浅淡顶进施工法用钢筒混凝土管(JCCP)的设计

阙小平 陈明轩

(新疆国统管道股份有限公司 乌鲁木齐831407)

引言

顶进施工法用钢筒混凝土管(JCCP)的产品标准为《顶进施工法用钢筒混凝土管》(JC/T2092-2011)[1],是一种在管体内嵌置钢筒的非预应力钢筋混凝土管材。与预应力钢筒混凝土管(PCCP)相同,JCCP 管体内嵌置的钢筒与钢制承插口焊接,确保了管体良好的密封性。JCCP 比较适合用于市政、水利等行业的中低压给排水管线(JC/T2092-2011 规定JCCP 工作压力不宜超过1.0MPa)。由于JCCP接口尺寸与PCCP 一致,还可与同口径的PCCP 管线混合使用,在穿越顶管段采用JCCP可以省去传统穿越所需的套管,节省了工程建设费用。

目前,国内尚无针对JCCP 的管体结构设计标准,在JC/T2092-2011 前言中提到: JCCP 的结构设计可以参照美国水工协会标准《Concrete Prestressed Pipe(混凝土压力管)》(AWWA M9)[2]手册。本文将介绍一种基于国内标准的JCCP 结构设计方法,并结合JCCP 结构特点、计算算例和管材力学性能试验对两种方法进行分析,同时结合生产和应用经验提出针对JCCP 的几项工艺、结构措施,希望对JCCP 的设计、生产和工程应用有些帮助。

1 JCCP的结构设计方法

1.1 JCCP的结构特点

(1)JCCP 是钢筋混凝土结构,属于刚性管,管体采用普通钢筋作为受力钢筋。其截面受力计算可按钢筋混凝土构件进行,管顶(底)截面可按受弯(无内压)或拉弯(有内压)考虑;管侧截面可按偏心受压或偏心受拉(视内压产生的拉力大小而定)考虑。

(2)钢筒是管体防渗构件,结构计算时钢筒可作为环向受力钢筋的一部分考虑。

(3)JCCP接口承受顶力面是钢筒外侧混凝土端面,钢筒内侧混凝土不承受顶力。

(4)JCCP接口密封采用钢制承插口接头的双(单)胶圈柔性密封,且接头形状和尺寸与PCCP一致。

JCCP的管体结构示意见图1。

图1 JCCP管体结构示意Fig.1 Schematic diagram of JCCP

1.2 JCCP的结构设计方法介绍

1.AWWA M9手册计算方法简介

野外数据采集、内业数据处理是高层建筑物沉降监测的两大重要阶段，前者是对工程状态进行数据采集，以便及时获得客观、准确的变形数据；后者是对所采集的数据进行整理、归纳和分析，以真正起到工程安全监测和工程状态说明或预测的作用，采取合理的预防处理措施，确保沉降量控制在允许范围内。

JCCP在AWWA M9 手册中被称作AWWA C300 型管,管材的结构设计方法在手册第7 章中介绍。该方法是运用刚性管理论进行管子的结构设计,除了考虑内外压荷载组合外,还将内压作用时的配筋计算单独列出,作为管子最小总配筋量。具体计算步骤详见AWWA M9 手册。

2.基于国内标准的JCCP结构设计方法简介

该方法计算依据主要是《给水排水工程管道结构设计规范》(GB50332-2002)[3]和《给水排水工程顶管技术规程》(CECS246: 2008)[4]。根据钢筋混凝土管的设计方法,增加内压荷载组合进行计算。具体计算方法可参考 GB50332、CECS143[5]、GB50010[6]和CECS246 标准。

1.3 基于JCCP的结构特点对以上两种设计方法的分析

1.JCCP属于刚性管和钢筋混凝土结构

(1)关于管顶竖向土荷载计算的分析

AWWA M9 手册与国标GB50332- 2002、CECS246-2008 中对顶管竖向土荷载的计算公式均基于刚性管荷载理论得出,但由于具体参数的取值不同,导致计算结果差异较大。三个标准的顶管竖向土荷载计算值及结果对比见表1、表2。

表1 顶管竖向土荷载计算Tab.1 Vertical soil load

表2 顶管竖向土荷载计算结果对比Tab.2 Calculation results of vertical soil load

由表1、表2 可以看出:

1)AWWA M9 的荷载计算值为最小,GB50332居中,CECS246 最大。

2)造成计算结果差异的原因是: ①AWWA M9公式考虑了粘性土内聚力对土荷载的有利作用,且管顶卸荷拱宽度取管外径D1。②GB 50332 公式未考虑粘性土内聚力对竖向土荷载的有利作用,且管顶卸荷拱宽度采用Bt(Bt=D1[1+tan ( 45°-φ/2)])。③CECS 246公式以GB 50332 公式为基础(Bt取值相同),但考虑了粘性土内聚力的有利作用,且Kaμ取值仍按AWWA M9 考虑;另外,公式假定在管顶覆土深度不超过管外径时,不能形成卸荷拱,直接以管顶土重作为竖向荷载。

(2)关于管体钢筋性能差异的分析

1)AWWA M9 规定: ①钢筋屈服强度: 用于管顶和管底受力的钢筋屈服强度设计值不应超过33000psi(228MPa);用于管侧受力的钢筋屈服强度设计值不应超过40000psi(276MPa)。②钢筋允许应力: 管子内压配筋计算时相应于工作压力(Pw)的允许应力fs=max(12500,16500-75Pw)(单位为psi,换算成MPa 为fs=max(86,113-75Pw));相应于工作压力(Pw) +水锤压力(Ps)的允许应力fst=16500psi(约113MPa)。在荷载组合计算时,管侧钢筋允许应力为22000psi(152MPa);管顶和管底钢筋允许应力为18150psi(125MPa)。

2)国内钢筋混凝土管用钢材情况: 国内混凝土管用钢材一般采用CRB550 或HRB400 钢材,屈服强度分别为500MPa、400MPa。

3)钢筋性能差异导致的问题是: 采用国内混凝土管用钢材,按AWWA M9 的方法计算,将导致材料强度值的严重富余,如按其规定采用低强度钢材,既不符合国内的实际情况,又明显浪费材料。

4)设计建议: 宜采用国内混凝土管用钢材,按基于国内标准的方法进行JCCP 的结构设计。既符合国内工程应用实际情况,又节约材料。

2.将钢筒视作环向受力钢筋的一部分时应注意的问题

(1)管体截面受力计算时,内层钢筋的as值(钢筋合力点到截面近边的距离)应取钢筋和钢筒的合力点(二者面积组合的形心)距截面近边的距离。如错取钢筋形心至截面近边的距离,将导致计算配筋量偏小,不安全。

(2)钢筋和钢筒的设计强度取值应取各自的设计值,钢筒的计算面积可按等强度代换的原则换算为与钢筋强度相等时对应的面积进行计算。依据为GB 50010-2010 4.2.8 条。

3.JCCP 最大顶力计算时应注意的问题

由于JCCP 钢筒的存在,其管体被分为内、外两层混凝土,相互之间不能扩散纵向应力,因此在计算JCCP 最大顶力和最长顶进距离时,其受顶面积应只考虑钢筒外侧管体厚度。

1.4 两种设计方法的JCCP 结构设计结果对比

基于以上分析,本节采用1.2 节两种方法进行JCCP 算例计算,并进行结构性能试验,以验证设计。

1.算例参数和配筋计算结果

钢筋参数: 按国标计算时钢筋采用CRB550级;按AWWA M9 计算时钢筋允许应力和屈服强度按其规定取值。管径: DN1600、DN2400、DN3200。管体壁厚: 1/10 管径。工压: 0.3MPa。覆土深度: 3m、6m、9m。土壤类型: 非粘性土,容重18kN/m3,土弧管基120°,无地下水。混凝土强度等级: C50。钢筒参数: Q235,厚度1.5mm。钢筋直径: 10mm。净保护层厚度:20mm。配筋结果汇总见表3。

表3 顶管算例结构配筋计算结果Tab.3 Results of structural reinforcement calculation for pipe jacking examples

2.管材力学性能试验数据

根据算例设计结果选取部分管材进行结构性能试验,试验分极限内压试验和三点外压抗裂荷载试验,实测数据见表4。

表4 JCCP结构性能试验数据Tab.4 JCCP structural performance test data

3.对算例计算结果和试验数据的分析

(1)由表3 所列数据可知: 从计算理论上讲,AWWA M9 方法和国内标准方法均是以刚性管理论计算竖向土荷载,采用钢筋混凝土受弯、偏压(偏拉)构件截面计算方法进行管体截面配筋设计;虽然在土荷载计算参数和荷载设计效应系数等方面存在不同,但二者计算结果在总体上的可靠度处于同一水平。因此从配筋结果上看二者主要因为采用的钢筋性能参数不同而造成配筋量的明显差异,但管体力学性能计算指标基本一致。

(2)由表4 可知: 1)在极限内压试验中,试验管材全部达到设计压力,虽管身裂缝已达到或超过允许裂缝宽度,但没有出现爆裂和渗漏情况,说明管体钢材强度和延性均有足够的安全余量,确保管体不会出现脆性破坏;2)在三点外压荷载试验中,试验管材全部达到设计荷载值,管体裂缝宽度小于允许值(0.2mm),说明管材结构设计合理,生产工艺质量控制能够符合设计要求的水平。

试验结果还显示: 使用CRB550 钢筋,采用国内标准方法设计的管材安全可靠度与AWWA M9 方法一致,且能显著节省钢材。

2 JCCP结构构造措施

由JCCP 结构可知,管体环向钢筋分内、外两层,其中内层环筋包含钢筒和钢筋两部分,见图2a 所示。由于钢筒将管体混凝土分为内外两层,在承受竖向荷载时,承插口端混凝土容易产生内力重分布,在外侧管芯混凝土靠近钢筒的附近区域形成受拉区(此时为素混凝土受拉),严重时会导至混凝土开裂。这种情况在大口径管材中更易发生,如图3 所示。

图2 JCCP构造钢筋布置示意Fig.2 Schematic diagram of JCCP structural reinforcement

图3 JCCP未设构造钢筋的管体开裂情况Fig.3 Cracking of the JCCP without structural reinforcement

为了避免此种现象的发生,可在承插口两端混凝土易产生内力重分布处按图2b 的方式设置环向构造钢筋,使该处混凝土受拉区有足够的受力钢筋,从而避免裂缝出现。

3 结语

本文针对JCCP 的结构特点,进行了基于AWWA M9 和国内标准的两种结构设计方法介绍及对比分析,并进行了算例计算结果和管材力学性能试验对比分析。经分析,笔者认为采用国标方法设计时,管材的计算理论合理,结构计算结果的安全可靠度不低于AWWA M9 方法,管体钢筋类型的应用符合国内行业惯例,更加合理且节省钢材。另外,本文结合生产试验和工程实践,对管体构造配筋提出了相应的措施,能够解决管材生产和应用中存在的隐患。希望本文对JCCP管材的推广和应用有一定帮助。