PCCP管道结构设计
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1、工程概况
大伙房水库输水应急入连工程是由大伙房水库向大连市输水的一项大型输水工程,输水管线由大伙房水库输水(二期)工程之鞍山加压泵站引出,年输水量为3×108m3。
本工程由两部分组成:碧流河水库北段工程和碧流河水库南段工程。
碧流河水库北段工程输水线路全长163.26km,其中;
鞍山加压泵站。隧洞前输水管线长121.37kin,管线管材主要采用预应力钢套筒混凝土管(以下简称pccp),管线穿越高速公路、省国道、铁路、大中型河流等采用钢管,管径为DN2800。
输水隧洞长14.12km,为城门洞型断面,隧洞断面尺寸(B×H)为3.2m×3.48m,
隧洞后输水管线末端输水管线长27.77km,管线管材主要采用预应力钢套筒混凝土管(以下简称PCCP),管线穿越省国道、大中型河流等采用钢管,管径为DN2400。
对该工程采用的PCCP管材设计应用了美国供水工程协会ANSI/AWWA C304-99标准配套的设计程序“VDP”进行了结构设计计算。
2、设计方法简介
根据AWWA C304-99标准,采用极限状态设计方法对PCCP管进行设计,既考虑管材的预应力状况,也考虑外载(we。wt,Ws)、管重(Wp)和水重(Wf)及工作压力(Pw)瞬时压力(Pt)检验压力(Pft)的综合影响,保证管材的使用可靠性,从弹性和强度极限上提供足够的安全储备设计。计算程序采用AWWA C304-99配套设计软件UDP和本院自编软件CDP,规范要求的最小钢丝面积作为钢丝初始面积核对管体各项极限状态的指标要求,如果不能通过验算条件钢丝面积自动累加,直到满足要求。
需要说明的是根据AWWA C304的默认要求,预应力钢丝张拉控制应力固定为钢丝抗拉强度的75%,并且:
当预应力钢丝只有一层时钢丝的应力松驰系数如下:
R=0.111-3.5(As/Ac)
(AWWA C304式6-30)
多层缠丝钢丝应力松驰系数如下:
内部第一层缠丝:
其他层缠丝:
由于本工程要求fsg=0.7fsu,AWWAc304没有给出当fsg=0.7fsu时钢丝应力松驰系数的算法,根据中国标准GBS0010《混凝土结构设计规范》第6.2.1条规定:
当ocon≤O.7fptk时钢丝应力松驰值:
σL4=0.125(σcoll+fptk-0.5)σcol3(式中口conll口为fsg、fptk即为fsu)
当O.7fptk
σ14=0.2σcon÷fptk-0.575)σCon
当σCOil=0.7fptk时钢丝应力松驰值σ14=2.5%σcon,当口con=0.75fptk寸钢丝应力松驰值σ14=3.5%σcon,由此可见,当fsg=0.7fsu时钢丝应力松驰值应比当fsg=0,75fsu的钢丝应力松驰值小,按fsg=0.7sfs计算更为保守,因此本报告不再寻求fsg=0.7fsu时钢丝应力松驰系数的算法,其差值作为合理安全储备。
3、设计条件选取
以下各参数为设计中易为忽视的部分。
3.1管道内压
现场试验内压为工作压力+O.3MPa;瞬时压力为工作压力的40%;管道上部覆盖土层厚度2、4、6m三种,与不同的工作压力进行组合。
3.2 管基包角
管基中心角选取90°。虽然在施工中采用120°包角施工,但受承包人施工经验、回填材料等多种因素影响。包角部位回填压实质量存在不稳定情况,因此设计中仍然按90°考虑,多出部分作为施工安全储备。
3.3 相对湿度
户外设计相对湿度:本工程各标分别取RH=52%、50%、60%。虽然业主在关于明确PcCP管结构设计问题的意见中明确了PCCP管材结构设计力学参数中的相对湿度按照RH=60%计取,但考虑到各标段环境温度不尽相同,且其对管道的设计影响较小,因此对上述取值是可行的(只要不大于60%,数值越大越偏于保守)。
3.4 土壤特性
土壤特性系数Ku=0.15,为饱和表土的最大值。Ku=0.19,为无粘性颗粒材料的取值,偏于保守,尤其是覆土较深的管道,计算土荷载偏大。根据AWWA M9规定当设计无资料时可以取Ku=0.15。
3.5 沟槽型式
管道埋设全线均采用上埋式。主要是因为大直径PccP管铺设线路一般较长,沿线工程地质情况复杂,沟槽开挖宽度很容易超出沟埋式的要求。采用沟埋式设计虽然可以节省部分造价,但对结果影响不大。采用统一的埋设型式,可以简化设计,也便于施工管理。
4、设计原则
本工程二标、三标结构设计采用美国混凝土压力管协会AWWA C304标准配套程序UDP设计软件,该软件系统默认钢丝直径及抗拉强度均为英制规格且无公制选项,预应力钢丝张拉控制应力固定为钢丝抗拉强度的75%,而招标文件明确为70%,因此承包商采用如下等效预压应力的方法进行换算:
按此换算方法,多数情况下是可行的,但是,AWWA C304共有14种荷载组合、14种不同的控制条件,当按uDPR件计算时出现如设计控制条件为AWWA C304第7.4.1条规定的“在荷载内压组合FWl,FWlr2及FT2情况下,预应力钢丝内最大拉应力不得高于总缠丝应力fsl”及AWWA C304第7.5.I条规定的“当管子承受荷载与内压组合FWT3及FWT4时,预应力钢丝最大拉应力不应超过其屈服强度fsy”时,该转换方法就不合适,当管子结构设计出现以上控制条件时,以上换算方法偏于保守。
5、结 语
结合本院工程设计经验和本工程的实际情况,为确保PCCP管芯混凝土质量,设计时尽量选用低标号混凝土,同时考虑生产进度和简化生产管理,尽量减少混凝土标号种类。
尽量减少管芯壁厚种类,便于生产控制和大规模生产,以提高生产效率。
管道缠丝尽量选用单层缠丝,以加快制管进度,确保本项目工期。
采用双层或多层缠丝时,建议管芯缠丝采用与单层缠丝相同的壁厚和丝距,以利于管理和加快工程进度。