竇鐵生：國內(nèi)外PCCP設計方法對比分析

　　2013年8月17日，第二屆全國預應力鋼筒混凝土管（PCCP）行業(yè)發(fā)展高峰論壇在石家莊隆重召開。本次高峰論壇以"創(chuàng)新管理 提升質量 服務國家重點工程"為主題，圍繞PCCP產(chǎn)品制造技術、生產(chǎn)管理、施工技術與工程管理等方面展開培訓與研討。中國水利水電科學研究院結構材料研究所副所長、教授級高級工程師竇鐵生以《國內(nèi)外PCCP設計方法對比分析》為題做報告。他圍繞國內(nèi)PCCP工程設計現(xiàn)狀、設計原則和計算方法、國內(nèi)外規(guī)范規(guī)定差異、PCCP的設計軟件等方面進行介紹。

　　國外標準的發(fā)展

　　1893年，巴黎總工程師邦納設計并生產(chǎn)了鋼筒混凝土管，并將其使用于巴黎科隆貝的水管網(wǎng)鋪設工程。

　　1939年，法國邦納管道公司最早制造了PCCP，在巴黎郊區(qū)的某個工程中投入并使用。

　　1942年，美國羅克昭公司對PCCP的技術和理論做了深入的研究，開始研究發(fā)展PCCP。

　　1992年，美國ANSI和AWWA發(fā)布C301和C304標準。

　　2007年，對C301和C304進行修訂，并把PCCP的相關參數(shù)計算方法引入AWWA M9。

　　國內(nèi)標準的發(fā)展

　　20世紀八十年代末，引進相關標準和生產(chǎn)設備。

　　1996年，國家建材局頒布了《預應力鋼筒混凝土管生產(chǎn)的行業(yè)標準》JC 625-1996。

　　2002年，頒布了《給水排水工程埋地管芯纏絲預應力混凝土管和預應力鋼筒混凝土管管道結構設計規(guī)程》CECS 140:2002，并于2011年修訂。

　　2005年，國家頒布了標準《預應力鋼筒混凝土壓力管》GB/T 19685-2005。

　　水利行業(yè)的PCCP規(guī)范正在編制過程中，預計2013年底能夠頒布發(fā)行。

　　國內(nèi)PCCP工程設計現(xiàn)狀

　　預應力鋼筒混凝土管（PCCP）在工程應用中，其結構設計計算一直是使用者最關心的問題。國內(nèi)大部分工程設計人員是按照《ANSI/AWWA C301》和《ANSI/AWWAC304》這兩個標準來設計和制造"預應力鋼筒混凝土壓力管（PCCP）"。但是AWWA C304、C301等標準是基于美國國內(nèi)的原材料質量水平、試驗方法、設計理念、生產(chǎn)水平等所制定，并引用了眾多的美國相關標準。因此基于我國國情考慮，要做到完全采用AWWA標準是根本不可能的，往往造成不同工程具有不同質量標準、同一工程不同人員對有關問題的理解不能完全統(tǒng)一，其結果是管道制造質量水平參差不齊，可能造成工程隱患。也有工程采用中國工程建設標準化協(xié)會標準《給水排水工程埋管芯纏絲預應力混凝土管和預應力鋼筒混凝土管管道結構設計規(guī)程》（CECS140：2011）。

　　設計原則和計算方法

　　1、ANSI/AWWA C304

　　2、按《SL191-2008》規(guī)定的計算方法

　　3、CECS140：2011

　　4、《預應力鋼筒混凝土管道技術規(guī)范（送審稿）》

　　設計原則和計算方法1：ANSI/AWWA C304

　　ANSI/AWWA C304《預應力鋼筒混凝土壓力管設計標準》最初版本是ANSI/AWWA C304-92，中間經(jīng)過ANSI/AWWA C304-1999版本進行了修訂，目前國內(nèi)外大多數(shù)工程都是以此版標準進行設計和制造的。本標準的最新版本是ANSI/AWWAC304-2007。（1）首先是代替ANSI/AWWA C301-84中給出的半經(jīng)驗設計方法A和工作應力設計方法B；（2）基于state-of-the-art（最先進技術）對混凝土和預應力混凝土結構進行設計和分析；（3）對PCCP的應力狀態(tài)進行描述并充分考慮外荷載、管重和水重及內(nèi)壓的綜合影響；（4）綜合反映美國混凝土壓力管工業(yè)40年的實踐經(jīng)驗和經(jīng)驗數(shù)據(jù)；（5）在工作條件附加瞬時條件情況下避免可見裂縫的產(chǎn)生；（6）提出基于彈性極限狀態(tài)和強度極限狀態(tài)可行的安全系數(shù)。

　　為了保證PCCP在承受工作荷載、附加瞬時荷載及內(nèi)壓時的安全性和耐久性，ANSI/AWWA C304用于確定內(nèi)壓、外荷載、管重和管內(nèi)水重允許組合條件的方法是極限狀態(tài)設計準則。極限狀態(tài)設計法，可以保證管子在可能發(fā)生可見裂縫的特殊情況下，管壁預壓應力和強度有足夠的安全余量。

　　三種極限狀態(tài)設計準則：工作極限狀態(tài)設計準則、彈性極限狀態(tài)設計準則和強度極限狀態(tài)設計準則。工作極限狀態(tài)設計準則旨在消除（1）工作荷載和內(nèi)壓作用時管芯混凝土出現(xiàn)微裂縫（2）控制保護層砂漿出現(xiàn)微裂縫。該準則同樣消除工作荷載、附加瞬時荷載和內(nèi)壓作用時管芯和保護層出現(xiàn)可見裂縫。該準則的具體目的為：1．管芯裂縫控制；2．管內(nèi)徑尺寸控制；3．保護層裂縫控制；4．管芯壓縮控制；5．最大內(nèi)壓控制。在標準工作荷載下保證管道正常運行的情況。

　　彈性極限狀態(tài)設計準則定義為工作荷載、附加瞬時荷載和內(nèi)壓組合條件下，也即假設預應力管在瞬時條件下欲開裂時，管件應具備足夠彈性以防止發(fā)生破壞或預應力損失。該準則應滿足如下目的：1．鋼絲應力控制；2．薄鋼筒應力控制。管道材料出現(xiàn)非線性拐點的特定情況。

　　強度極限狀態(tài)設計準則定義為保證管件抵御預應力鋼絲屈服；混凝土管芯在外荷載下開裂；鋼絲在內(nèi)壓作用下斷裂。將安全系數(shù)引入荷載和內(nèi)壓以形成強度極限狀態(tài)。該準則作用如下：1．鋼絲屈服強度控制；2．管芯抗壓強度控制；3．開裂壓力控制；4．保護層粘接強度控制。在極端荷載時保證管道安全運行的特定情況。

　　PCCP的極限狀態(tài)設計法主要考慮內(nèi)壓、外荷載、管重及管內(nèi)水重的綜合影響，主要特點為：1．是一個基于混凝土結構方面技術發(fā)展水平和結構工程實踐導出的方法；2．方法中采納的參數(shù)均來自于預應力管及相應制管材料的實驗結果；3．是經(jīng)LCP和ECP組合荷載及三點法試驗證明了的可行方法。

　　PCCP管道的設計以變形控制為基礎，分別控制應力和應變。變形控制的覆蓋面廣，ANSI/AWWA C304核心是控制管芯混凝土和外部砂漿保護層的裂縫。

　　據(jù)美國結構工程師的研究，混凝土受拉應力應變過程可分為三個區(qū)域，即：未出現(xiàn)裂縫的初始狀態(tài)區(qū)，該階段未出現(xiàn)微裂縫；應變"軟化"狀態(tài)區(qū)，該階段未出現(xiàn)可視裂縫；裂縫狀態(tài)區(qū)。微裂縫是隨機的、細微、短小且不連續(xù)的裂縫，只有借助顯微鏡才能看到。它們通常發(fā)生在骨料和膠凝材料的界面處。由于是非貫穿裂縫，故結構仍可承擔拉應力。

　　當混凝土拉應力下降為0時，即進入裂縫狀態(tài)。隨著應變的增加，通?？梢杂萌庋壑苯涌吹?。Kenllison將其量化為：微裂縫寬度為0.025mm；可見裂縫的起始寬度為0.05mm。為此AWWA/ANSI C304規(guī)范規(guī)定的裂縫寬度是極為嚴格的，這也是PCCP能夠保持高保證率、長使用壽命的關鍵所在。[Page]

　　設計原則和計算方法2：按《SL191-2008》規(guī)定的計算方法

　　為了編制水利行業(yè)的PCCP規(guī)范，因為第一版規(guī)范草稿被規(guī)范審查委員會否定，要求按照《SL191-2008》重新編制。按極限狀態(tài)方法設計，除對管道整體穩(wěn)定驗算外，均采用安全系數(shù)K設計表達式進行設計。

　　PCCP結構按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設計。承載能力極限狀態(tài)的管道結構驗算包括：主要進行管道結構強度計算，抗浮穩(wěn)定驗算及管道敷設方向改變處的抗滑穩(wěn)定性驗算。正常使用極限狀態(tài)的管道結構驗算包括：保證管芯混凝土及砂漿保護層不出現(xiàn)裂縫并滿足應力要求。該方法在進行PCCP結構內(nèi)力分析時，只能按彈性體系計算，不考慮由非彈性變形所引起的塑性內(nèi)力重分布，不考慮鋼筒的力學作用，鋼筒無法參與強度計算。在荷載計算、工況組合、內(nèi)力分析以及截面計算等方面有差異。ANSI/AWWA C304規(guī)范共有14（13）種荷載組合，依據(jù)《SL191-2008》的方法有5種荷載組合。

　　對預應力鋼筒混凝土的預應力損失，主要由鋼絲預應力松馳和混凝土收縮徐變兩項組成。依據(jù)《SL191-2008》PCCP的設計方法，給一個固定系數(shù)進行調整，不考慮濕度、時間以及混凝土性能的影響。也無法根據(jù)生產(chǎn)中使用的骨料和水泥的試驗結果，對彈性模量設計值進行修正。

　　根據(jù)《水工混凝土結構設計規(guī)范》SL191-2008條文說明3.1.1規(guī)定：考慮到水工混凝土結構中，除材料強度和少數(shù)荷載采用實測統(tǒng)計資料外，不少荷載無法取得實測資料，難以體現(xiàn)真正概率意義上的荷載變異性，同時《水工建筑物荷載設計規(guī)范》（DL5077-1997）又對每一種荷載都給出了各自不同的荷載分項系數(shù)，使設計計算變得比較繁瑣，此外，SL/T 191-96缺乏一個直觀的總的安全度。

　　設計原則和計算方法3：CECS140-2011

　　CECS關于PCCP的設計規(guī)范《埋地預應力砼管和預應力鋼筒砼管道結構設計規(guī)范》CECS140-2011，其PCCP結構計算原理依據(jù)《給水排水工程管道結構設計規(guī)范》GB50332-2002中的計算方法，在荷載計算、工況組合、內(nèi)力分析以及截面計算等方面與《ANSI/AWWA C304》有很大差異。

　　CECS140無法考慮混凝土管芯、預應力鋼絲以及鋼筒之間的聯(lián)合作用，不考慮由非彈性變形所引起的塑性內(nèi)力重分布，濕度、時間以及混凝土性能的影響也無法考慮。算出的鋼絲面積比ANSI/AWWA 304大很多，甚至造成徑厚比不合理。

　　設計原則和計算方法4：《預應力鋼筒混凝土管道技術規(guī)范（送審稿）》中的設計方法

　　本規(guī)范結構計算部分主要參考ANSI/AWWA C304中的方法，同時充分考慮國內(nèi)的實際情況，《預應力鋼筒混凝土管道技術規(guī)范（送審稿）》中材料參數(shù)、荷載分類以及活荷載計算等均采用國內(nèi)的相關標準。

　　PCCP結構計算部分采用ANSI/AWWAC304中三種極限狀態(tài)設計準則：工作極限狀態(tài)設計準則、彈性極限狀態(tài)設計準則和強度極限狀態(tài)設計準則?？紤]內(nèi)壓、外荷載、管重及管內(nèi)水重的綜合影響，結構設計以變形控制為基礎，分別控制應力和應變，核心是控制管芯混凝土和外部砂漿保護層的裂縫。

　　PCCP結構設計中，對各種與混凝土和砂漿變形有關的因素均進行了相應的考慮。特別是建立在混凝土等材料的長期性、耐久性研究基礎上，對徐變和收縮變形的進行預測，保證了PCCP結構的使用壽命。

　　采用《水工混凝土結構設計規(guī)范》SL191-2008規(guī)定的荷載組合規(guī)定，分為永久荷載、可變荷載、偶然荷載。

　　國內(nèi)外規(guī)范規(guī)定差異

　　在管徑不同，其余條件相同的情況下，方法2鋼筋面積計算結果最大，且比方法1差值都在10%以上，隨著覆土厚度的增加，差值越來越大，甚至達到了30%；方法3的計算結果表示，在覆土達到5m、7m的厚度時，比方法1計算結果大10%以上；但方法4計算結果與方法1鋼筋面積計算結果幾乎相同，差值都控制在1%以內(nèi)。

　　在同一管徑條件下，方法2的鋼筋面積計算結果隨著覆土厚度增大與方法1的計算結果差別越大，主要體現(xiàn)在覆土厚度為5m和7m、9m，差值30%以上，隨著管徑的變化甚至達到60%以上。由于隨著覆土深度的增加，上層回填土受到的向上的摩擦作用越發(fā)明顯而使實際土荷載系數(shù)逐漸小于1.2，造成公式在深覆土情況下的計算結果過于保守，除了鋼絲面積增大外，管芯厚度也相應增加，出現(xiàn)不合理的管芯厚度。