìn)行管側(cè)截面外壁（保護(hù)層）普通鋼筋配筋驗(yàn)算。該方法存在的問題除了2.1節(jié)所述之外，單獨(dú)以鋼筋混凝土管假設(shè)進(jìn)行保護(hù)層普通鋼筋配筋驗(yàn)算缺乏充分的理論依據(jù)。

（1）按PCCP標(biāo)準(zhǔn)和程序計(jì)算時(shí)，已按不同的內(nèi)壓和外荷載工況組合進(jìn)行了各種極限狀態(tài)下的計(jì)算，管材通過計(jì)算已滿足了結(jié)構(gòu)和材料的各項(xiàng)應(yīng)力應(yīng)變指標(biāo)，計(jì)算中雖將保護(hù)層假設(shè)為不配筋的砂漿，但已按此假設(shè)滿足了開裂控制指標(biāo)，無(wú)需另行驗(yàn)算。

（2）如按PCCP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，則應(yīng)按GB/T19685標(biāo)準(zhǔn)［6］規(guī)定計(jì)算管材抗裂內(nèi)、外壓荷載，無(wú)需另按鋼筋混凝土管外壓荷載驗(yàn)算保護(hù)層配筋。

（3）如將保護(hù)層配筋按抗裂構(gòu)造筋考慮，則僅需按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［7］的相關(guān)原則確定最小配筋率即可；如再按鋼筋混凝土管進(jìn)行保護(hù)層配筋驗(yàn)算，并無(wú)必要，且可能增加成本。

2.3 采用結(jié)構(gòu)分析軟件設(shè)計(jì)

少數(shù)設(shè)計(jì)人員采用了專業(yè)的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行JPCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，雖然數(shù)值分析方法可以依靠結(jié)構(gòu)分析專業(yè)軟件進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，但在管材設(shè)計(jì)幾乎均由管材生產(chǎn)企業(yè)負(fù)責(zé)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，該方法在應(yīng)用的普及性方面存在短板；且工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)分析軟件應(yīng)經(jīng)考核和驗(yàn)證，軟件分析所得結(jié)果應(yīng)經(jīng)校核和驗(yàn)證方可用于工程設(shè)計(jì)。從以上角度看，數(shù)值分析的設(shè)計(jì)方法在實(shí)際的JPCCP工程設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)存在局限性，更適合用于對(duì)各種設(shè)計(jì)結(jié)果的分析和驗(yàn)證。

2.4 幾種常用JPCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的算例對(duì)比

為了便于對(duì)比以上幾種JPCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的差異，本節(jié)采用同一JPCCP設(shè)計(jì)算例分別進(jìn)行說明。算例條件為：管徑DN3600mm，工作壓力0.6MPa，設(shè)計(jì)壓力0.9MPa，覆土深度10m（按頂管土荷載考慮），管基為120°土弧包角，管芯厚度280mm，保護(hù)層厚度80mm，混凝土強(qiáng)度（含保護(hù)層）C50，預(yù)應(yīng)力鋼絲采用φ7@1570mm，保護(hù)層鋼筋采用HRB400；其他條件統(tǒng)一按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定取值。

當(dāng)采用PCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配筋計(jì)算時(shí)，為了便于對(duì)比和驗(yàn)證，分別采用CECS140：2011標(biāo)準(zhǔn)和SL702—2015標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算；當(dāng)按鋼筋混凝土管進(jìn)行保護(hù)層配筋計(jì)算時(shí)，按CECS143：2002計(jì)算。各種方法的計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 DN3600JPCCP P0.6/H10算例計(jì)算結(jié)果匯總Tab.1 DN3600JPCCP P0.6/H10calculation results summary

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合JPCCP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)目前常用的幾種JPCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了介紹和分析，并列舉算例進(jìn)行對(duì)比，可以看出JPCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法還需要進(jìn)一步完善，特別是需重點(diǎn)解決設(shè)計(jì)假設(shè)的合理性、設(shè)計(jì)結(jié)果的安全性以及有效解決雙層纏絲管材的結(jié)構(gòu)、工藝、成本等問題。