一种水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计方法技术

本发明专利技术涉及一种水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计方法，包括以下步骤：根据水域盾构隧道穿越管道充水运营工况计算管道的延米漂浮设计荷载q；根据管道材料特性、输送介质特性及管道运营环境条件确定管道跨距L；确定抗漂浮锚固件的抗漂浮设计荷载Q；根据铺底混凝土配重层高度h，确定铺底混凝土配重层长度L

GFRP anti floating design method for water shield tunnel crossing pipeline

The invention relates to a water shield tunnel crossing pipeline GFRP anti floating design method, which comprises the following steps: according to the calculation of water filling pipeline operating conditions of the waters of shield tunnel design Q floating load meter; pipeline span L medium is determined according to the characteristics and operation of pipeline material properties, environmental conditions of pipeline transportation; Determination of anti floating anti floating design load Q anchor bed; according to the concrete weight layer height h, determine the bedding concrete weight layer length L

【技术实现步骤摘要】
一种水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计方法
本专利技术涉及管道一种水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计方法，属于管道工程

技术介绍
目前，隧道内管道抗漂浮管卡和连接件通常采用普通钢构件加防腐措施(如牺牲阳极和膏状物包覆的联合防护方案)或者是不锈钢构件。对于普通钢构件的管卡，无论采用何种防腐措施，除了防腐施工自身质量难以保证外，管卡运输、安装施工都难免会对防腐结构造成损伤。对于牺牲阳极保护，对规则形状的管卡有一定的防护作用，但对于非规则构件，如螺栓、铰接结构等连接部件，其与主结构件之间的接触电阻较大，其表面电流分布不均，牺牲阳极无法对其进行有效的保护作用，其防护效果不好。同时，采用膏状物包敷螺栓等连接件，也存在密封不严诱发缝隙腐蚀。而对于不锈钢构件方案，除投资高外，其使用条件也受到一定限制。以海底隧道穿越为例，由于海水中高浓度氯盐的存在，不锈钢连接构件的腐蚀更加难以控制，传统的不锈钢单一防腐措施很难达到腐蚀控制效果。由于管道支墩采用普通碳钢钢筋，不锈钢锚固件与碳钢钢筋连接，两者存在因电位差导致的电偶腐蚀问题，这将大大加速钢筋腐蚀速度。这种电偶腐蚀可能造成钢筋锈蚀而管道支墩及其他锚固设施失效。而GFRP是以高分子树脂为基体，以玻璃纤维为增强体复合而成的复合材料，具有强度高、重量轻、耐腐蚀等优良特性，可作为钢筋、钢锚杆及钢质锚固件的替代材料等在国内煤炭、交通、市政领域有着一定的应用，形成了《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》GB50608-2010等标准。
技术实现思路
为解决钢质管卡与连接件存在的腐蚀和防护难题，本专利技术的目的在于提供一种无腐蚀的水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计方法，为以后满足使用要求的管道工程抗漂浮提供设计和计算方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计方法，包括以下步骤：步骤1，根据水域盾构隧道穿越管道充水运营工况计算管道的延米漂浮设计荷载q；步骤2，根据管道材料特性、输送介质特性及管道运营环境条件确定管道跨距L；步骤3，根据步骤1确定的管道延米漂浮设计荷载q及步骤2确定的管道跨距L，确定抗漂浮锚固件的抗漂浮设计荷载Q，其中抗漂浮锚固件包括铺底混凝土配重层，管道通过管卡固定在铺底混凝土配重层上，所述管卡沿管道的两侧分别设有与GFRP锚固螺杆相对应的螺栓孔；步骤4，根据步骤3中的抗漂浮锚固件的抗漂浮设计荷载Q和铺底混凝土配重层高度h，确定铺底混凝土配重层长度L1；步骤5，对铺底混凝土配重层进行配筋计算与设计；步骤6，确定GFRP锚固螺杆的数量n；步骤7，根据步骤6确定的单侧GFRP锚固螺杆数量n/2，结合GFRP锚固螺杆施工空间要求，确定管卡的长度B；根据抗漂浮锚固件的抗漂浮设计荷载Q和GFRP锚固螺杆的抗拉设计强度fu计算确定管卡厚度b；根据单个GFRP锚固螺杆拉力N和GFRP锚固螺杆的抗剪设计强度fv计算确定管卡底板厚度a；步骤8，完成水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计。进一步的，步骤1中的管道的延米漂浮设计荷载q根据下式计算：式中，q为管道延米漂浮设计荷载，k为抗漂浮稳定系数，OD为管道外直径(m)，ID为管道内径(m)，ρw为水密度(kg/m3)，ρg为输送介质密度(kg/m3)，Gp为管道延米重量(N/m)。进一步的，步骤3中抗漂浮锚固件的抗漂浮设计荷载Q根据下式计算得到：Q＝qL。进一步的，步骤4中确定铺底混凝土配重层长度L1包括以下步骤：步骤4.1，确定铺底混凝土配重层的延米配重Gh：式中，Rt为盾构隧道内直径(m)，h为铺底混凝土配重层高度(m)，L1为铺底混凝土配重层长度(m)，ρh为铺底混凝土配重层密度(kg/m3)，ρw为水密度(kg/m3)；步骤4.2，确定铺底混凝土配重层长度L1：进一步的，步骤5中对铺底混凝土配重层进行配筋计算与设计包括以下步骤：步骤5.1，确定GFRP锚固螺杆的抗拉设计强度fu：式中，fk为GFRP锚固螺杆的抗拉设计强度标准值，γs为GFRP材料的抗拉强度标准值保证率，γ1为GFRP材料的分项系数，γe为GFRP材料的环境影响系数；步骤5.2，确定铺底混凝土配重层顶部GFRP受拉钢筋面积As：式中，As为铺底混凝土配重层顶部GFRP受拉钢筋面积(m2)，Gh为铺底混凝土配重层的延米配重(N/m)，L1为铺底混凝土配重层长度(m)，h为铺底混凝土配重层高度(m)，as为铺底混凝土配重层顶部GFRP受拉钢筋保护层厚度(m)。进一步的，步骤6中确定GFRP锚固螺杆的数量n包括以下步骤：步骤6.1，设定GFRP锚固螺杆的数量n，根据GFRP锚固螺杆的数量n确定单个GFRP锚固螺杆拉力N和GFRP锚固螺杆公称外径d：步骤6.2，由GFRP锚固螺杆公称外径d根据下式计算确定GFRP锚固螺杆在铺底混凝土配重层内的最小锚固长度La：验证铺底混凝土配重层最短侧锚固空间是否满足最小锚固长度La；步骤6.3，当铺底混凝土配重层最短侧锚固空间满足最小锚固长度La时，所设定的GFRP锚固螺杆的数量n满足要求；当所述GFRP锚固螺杆的锚固长度La因空间受限无法满足时，则在所述GFRP锚固螺杆底部加设墩头或双螺母，GFRP墩头锚固螺杆的最小锚固力NL、GFRP墩头锚固螺杆的数量n、GFRP墩头锚固螺杆的墩头高度hL分别为：式中，La为GFRP锚固螺杆在铺底混凝土配重层内的最小锚固长度(m)，fu为GFRP锚固螺杆的抗拉设计强度，k1为GFRP锚固螺杆设计安全系数，k2为GFRP锚固螺杆设计抗拔安全系数，ft为铺底混凝土配重层的轴心抗拉设计强度，D为GFRP墩头锚固螺杆的墩头外径，hL为GFRP墩头锚固螺杆的墩头高度，fv为GFRP锚固螺杆的抗剪设计强度。进一步的，GFRP墩头锚固螺杆的墩头外径D为1.7d。进一步的，步骤7中所述GFRP锚固螺杆施工空间要求为GFRP锚固螺杆中心间距不小于2.5d，GFRP锚固螺杆中心距管卡的边缘不小于1.5d。进一步的，管卡厚度b和管卡底板厚度a分别根据下式计算得到：fu为GFRP锚固螺杆的抗拉设计强度，fv为GFRP锚固螺杆的抗剪设计强度。进一步的，所述GFRP锚固螺杆沿管道的两侧布置，且每侧GFRP锚固螺杆的个数为奇数。本专利技术的有益效果为：本专利技术针对管道工程水域盾构隧道穿越管道提出了无腐蚀的GFRP抗漂浮设计方案，为今后GFRP抗漂浮体系在水域盾构隧道穿越管道工程的应用奠定了基础。附图说明图1为本专利技术所述水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮装置结构示意图；图2为本专利技术所述GFRP紧固件结构示意图；图3a和图3b分别为GFRP管卡参数示意图；图4为本专利技术所述GFRP管支座结构示意图；其中，1-GFRP管卡，2-GFRP管支座，3-GFRP紧固件，4-GFRP螺帽，5-GFRP螺杆，6-GFRP端头，7-管道。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例某输气管道工程管道外直径OD为1219mm，管道内直径ID为1182mm，管道延米重量Gp为5370N/m，介质密度为70kg/m3。盾构隧道直径为3.08m，隧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据水域盾构隧道穿越管道充水运营工况计算管道的延米漂浮设计荷载q；步骤2，根据管道材料特性、输送介质特性及管道运营环境条件确定管道跨距L；步骤3，根据步骤1确定的管道延米漂浮设计荷载q及步骤2确定的管道跨距L，确定抗漂浮锚固件的抗漂浮设计荷载Q，其中抗漂浮锚固件包括铺底混凝土配重层，管道通过管卡固定在铺底混凝土配重层上，所述管卡沿管道的两侧分别设有与GFRP锚固螺杆相对应的螺栓孔；步骤4，根据步骤3中的抗漂浮锚固件的抗漂浮设计荷载Q和铺底混凝土配重层高度h，确定铺底混凝土配重层长度L

【技术特征摘要】
1.一种水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据水域盾构隧道穿越管道充水运营工况计算管道的延米漂浮设计荷载q；步骤2，根据管道材料特性、输送介质特性及管道运营环境条件确定管道跨距L；步骤3，根据步骤1确定的管道延米漂浮设计荷载q及步骤2确定的管道跨距L，确定抗漂浮锚固件的抗漂浮设计荷载Q，其中抗漂浮锚固件包括铺底混凝土配重层，管道通过管卡固定在铺底混凝土配重层上，所述管卡沿管道的两侧分别设有与GFRP锚固螺杆相对应的螺栓孔；步骤4，根据步骤3中的抗漂浮锚固件的抗漂浮设计荷载Q和铺底混凝土配重层高度h，确定铺底混凝土配重层长度L1；步骤5，对铺底混凝土配重层进行配筋计算与设计；步骤6，确定GFRP锚固螺杆的数量n；步骤7，根据步骤6确定的单侧GFRP锚固螺杆数量n/2，结合GFRP锚固螺杆施工空间要求，确定管卡的长度B；根据抗漂浮锚固件的抗漂浮设计荷载Q和GFRP锚固螺杆的抗拉设计强度fu计算确定管卡厚度b；根据单个GFRP锚固螺杆拉力N和GFRP锚固螺杆的抗剪设计强度fv计算确定管卡底板厚度a；步骤8，完成水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计。2.根据权利要求1所述的水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计方法，其特征在于，步骤1中的管道的延米漂浮设计荷载q根据下式计算：式中，q为管道延米漂浮设计荷载，k为抗漂浮稳定系数，OD为管道外直径(m)，ID为管道内径(m)，ρw为水密度(kg/m3)，ρg为输送介质密度(kg/m3)，Gp为管道延米重量(N/m)。3.根据权利要求1所述的水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计方法，其特征在于，步骤3中抗漂浮锚固件的抗漂浮设计荷载Q根据下式计算得到：Q＝qL。4.根据权利要求1所述的水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计方法，其特征在于，步骤4中确定铺底混凝土配重层长度L1包括以下步骤：步骤4.1，确定铺底混凝土配重层的延米配重Gh：式中，Rt为盾构隧道内直径(m)，h为铺底混凝土配重层高度(m)，L1为铺底混凝土配重层长度(m)，ρh为铺底混凝土配重层密度(kg/m3)，ρw为水密度(kg/m3)；步骤4.2，确定铺底混凝土配重层长度L1：5.根据权利要求1所述的水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计方法，其特征在于，步骤5中对铺底混凝土配重层进行配筋计算与设计包括以下步骤：步骤5.1，确定GFRP锚固螺杆的抗拉设计强度fu：式中，fk为GFRP锚固螺杆的抗拉设计强度标准值，γs为GFRP材料的抗拉强度标准值保证率，γ1为GFRP材料的分项系数，γe为GFRP材料的环境影响系数；...

【专利技术属性】
技术研发人员：程梦鹏，茹志敏，王健，陆江，王鸿，吴文，滕爱君，耿晓梅，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司，中国石油管道局工程有限公司，中国石油管道局工程有限公司设计分公司，
类型：发明
国别省市：北京,11