結(jié)構(gòu)設計論文： PCCP管道結(jié)構(gòu)設計 1、工程概況 　　 　　大伙房水庫輸水應急入連工程是由大伙房水庫向大連市輸水的一項大型輸水工程,輸水管線由大伙房水庫輸水(二期)工程之鞍山加壓泵站引出,年輸水量為3108m3。 　　本工程由兩部分組成:碧流河水庫北段工程和碧流河水庫南段工程。 　　碧流河水庫北段工程輸水線路全長163.26km,其中; 　　鞍山加壓泵站。隧洞前輸水管線長121.37kin,管線管材主要采用預應力鋼套筒混凝土管(以下簡稱PCCP),管線穿越高速公路、省國道、鐵路、大中型河流等采用鋼管,管徑為DN2800。 　　輸水隧洞長14.12km,為城門洞型斷面,隧洞斷面尺寸(BH)為3.2m3.48m, 　　隧洞后輸水管線末端輸水管線長27.77km,管線管材主要采用預應力鋼套筒混凝土管(以下簡稱PCCP),管線穿越省國道、大中型河流等采用鋼管,管徑為DN2400。 　　對該工程采用的PCCP管材設計應用了美國供水工程協(xié)會ANSI/AWWA C304-99標準配套的設計程序“VDP”進行了結(jié)構(gòu)設計計算。 　　 　　2、設計方法簡介 　　 　　根據(jù)AWWA C304-99標準,采用極限狀態(tài)設計方法對PCCP管進行設計,既考慮管材的預應力狀況,也考慮外載(we。wt,Ws)、管重(Wp)和水重(Wf)及工作壓力(Pw)瞬時壓力(Pt)檢驗壓力(Pft)的綜合影響,保證管材的使用可靠性,從彈性和強度極限上提供足夠的安全儲備設計。計算程序采用AWWA C304-99配套設計軟件UDP和本院自編軟件CDP,規(guī)范要求的最小鋼絲面積作為鋼絲初始面積核對管體各項極限狀態(tài)的指標要求,如果不能通過驗算條件鋼絲面積自動累加,直到滿足要求。 　　需要說明的是根據(jù)AWWA C304的默認要求,預應力鋼絲張拉控制應力固定為鋼絲抗拉強度的75%,并且: 　　當預應力鋼絲只有一層時鋼絲的應力松馳系數(shù)如下: 　　R=0.111-3.5(As/Ac) 　　(AWWA C304式6-30) 　　多層纏絲鋼絲應力松馳系數(shù)如下: 　　內(nèi)部第一層纏絲: 　　其他層纏絲: 　　由于本工程要求fsg=0.7fsu,AWWAc304沒有給出當fsg=0.7fsu時鋼絲應力松馳系數(shù)的算法,根據(jù)中國標準GBS0010《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》第6.2.1條規(guī)定: 　　當ocon≤O.7fptk時鋼絲應力松馳值: 　　σL4=0.125(σcoll+fptk-0.5)σcol3(式中口conll口為fsg、fptk即為fsu) 　　當O.7fptk<σcon≦0.8fptk時鋼絲應力松馳值: 　　σ14=0.2﹙σconfptk-0.575)σCon 　　當σCOil=0.7fptk時鋼絲應力松馳值σ14=2.5%σcon,當口con=0.75fptk寸鋼絲應力松馳值σ14=3.5%σcon,由此可見,當fsg=0.7fsu時鋼絲應力松馳值應比當fsg=0,75fsu的鋼絲應力松馳值小,按fsg=0.7sfs計算更為保守,因此本報告不再尋求fsg=0.7fsu時鋼絲應力松馳系數(shù)的算法,其差值作為合理安全儲備。 　　 　　3、設計條件選取 　　 　　以下各參數(shù)為設計中易為忽視的部分。 　　3.1管道內(nèi)壓 　　現(xiàn)場試驗內(nèi)壓為工作壓力+O.3MPa;瞬時壓力為工作壓力的40%;管道上部覆蓋土層厚度2、4、6m三種,與不同的工作壓力進行組合。 　　3.2　管基包角 　　管基中心角選取90。雖然在施工中采用120包角施工,但受承包人施工經(jīng)驗、回填材料等多種因素影響。包角部位回填壓實質(zhì)量存在不穩(wěn)定情況,因此設計中仍然按90考慮,多出部分作為施工安全儲備。 　　3.3　相對濕度 　　戶外設計相對濕度:本工程各標分別取RH=52%、50%、60%。雖然業(yè)主在關于明確PcCP管結(jié)構(gòu)設計問題的意見中明確了PCCP管材結(jié)構(gòu)設計力學參數(shù)中的相對濕度按照RH=60%計取,但考慮到各標段環(huán)境溫度不盡相同,且其對管道的設計影響較小,因此對上述取值是可行的(只要不大于60%,數(shù)值越大越偏于保守)。 　　3.4　土壤特性 　　土壤特性系數(shù)Ku=0.15,為飽和表土的最大值。Ku=0.19,為無粘性顆粒材料的取值,偏于保守,尤其是覆土較深的管道,計算土荷載偏大。根據(jù)AWWA M9規(guī)定當設計無資料時可以取Ku=0.15。 　　3.5　溝槽型式 　　管道埋設全線均采用上埋式。主要是因為大直徑PccP管鋪設線路一般較長,沿線工程地質(zhì)情況復雜,溝槽開挖寬度很容易超出溝埋式的要求。采用溝埋式設計雖然可以節(jié)省部分造價,但對結(jié)果影響不大。采用統(tǒng)一的埋設型式,可以簡化設計,也便于施工管理。 　　 　　4、設計原則 　　 　　本工程二標、三標結(jié)構(gòu)設計采用美國混凝土壓力管協(xié)會AWWA C304標準配套程序UDP設計軟件,該軟件系統(tǒng)默認鋼絲直徑及抗拉強度均為英制規(guī)格且無公制選項,預應力鋼絲張拉控制應力固定為鋼絲抗拉強度的75%,而招標文件明確為70%,因此承包商采用如下等效預壓應力的方法進行換算: 　　按此換算方法,多數(shù)情況下是可行的,但是,AWWA C304共有14種荷載組合、14種不同的控制條件,當按uDPR件計算時出現(xiàn)如設計控制條件為AWWA C304第7.4.1條規(guī)定的“在荷載內(nèi)壓組合FWl,FWlr2及FT2情況下,預應力鋼絲內(nèi)最大拉應力不得高于總纏絲應力fsl”及AWWA C304第7.5.I條規(guī)定的“當管子承受荷載與內(nèi)壓組合FWT3及FWT4時,預應力鋼絲最大拉應力不應超過其屈服強度fsy”時,該轉(zhuǎn)換方法就不合適,當管子結(jié)構(gòu)設計出現(xiàn)以上控制條件時,以上換算方法偏于保守。 　　 　　5、結(jié)　語 　　 　　結(jié)合本院工程設計經(jīng)驗和本工程的實際情況,為確保PCCP管芯混凝土質(zhì)量,設計時盡量選用低標號混凝土,同時考慮生產(chǎn)進度和簡化生產(chǎn)管理,盡量減少混凝土標號種類。 　　盡量減少管芯壁厚種類,便于生產(chǎn)控制和大規(guī)模生產(chǎn),以提高生產(chǎn)效率。 　　管道纏絲盡量選用單層纏絲,以加快制管進度,確保本項目工期。 　　采用雙層或多層纏絲時,建議管芯纏絲采用與單層纏絲相同的壁厚和絲距,以利于管理和加快工程進度。