解析预应力钢筒混凝土管管材抗裂外压检验荷载及抗裂检验内压计算

卢文申

摘要： 通过对《给水排水工程埋地预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管道结构设计规程》（CECS 140）的深入理解，结合工程施工实际情况，以《预应力钢筒混凝土管》（GB/T 19685）、《预应力钢筒混凝土管设计标准》（ANSI/AWWA C304）两个标准为依据，通过对管材基本数据的各项运算，对PCCP管抗裂内、外压检验荷载计算进行了解析，简单、直接，方便运用。

Abstract： Based on the deep understanding of Code for Structural Design of Buried Prestressed Concrete Pipes and Prestressed Concrete Cylinder Concrete Pipes for Water Supply and Drainage Works （CECS 140） and on the basis of the actual construction conditions， the "Prestressed Concrete Cylinder Pipe" （GB / T 19685） and Design Criteria for Prestressed Concrete Cylinder Pipe （ANSI / AWWA C304）， and through calculation of the basic data of pipe， the internal and external pressure test load calculation of PCCP pipe cracking is analyzed， which is simple， direct and easy to use.

关键词： 预应力钢筒混凝土管；抗裂外压；抗裂内压；计算

Key words： prestressed concrete filled steel tube；anti-cracking external pressure；anti-cracking internal pressure；calculation

中图分类号：TV332 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）36-0169-02

0 引言

预应力钢筒混凝土管（简称 PCCP）在我国水利工程、市政管网、城市给排水等建设工程中已广泛应用。正确计算其抗裂内、外压检验荷载，对于管材的优化设计，降低制作成本，安全运行等都有非常重要的意义。抗裂内、外压检验也是产品生产过程中必不可少的质量检验环节。本文对PCCP管抗裂内、外压检验荷载计算进行了解析，以方便PCCP管抗裂内、外压检验荷载计算在生产中的应用。

1 抗裂外压检验荷载Pc（kN/m）计算公式

Pc=1.834*[ωt2c /（D0+tc）]*（Apσpe/An+αftk）

2 抗裂检验内压Pt（MPa）计算公式

Pt=（Ap*σpe+α*ftk*An）/（b*r0）

3 以上两个计算公式符号说明与计算

B—管子轴向计算长度（取1000mm）；

r0—管子内半径（mm）；

D0—管子内径（mm）；

tc—管芯厚度（mm）；

ω—管壁截面受拉边缘弹性抵抗矩折算系数（按CECS140附录D选用）；

Ap—每米管子长度环向预应力钢丝面积（mm2）；

An—每米管子长度管壁截面管芯混凝土、钢筒、钢丝及砂浆保护层折算面积（mm2）；

σpe—环向钢丝最终有效预加应力（N/mm2）；

ftk—管芯混凝土抗拉强度值（N/mm2）；

α— 控制砂浆开裂系数，对PCCPE为1.06；对PCCPL为0.65。

3.1 管壁截面受拉边缘弹性抵抗矩折算系数：

ωC=WC /WP

式中：WC—管壁截面对管壁内侧截面受拉边缘弹性抵抗矩；

WP—管壁截面受拉边缘弹性抵抗矩。

3.2 管壁截面对管壁内侧截面受拉边缘弹性抵抗矩：

WC=I/y0

式中：I—管壁折算后截面的惯性矩；

y0—折算后截面形心轴至管壁内表面距离（mm）。

3.3 管壁截面受拉边缘弹性抵抗矩：WP=BT2/6

式中：B—计算截面宽度，取1000mm；T—管壁厚度。

3.4 折算后截面形心轴至管壁内表面距离：y0=Sn/An（mm）

式中：Sn——管芯混凝土、砂浆、钢筒及钢丝对管壁内表面的折算面积矩（mm3/m），Sn=Bt2/2+（nY-1）BtY（DY-D0-tY）/2+（ns-nm）*（Ap1+Ap2）*[t+（n-1）*（d+td）+d/2]+Bnm*（T-t）*[（T-t）/2+t]

式中：t—管芯混凝土厚度（含钢筒厚度）（mm）；

DY— 钢筒直径（mm）；

nY—钢筒钢板与混凝土的弹性模量比；

ns—钢丝与混凝土的弹性模量比；

nm—砂浆与混凝土的弹性模量比；

Ap1—第1层钢丝用量（mm2/m）；

Ap2—第2层钢丝用量（mm2/m）

n—钢丝层数着；

d—钢丝直径（mm）

td—钢丝层间砂浆厚度（mm）。

3.5 管芯混凝土、砂浆、钢筒及钢丝的折算面积An（mm2/m）

An=Bt+（nY-1）BtY+（ns-nm）*（Ap1+Ap2）+nmB（T-t）

3.6 管芯混凝土对折算后的截面形心轴y0惯性矩：

IC=Bt3/12+Bt（t/2-y0）2

3.7 钢筒对折算后的截面形心轴y0惯性矩：

IY=[（nY-1）*BtY3]/12+（nY-1）*BtY*[（DY-D0-tY）/2-y0]2

3.8 钢丝对折算后的截面形心轴y0惯性矩：

Is={[（ns-nm）*Ap1*d2]/16+（ns-nm）Ap1*[d/2+t+（j-1）*（d+td）-y0]2}+{[（ns-nm）*Ap2*d2]/16+（ns-nm）Ap2*[d/2+t+（j-1）*（d+td）-y0]2}

3.9 砂浆对折算后的截面形心轴y0惯性矩：

Im=nm*B（T-t）3/12+nmB（T-t）*[（T-t）/2+t-y0]2

3.10 管壁对折算后的截面形心轴y0惯性矩：

I=IC+IY+Is+Im

掌握管材運行基本条件及管材制作设计资料，通过以上运算即可计算PCCP管抗裂内、外压检验荷载，在实际生产中非常实用。

参考文献：

[1]]GB/T 19685，预应力钢筒混凝土管[S].

[2]ANSI/AWWA C304，预应力钢筒混凝土管设计标准[S].

[3]CECS 140，给水排水工程埋地预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管道结构设计规程[S].endprint