預應力鋼筒混凝土頂管（JPCCP）常用結構設計方法簡析

徐惠娟 闕小平

新疆國統(tǒng)管道股份有限公司 烏魯木齊831407

引言

PCCP是一種在我國市政、水利行業(yè)給排水工程中應用較為廣泛的混凝土壓力管道。截止2019年，PCCP在我國的使用量已超過18000km，管徑最大達4m，管線最大工作壓力達2.0MPa。隨著埋地PCCP輸水管道的大量應用，需要一種適合用于頂管施工的配套管材，在城市輸水管線頂進施工中，預應力鋼筒混凝土頂管（JPCCP）在近年逐漸開始應用于實際工程。JPCCP的管體基本結構與PCCP相同，主要區(qū)別在于使用模具澆筑成型的混凝土保護層代替PCCP采用輥射工藝成型的砂漿保護層，這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。JPCCP的混凝土保護層厚度較厚（一般不小于80mm），其中配置了構造抗裂鋼筋；保護層混凝土強度等級一般與管芯相同，采用模具立式澆筑成型工藝，具有光滑平順的外壁。

JPCCP在國內(nèi)目前尚無單獨的產(chǎn)品行業(yè)或國家標準，JPCCP應用較多的個別省市已頒布了相關的地方標準。目前JPCCP產(chǎn)品設計方法主要有以下幾種：1）直接使用PCCP設計方法［1］，將JPCCP混凝土保護層仍按抗壓強度為45MPa的砂漿考慮，設計厚度按預定值輸入，算出管體預應力筋配筋量作為結構配筋，在保護層中直接按構造配置普通鋼筋；2）按PCCP結構設計標準計算預應力配筋＋排水管標準驗算保護層配筋，按PCCP結構設計方法計算預應力筋配筋量，再按鋼筋混凝土管設計方法驗算JPCCP保護層鋼筋在空管狀態(tài)的承載力，獲得保護層鋼筋配筋量［2，3］；3）采用數(shù)值模擬分析方法進行設計，并通過實體試驗驗證設計結果［4，5］。本文將結合JPCCP結構特點，對3種設計方法進行分析，希望對JPCCP管材的設計和應用有所幫助。

1 JPCCP的結構特點

JPCCP的管體結構示意見圖1。

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

由圖1可知，JPCCP的管體結構特點如下：

（1）管芯部分結構在不計內(nèi)層鋼筋籠的情況下（有的JPCCP在設計中并未考慮在管芯內(nèi)層混凝土中配置鋼筋），與PCCP管芯相同；即由管芯內(nèi)層混凝土、防滲鋼筒、管芯外層混凝土組成；

（2）管芯外表面纏繞預應力鋼絲，建立管芯混凝土環(huán)向預壓應力，與PCCP管芯相同；

（3）由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；為了便于工藝操作，該層厚度一般不小于80mm；

（4）管體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(nèi)壁混凝土不受頂力作用。在此，不討論JPCCP的接口和其他構造。

2 目前常用的JPCCP結構設計方法簡析

2.1 直接使用PCCP設計方法

該方法將JPCCP結構完全等同于PCCP結構，即不考慮管體中普通鋼筋（鋼筋籠）的結構受力作用；并將混凝土保護層視為等同于PCCP砂漿保護層進行計算；保護層鋼筋籠按構造配筋。之所以如此考慮，主要有以下幾種原因：

（1）尚無規(guī)范對JPCCP的結構設計原則和方法做出明確規(guī)定，無“法”可依。由于JPCCP是由PCCP改良而來，結構變化不大，自然按PCCP的結構設計方法進行設計；

（2）PCCP結構計算時，設計者在保護層參數(shù)設置時往往分別將JPCCP實際保護層厚度和PCCP最小保護層厚度（凈厚度25mm）代入計算，根據(jù)所得的配筋取較大值。由于對計算結果的這種偏安全選擇，以及因實際JPCCP保護層為設置了鋼筋籠的混凝土，其開裂條件遠優(yōu)于PCCP輥射砂漿保護層的設計假設，所以該方法的設計結果較為保守，這也是設計人員愿意采用PCCP標準和程序進行JPCCP計算的主要原因。

但上述設計方法存在一些問題，主要有：

（1）設計假設與實際結構不符，JPCCP保護層是混凝土而非砂漿，其彈性模量和開裂性能均不相同，取用砂漿的性能參數(shù)與實際不符，計算指標與實際構件性能表現(xiàn)將產(chǎn)生差異。

（2）計算結果過于保守，計算中如選用按PCCP最小保護層厚度計算所得的配筋（往往配筋量較大），雖看起來更加安全，但此厚度并非JPCCP實際保護層厚度，如此取值有違常理。如果僅為選擇一種更加安全的計算結果而“強行”增加結構配筋，除了在邏輯上存在漏洞外，還增加了不必要的生產(chǎn)成本。

（3）不便于有效解決雙層纏絲的問題，當較大口徑的JPCCP（如DN2800以上）遇到較高工況時（如工壓1.0MPa，覆土厚度10m以上），如按PCCP結構設計方法進行計算，可能會遇到雙層纏絲需求（圖2），這對于JPCCP來說存在一些困難：1）如采用立式澆筑工藝澆筑第1層鋼絲保護層，則意味著管材的生產(chǎn)將進行3次混凝土成型，要滿足此項結構和工藝要求，可能導致管壁總厚度不可避免會設計的過厚，生產(chǎn)工藝過于復雜，生產(chǎn)效率低，且模具投入較大，成本過高；2）如按PCCP雙層纏絲時第1層鋼絲保護層的做法采用輥射工藝成型，則產(chǎn)品結構和材料組成與設計假定不符。

圖2 JPCCP雙層纏絲不同工藝結構管體截面示意Fig.2 Cross section indication of JPCCP double layer winding process tube structure

2.2 按PCCP結構設計標準計算預應力配筋＋排水管標準驗算保護層配筋

該方法除了直接采用PCCP標準和程序計算外，還假設管體在“空管＋覆土”的工況下按鋼筋混凝土管（一般按CECS143標準方法計算）設計方法進行管側截面外壁（保護層）普通鋼筋配筋驗算。該方法存在的問題除了2.1節(jié)所述之外，單獨以鋼筋混凝土管假設進行保護層普通鋼筋配筋驗算缺乏充分的理論依據(jù)。

（1）按PCCP標準和程序計算時，已按不同的內(nèi)壓和外荷載工況組合進行了各種極限狀態(tài)下的計算，管材通過計算已滿足了結構和材料的各項應力應變指標，計算中雖將保護層假設為不配筋的砂漿，但已按此假設滿足了開裂控制指標，無需另行驗算。

（2）如按PCCP標準進行結構計算，則應按GB/T19685標準［6］規(guī)定計算管材抗裂內(nèi)、外壓荷載，無需另按鋼筋混凝土管外壓荷載驗算保護層配筋。

（3）如將保護層配筋按抗裂構造筋考慮，則僅需按混凝土結構設計標準［7］的相關原則確定最小配筋率即可；如再按鋼筋混凝土管進行保護層配筋驗算，并無必要，且可能增加成本。

2.3 采用結構分析軟件設計

少數(shù)設計人員采用了專業(yè)的結構分析軟件進行JPCCP結構設計，雖然數(shù)值分析方法可以依靠結構分析專業(yè)軟件進行復雜結構的結構分析，但在管材設計幾乎均由管材生產(chǎn)企業(yè)負責的現(xiàn)實環(huán)境下，該方法在應用的普及性方面存在短板；且工程結構設計中，結構分析軟件應經(jīng)考核和驗證，軟件分析所得結果應經(jīng)校核和驗證方可用于工程設計。從以上角度看，數(shù)值分析的設計方法在實際的JPCCP工程設計應用時存在局限性，更適合用于對各種設計結果的分析和驗證。

2.4 幾種常用JPCCP結構設計方法的算例對比

為了便于對比以上幾種JPCCP結構設計方法的差異，本節(jié)采用同一JPCCP設計算例分別進行說明。算例條件為：管徑DN3600mm，工作壓力0.6MPa，設計壓力0.9MPa，覆土深度10m（按頂管土荷載考慮），管基為120°土弧包角，管芯厚度280mm，保護層厚度80mm，混凝土強度（含保護層）C50，預應力鋼絲采用φ7@1570mm，保護層鋼筋采用HRB400；其他條件統(tǒng)一按標準規(guī)定取值。

當采用PCCP結構設計方法進行配筋計算時，為了便于對比和驗證，分別采用CECS140：2011標準和SL702—2015標準計算；當按鋼筋混凝土管進行保護層配筋計算時，按CECS143：2002計算。各種方法的計算結果見表1。

表1 DN3600JPCCP P0.6/H10算例計算結果匯總Tab.1 DN3600JPCCP P0.6/H10calculation results summary

3 結語

本文結合JPCCP的結構特點，對目前常用的幾種JPCCP結構設計方法進行了介紹和分析，并列舉算例進行對比，可以看出JPCCP結構設計方法還需要進一步完善，特別是需重點解決設計假設的合理性、設計結果的安全性以及有效解決雙層纏絲管材的結構、工藝、成本等問題。