大口徑鋼管外包混凝土在輸水管線中的應用與優化設計

郭 放

(遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧 沈陽 110006)

近年來，為解決水資源不平衡問題，各地區開工建設了許多引調水項目，而輸水管道是此類項目中不可或缺的一種形式。鋼管作為管材的一種，雖然單價較貴，但其在安全性上有著其他管材不可比擬的優勢，所以在管道沿線一些重點部位，如穿越公路、鐵路，隧洞連接段部位以及布設在村莊附近管線部位等均選用鋼管管材，而不用價格相對低廉的其他管材。然而，鋼管特別是大口徑鋼管承受外部荷載的能力有限，需要外包混凝土予以保護。文章以遼寧省重點輸水工程為例，總結了高覆土下大口徑鋼管外包混凝土的設計與施工，并應用有限元方法進行了優化設計分析，為以后此類工程提供參考和經驗。

1 工程概況

遼寧省重點輸水工程全長598.432km，主體工程由輸水管線與輸水隧洞兩部分組成，其中輸水管線部分長290.108km，輸水隧洞部分長308.324km。該工程的輸水管線部分在上述重點部位均采用了鋼管，由于沿程流量差異，工程中采用了不同管徑及根數的組合：1×φ5.8m，1×φ5.4m，2×φ3.8m，3×φ3.6m，3×φ3.4m，4×φ3.2m等，在高覆土工況下，上述組合均設置了外包混凝土結構以保護鋼管。

2 設計方案

考慮經濟性要求，避免為了解決極少數高外荷載工況下的問題而專門生產一批特殊型號(壁厚)的鋼管，本工程鋼管均可承受不超過4m厚度覆土的外荷載，當鋼管埋深超出此深度時則需要外包混凝土以承擔外部荷載。本工程輸水線路長且地形、地質條件復雜，少數鋼管埋設深度最大可達18m。

2.1 設計形式

2.1.1 主體結構

本工程輸水管線的鋪設形式分為同槽和分槽兩種，故在同一個溝槽內存在一根管到四根管的四種橫斷面形式，如圖1～圖4所示。

圖1 單根鋼管外包混凝土

圖2 兩根鋼管外包混凝土

圖3 三根鋼管外包混凝土

圖4 四根鋼管外包混凝土

由于鋼管在水錘作用下會產生振動，故在鋼管與外包混凝土之間設置了5mm厚度的瀝青卷材，以避免混凝土受振動荷載產生破壞。根據鋼管埋深所對應的覆土外荷載計算出外包混凝土的主要控制尺寸，詳見表1。

2.1.2 過渡段

為避免鋼管外包混凝土結構與其他鋼管或管道部位產生不均勻沉降差異，本工程在整體結構縱斷方向上的兩側分別設置了兩節長度10m(每節5m)的過渡段，具體做法如圖5所示。為施工方便，過渡段的寬度均與相連外包混凝土結構寬度保持一致。

圖5 鋼管外包混凝土過渡段縱剖面圖

管材鋪設形式覆土深度/m尺寸a/mm尺寸b/mm尺寸c/mm主筋直徑/mm主筋間距/mm1×?5.8m6700600600201508900800800201501090080080022150121050850850221501×?5.4m670060060020150880070070020150109508008002015012100085085022150141100900900221502×?3.8m10600500500201501260055055022150146506006002215016750650650221503×?3.6m146506006002215018800750750221503×?3.4m18750700700221504×?3.2m1460055055020150

2.2 注意事項

(1)鋼管外包混凝土在縱斷方向上一般不宜超過12m，且在分縫處應避開鋼管加勁環位置。

(2)環向受力鋼筋在鋼管加勁環處可適當調整間距以避開加勁環，縱向鋼筋如與鋼管加勁環沖突可斷開處理，禁止將鋼筋焊接在加勁環上而產生安全隱患。

(3)過渡段的碎石墊層需級配良好，防止上部中粗砂中滲有碎石，導致鋼管被碎石損傷。

(4)若外包混凝土結構縱斷方向兩側為巖石地基，則可不設置過渡段。

3 優化設計

常規的鋼管外包混凝土設計方案中，混凝土易于澆筑振搗，施工比較方便；然而，從經濟角度考慮，上述結構有進一步優化的空間：可將結構上部兩個直角進行磨腳處理，使最薄處的混凝土厚度與頂部最薄處保持一致，如圖6所示(以單根鋼管為例，其他形式原理相同)。

圖6 鋼管外包混凝土優化設計斷面

通過下面的有限元分析及結構計算可驗證此結構的可行性和經濟性。

3.1 模型的建立

本次計算采用了平面應變分析方法，底邊采用固定邊界，管頂按8m覆土外荷載考慮。模型1剖分了400個單元，480個節點，如圖7所示；模型2(優化斷面)剖分了475個單元，571個節點，如圖8所示。

圖7 有限元模型1

圖8 有限元模型2(優化斷面)

3.2 計算結果與對比分析

根據模型的最大主應力σ1計算結果，模型1頂拱部位的最大拉應力σ1最大值達到了0.4MPa，為最危險截面，且拉應力范圍占到了整個截面的一半，根據SL191- 2008《水工混凝土結構設計規范》中第十二章的按應力配筋原理，需要相對較多鋼筋來抵抗截面的拉應力。在模型2中，最大拉應力σ1最大值出現在拱肩部位，且最大值為0.05MPa，較模型1明顯減小，且受拉截面面積占整個截面的比例亦顯著減小，整個模型大部分在壓應力控制下，受力條件有顯著改善，根據模型2的計算結果按照應力配筋，則只需要配分布鋼筋即可滿足結構及裂縫要求。數值計算結果如圖9、圖10所示。

圖9 計算結果(模型1)

圖10 計算結果(模型2，優化斷面)

3.3 經濟性與實用性分析

根據上述計算結果，采用優化后的設計斷面可節省一部分混凝土和鋼筋用量，以1×φ5.8m鋼管，覆土深度8m為例，分布鋼筋按φ16mm考慮，每延米可節省混凝土約2.3m3，鋼筋約0.7t，經濟性非常可觀。在具體施工環節中，由于優化方案多出兩塊模板且存在斜面，在混凝土澆筑及振搗等方面略增加一定難度，但總體看來仍然是利遠大于弊。

4 結語

實踐證明，該鋼管外包混凝土設計方案有效解決了高覆土下大口徑鋼管抵抗外部荷載的問題，保證了鋼管在此工況下的安全運行，避免了鋼管生產廠家為少數工況而生產特別型號的管材，總體上節省了工程建設成本。同時，優化設計方案在結構設計上和實際施工中均是可行的，且可進一步節約成本，可在今后的類似工程中予以實踐和推廣。

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