一種基于CECS140：2011的預應力鋼筒混凝土頂管（JPCCP）結構設計方法

闕小平 徐惠娟 粟麗萍

四川國統混凝土制品有限公司 成都610509

引言

預應力鋼筒混凝土頂管（JPCCP）是近年來隨著國內混凝土壓力輸水管線建設需求而發展起來的一種適用于頂進施工的預應力混凝土復合管材。JPCCP的管體結構與PCCP 管類似，均是混凝土管芯中嵌置薄鋼筒的預應力管，主要區別在于JPCCP使用模具澆筑成型的鋼筋混凝土保護層代替PCCP采用輥射工藝成型的砂漿保護層，這一優化主要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要求。

目前，JPCCP在國內尚無專門的結構設計標準，僅個別省市頒布了有關JPCCP應用技術方面的地方標準［1］，國內現有的JPCCP結構設計方法多參照PCCP 或結合PCCP 和鋼筋混凝土管的設計方法進行，這些方法多存在一些不足之處［2-4］。本文結合JPCCP結構特點，提出一種基于《給水排水工程埋地預應力混凝土管和預應力鋼筒混凝土管管道結構設計規程》（CECS140：2011）［5］的JPCCP結構設計方法，希望對JPCCP管材的設計和應用有所幫助。

1JPCCP的結構特點

JPCCP的管體結構特點為：（1）管芯部分在不計內層鋼筋籠的情況下與PCCP 管芯相同（目前JPCCP 的設計大多不在管芯內壁配置鋼筋籠）：即由管芯內層混凝土、防滲鋼筒、管芯外層混凝土組成；（2）管芯外表面纏繞環向預應力鋼絲，建立管芯環向預壓應力，與PCCP 相同；（3）由一定厚度（一般60mm ～100mm）的帶鋼筋籠的混凝土層作為預應力鋼筋保護層，混凝土強度等級一般與管芯相同，保護層由立式振搗工藝成型，為管材提供了光滑的外表面，有利于減少頂進阻力；（4）管芯的受頂面由管芯外層混凝土和混凝土保護層共同組成，鋼筒和管芯內壁混凝土不直接受頂力作用。JPCCP的管體結構示意如圖1所示。

圖1 JPCCP 管體結構示意Fig.1 Structure of JPCCP

2 JPCCP結構設計的基本原則

2.1 采用CECS140：2011 作為基本設計方法

JPCCP與PCCP 采用相同的管芯、鋼筒和預應力鋼絲，且這些結構組成部分采用相同的生產工藝和技術指標，二者的主要區別是保護層材料與構造不同，管材施工方式不同。因此，在結構設計中基于PCCP的設計方法進行JPCCP 設計是合理的，但應針對JPCCP的特點進行修正。目前我國PCCP 的結構設計方法主要采用CECS140：

2011 標準，本文采用CECS140：2011 標準規定的方法作為基本設計方法，遵守該標準中在管體承載能力極限狀態計算（強度計算）時不考慮混凝土受拉性能的假定，管體在組合荷載下產生的拉力全部由鋼材承擔。

2.2 計入普通鋼筋的受力作用

在JPCCP結構管芯內壁和保護層混凝土內適當配置普通鋼筋的優勢在于：

（1）有利于改善JPCCP的結構安全性

在JPCCP管體中配置一定數量的普通受力鋼筋，使管體在受荷時形成了預應力鋼筋和普通鋼筋共同受力的狀態；在受拉截面，拉應力由預應力鋼筋和普通鋼筋共同承擔。由于普通鋼筋韌性好，強屈比高（以HRB400 鋼筋為例，其強屈比不低于1.35；預應力冷拉鋼絲無屈服點，其抗拉強度與名義屈服強度之比為1.25），斷裂伸長率大，配置一定比例的普通受力鋼筋，可以使JPCCP的破壞狀態呈現一定的延性破壞特點，而非突如其來的脆性破壞。另外，一定比例的普通鋼筋與預應力鋼筋共同受力，即使預應力鋼筋受損退出工作，結構尚可由普通鋼筋承擔荷載，短期維持這種“超負荷”承載的狀態可以為管線進行應急調整、維修和加固提供反應時間，使結構具有更大的安全冗余度。

（2）有利于避免“雙層纏絲”的設計結果

通過調整普通受力鋼筋的配筋比例，可以方便地按單層纏絲要求控制預應力鋼筋的配筋量，有效避免了大口徑、高工況管材因“雙層纏絲”的設計結果而面臨復雜的生產工藝以及因此帶來的成本提高等其他問題。

（3）有利于提高管芯內壁混凝土韌性和剛度

JPCCP在頂管施工完成后，為了提高管道接口鋼構件的耐腐蝕性，往往會進行接口間隙的注漿（見圖2 中“接頭注漿孔”及內外密封設計）。如注漿壓力過大，漿液可能會滲入管芯外壁與鋼筒之間的界面，對管芯內壁混凝土形成附加外壓作用。管芯內壁混凝土厚度較薄，如不配置普通鋼筋將是素混凝土，雖然管體混凝土中建立了預壓應力，但仍然可能在前述附加外壓作用下產生失穩破壞。因此，在管芯內壁混凝土中配置一定數量的普通鋼筋，有利于提高管芯內壁混凝土的韌性和剛度，增強其抵抗前述附加外壓作用的能力。

圖2 JPCCP 接口構造示意Fig.2 JPCCP interface structure hint

3JPCCP結構計算時需注意的問題

本節僅對采用CECS140：2011 標準進行JPCCP結構計算時需要調整和修正之處進行介紹，不列舉JPCCP的全部結構計算過程。

3.1 材料參數

1.保護層混凝土計算參數

JPCCP保護層混凝土一般采用與管芯混凝土相同的強度等級，在選擇材料計算參數時，應采用保護層混凝土的抗拉強度標準值（ftk）、彈性模量（Ec）等數據。此外，在保護層抗裂驗算中應代入保護層混凝土的應力應變參數，以便與管體實際材料一致。由于保護層的抗裂驗算是針對預應力鋼筋的，因此計算時保護層厚度仍取預應力鋼筋的凈保護層厚度。

2.普通鋼筋參數

對擬采用的普通鋼筋型號、直徑、布置位置進行設置，并在承載能力極限狀態設計時使用其抗拉強度設計值、抗拉強度標準值、彈性模量等參數。

3.2 管壁截面特征參數計算

在結構計算過程中，由于存在普通鋼筋和預應力鋼筋兩個需要求解的配筋參數，不便于直接求解，可采用試算法，根據管材工況和期望的設計效果預先假設預應力鋼筋和普通鋼筋的配筋量，再根據假設配筋量進行管壁截面特征參數的計算，計算方法見CECS140：2011 附錄D，計算中需在相關公式中加入普通鋼筋參數。

1.y0的計算

用公式（D.0.6-2）計算Sn時，原公式中應增加普通鋼筋的折算面積矩，即：

式中：nss為普通鋼筋與管體混凝土的彈性模量比；Ass1、Ass2分別為外層、內層普通鋼筋的配筋面積；tmso、tmsi分別為外層、內層普通鋼筋的保護層凈厚度；dso、dsi分別為外層、內層普通鋼筋的直徑。

用公式（D.0.6-3）計算An時，原公式中應增加普通鋼筋的折算面積，即：

2.I的計算

用公式（D.0.7）計算I時，應在原公式中將Im換為Ic2（保護層混凝土對y0的慣性矩，如保護層與管芯強度等級相同，可不用單算Ic2，在計算Ic時采用管芯混凝土和保護層混凝土的厚度之和進行計算）。另外，應增加普通鋼筋Ass1、Ass2對y0的慣性矩Iss，Iss可按以下公式計算：

式中：Isso、Issi分別為外層、內層普通鋼筋對y0的慣性矩。

3.Wco的計算

用公式（D.0.4）計算管壁截面對管壁外側截面受拉邊緣彈性抵抗矩時，由于保護層已改為混凝土，且I、y0計算均已包含普通鋼筋，因此公式（D.0.4）不變，只需將式中Wm以Wco代替即可。

經上述調整，按CECS140：2011 附錄D 計算的各個管壁截面特征參數均為包含普通鋼筋且采用實際保護層材料參數的數值，可在后續計算中直接引用。

3.3 預應力損失計算

據CECS140：2011 第4.2.8 條計算混凝土收縮徐變引起的預應力損失σs3時，在標準公式（4.2.8-3）和（4.2.8-4）中需計算最外層預應力鋼筋以內的管芯折算面積Acy和A′cy，由于JPCCP內層管芯混凝土中可配置普通鋼筋，因此Acy和A′cy中應增加內層普通鋼筋的折算面積，即：

3.4 土荷載計算

JPCCP采用頂進施工工藝，其管頂豎向土荷載應按頂管土荷載考慮，建議按《給水排水工程管道結構設計規范》（GB 50332—2002）［6］附錄B第B.0.3 條的相關規定計算；也可按《給水排水工程頂管技術規程》（CECS246：2008）［7］第6.2.2 條計算。

3.5 承載能力極限狀態下的配筋計算

JPCCP在承載能力極限狀態進行配筋計算時，采用CECS140：2011 第6.1.4 條公式（6.1.4）進行計算。該公式的計算截面是管側截面，只考慮鋼材受拉，忽略混凝土的抗拉強度，在計算JPCCP時需考慮普通鋼筋受拉時的貢獻，體現在公式中見式（7）所示。

式中：fs為普通鋼筋的抗拉強度設計值；其他符號見CECS140 標準及前述說明。

式（7）中，Ass1、Ass2根據管材總配筋量、普通鋼筋的配筋率、預應力鋼筋與普通鋼筋的承載比例等條件預先設置。

3.6 正常使用極限狀態驗算

JPCCP按照CECS140：2011 第6.2 節的規定進行正常使用極限狀態下的相關驗算。

1.標準組合下管頂、管底截面的配筋計算本組合的配筋計算按標準公式（6.2.2-1）～（6.2.2-3）執行，但在使用時應注意：（1）An應包含普通鋼筋折算面積；（2）ωc、Wp采用本文第

3.2 節方法計算的數值。

2.控制保護層開裂計算

JPCCP控制保護層開裂計算按標準第6.2.3節和第6.2.4 節相關公式計算，但需注意以下問題：

（1）由于保護層是混凝土而非砂漿，應將標準公式（6.2.3-1）和（6.2.4-1）中的參數εmt、Em換成保護層混凝土強度等級所對應的參數εct、Ec。

（3）保護層應變量設計參數αm和α′m仍分別按5.0 和4.0 取值。理由為：1）根據混凝土和砂漿的本構模型，混凝土從微裂到出現可見裂紋的應變倍率為11，大于砂漿的8，在混凝土保護層開裂控制條件中將αm和α′m分別取5.0 和4.0，比保護層為砂漿時保守；2）根據設計經驗，管材結構計算控制工況在絕大多數情況下并非保護層開裂驗算工況，在混凝土作保護層的情況下，αm和α′m的上述取值不會改變管材結構的控制工況；3）對于采用頂進施工且配置環向預應力鋼筋的JPCCP，頂管時管道外壁與土層間存在摩擦作用，為了提高混凝土保護層的安全性，保護層開裂控制可適當保守。

4 試驗驗證及分析

根據本文提出的JPCCP結構設計方法，進行實體管材的設計和承載能力驗證試驗，以驗證該設計方法的合理性。

4.1 試驗管材相關參數

試驗管材規格及主要設計參數見表1，配筋計算結果見表2。采用抗裂內壓試驗進行驗證，是考慮到內壓試驗時管體受力最均勻，且不受設備、安裝精度等外界條件影響，能最準確地反映結構承載能力。管材抗裂內壓試驗依據GB／T 15345—2017規定的方法進行，試驗現場示意見圖3。

表1 JPCCP試驗管材主要設計參數Tab.1 Main design parameters of JPCCP test pipe

表2 JPCCP試驗管材結構計算結果參數Tab.2 Parameter table of JPCCP test pipestructure calculation results

圖3 JPCCP DN2000 P0.6／H8 抗裂內壓試驗現場示意Fig.3 Field diagram of JPCCP DN2000 P0.6／H8 crack resistance internal pressure test

4.2 試驗結果及分析

當試驗壓力達到計算值1.64MPa 時，管體未見任何肉眼可見的裂縫；當試驗壓力達計算值的1.1 倍（1.80MPa）時，管體插口端開始出現可見縱向裂縫，裂縫數量7 條，沿管周基本呈均勻間距分布，裂縫寬度小于0.08mm，長度在150mm ～200mm之間；管體其他位置無任何可見裂縫。

根據試驗數據可知：

（1）試驗管材的實際開裂荷載大于計算荷載，滿足設計要求；

（2）JPCCP插口端是結構的邊界部位，也是預應力區邊緣位置，該處的應力條件不如管體中部均勻，試驗中管體裂縫從該處開始發展是合理的，這與PCCP抗裂內壓試驗時管體裂縫的發展規律是一致的；

（3）實際開裂荷載為計算荷載的1.1 倍，說明本設計方法的計算結果與管材實際性能表現是吻合的，且有合理的安全余量，符合工程結構的設計原則，證明采用本設計方法進行JPCCP的結構設計能夠得到準確、合理的設計結果。

5 結語

本文針對JPCCP的結構特點和工程應用環境提出了一種基于CECS140：2011 標準的JPCCP結構設計方法，執行標準中的基本設計原則和設計假設，同時針對JPCCP的結構特點調整保護層材料參數和相應公式內容，以確保計算結果符合JPCCP結構實際狀況。

該方法在JPCCP保護層和管芯內壁配置一定數量的受力普通鋼筋，可達到改善管材結構安全性能、避免大口徑高工壓管材在設計時出現雙層纏絲的工藝制造難題、提升管芯內壁混凝土抗失穩能力的效果。

最后對該方法設計管材的結構性能進行試驗驗證，試驗結果符合設計要求，證明了本設計方法能夠準確反映JPCCP的結構性能，并有合理的安全余量，符合工程結構設計原則。