预应力钢筒混凝土管不同规范结构计算对比分析

赵晓露 孙其臣 张海涛

预应力钢筒混凝土管是在带有钢筒且内壁光滑的混凝土管芯外表面，以一定的拉应力环向缠绕一层或多层钢丝，且多层钢丝之间需喷射一定厚度的砂浆，然后在钢丝最外层表面辊射密实而耐久的砂浆，焊接在钢筒两端的承插口的凹槽能与胶圈相结合形成滑动柔性接头。其英文名称为Prestressed Concrete Cylinder Pipe， 简 称 PCCP。PCCP 按制作工艺可分为两种型式，即内衬式预应力钢筒混凝土管（PCCPL）和埋置式预应力钢筒混凝土（PCCPE）。它充分发挥了钢材的抗拉、易密封和混凝土的抗压、耐腐蚀性能，具有耗钢少、使用寿命长的特点。

1 PCCP 国内外标准发展历程

PCCP 发展至今已经有80 多年历史，国外的结构设计方法已经十分成熟，尤其是美国在该领域的研究成果最为显著。目前美国标准ANSI/AWWA C301 和 ANSI/AWWA C304 普遍使用于各种 PCCP 工程中，标准均于2014 年修订。我国从20 世纪80 年代末引进相关标准和生产设备，大部分工程PCCP生产和设计采用美国的标准。但美国的PCCP 标准并不符合我们的国情，造成了国内PCCP 管道质量检验标准不统一，对设计理念理解不一致等多种问题，导致管道生产质量参差不齐，造成工程隐患。在2002 年，中国建设标准化协会颁布了协会标准CECS 140:2002《给水排水工程埋地管芯缠丝预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管管道结构设计规程》，对PCCP 的结构设计作了规定，该标准于2011 年修订。在2005 年国家颁布了国家标准GB/T 19685—2015《预应力钢筒混凝土管》，该标准于2017 年修订。之后，水利部颁布行业标准SL 702—2015《预应力钢筒混凝土管道技术规范》。

本文就上述3 种现行规范ANSI/AWWA C304、CECS 140、SL702进行结构计算，对结果作对比分析。

2 计算条件

2.1 管道结构参数

管道类型PCCPE：（1）管材内径Di根据设计需要取值；（2） 钢筒外径Dy按照 GB/T 19685—2015《预应力钢筒混凝土管》取值；（3）管芯厚度（包括薄钢筒厚度）hc按照GB/T 19685—2015 预应力钢筒混凝土管取值，并做适当调整；（4）薄钢筒厚度dy=1.5 mm；（5）钢丝直径ds=7 mm，本次计算只考虑单层缠绕；（6）净保护层厚度（不包括钢丝直径）为20 mm。

2.2 材料参数

（1）管芯混凝土设计强度等级按照C60；（2）保护层砂浆抗压强度标准值fm，k=45 MPa；（3）钢筒抗拉伸屈服强度设计值fyy=227.5 MPa；（4）钢筒抗拉强度设计值f*yy=310 MPa；（5）预应力钢丝强度抗拉标准值fsu=1 570 MPa。

2.3 荷载参数

（1）混凝土容重取值24.0 kN/m3，砂浆容重取值23.5 kN/m3，钢材容重取值78.5 kN/m3，水容重取值10 kN/m3，回填土容重取值18.9 kN/m3；（2）管顶覆土厚度H根据计算取值，沟槽管，管基包角90°，土弧基础；（3）作用于管顶地面以上的均布荷载为附加荷载（堆积荷载），按10 kPa 计算；（4） 管材内压值：工作压力Pw；（5） 无地下水；（6）活荷载：活荷载按公路Ⅰ级考虑。活荷载与附加荷载不需同时计入，取其中较大者。

2.4 其他条件

（1） 输送介质: 水库原水；（2） 管材外置时间: 管材置于室外时间（t1）和充水前时间（t2）分别按不少于270 d 和1 080 d 考虑；（3）荷载、荷载组合及其它设计参数：按照相应的规范取值。

3 计算结果及分析

3.1 计算结果

在工作内压Pw取0.6 MPa 的条件下，按3 种规范分别计算不同管径、不同覆土厚度条件下的钢丝截面积，计算参数及结果见表1。

表1 不同管径和覆土厚度时钢丝截面积计算值

在管径取3.6 m 的条件下，按3 种规范分别计算不同覆土厚度、工作内压条件下的钢丝截面积，计算参数及结果见表2。

表1 中符号“—”指单层钢丝已不能满足结构要求，需要缠绕双层钢丝。为便于分析，计算结果不参与比较。差值列中A 指CECS140 计算结果与AWWA C304 计算结果差值百分比，B 指SL702 计算结果与AWWA C304 计算结果差值百分比。表2 类同。

3.2 计算结果分析

通过以上计算结果分析得出以下几点结论：

（1） PCCP 在Pw=0.6 MPa 时，CECS140 计算As值比 AWWA C304 计 算As值 大 4.6% ～38.9% ， SL 702——2015 计 算As值 比 AWWA C304 计 算As值 大0.2%～6.9%。

（2） PCCP 管径取 3.6 m 时，CECS140 计算As值比AWWA C304 计算As值大4.6%～56.1%，SL 702—2015计算As值比AWWA C304计算As值大1.0%～6.9%。

（3）PCCP 在管径和内压相同时，覆土厚度越大 ， CECS140 和 SL 702—2015 计 算As值 与 AWWA C304 计算As值差值越大。

表2 不同覆土厚度和工作内压时钢丝截面积计算值

（4） PCCP 在相同直径时，覆土厚度越大，CECS140 计算As值比 C304 计算As值差值越大；工作内压越大，CECS140 计算As值比 C304 计算As值差值越大。

4 结 语

随着PCCP 在引调水工程广泛使用，选择合适的计算方法既能保证管道的结构安全性，又能节省管道投资费用。通过计算分析，建议PCCP 覆土厚度超过6 m，或工作内压超过1.0 MPa 时，不建议使用CECS140 计算，其计算结果偏大，安全余度较大，造价过高。SL702 和AWWA C304 的计算结果相近，并有适当的安全余度，其计算结果既能保证一定的安全性又符合设计要求。