钢筒型混凝土压力管及其设计方法技术

本发明专利技术涉及压力输水管道技术领域，尤其涉及一种钢筒型混凝土压力管及其设计方法。该钢筒型混凝土压力管，包括内衬层、保护层和钢构组件；钢构组件包括由外表面缠绕有预应力钢丝的钢筒形成的第一钢构和间隔地套设于第一钢构的第二钢构，第二钢构由筒状钢筋笼形成；内衬层贴覆于钢筒的内周侧壁，保护层包覆于钢筒的外周侧壁，第二钢构设置于保护层内。该钢筒型混凝土压力管的设计方法用于设计该钢筒型混凝土压力管。该钢筒型混凝土压力管及其设计方法，预应力钢丝使钢筒其处于大压缩状态而增大钢筒的容许设计应力，从而一方面提高该钢筒型混凝土压力管承受内外压的能力，另一方面减轻对于保护层和内衬层的不利影响。

【技术实现步骤摘要】
钢筒型混凝土压力管及其设计方法
本专利技术涉及压力输水管道
，尤其涉及一种钢筒型混凝土压力管及其设计方法。
技术介绍
近年来不断通过大型的调水项目，完善水利基础设施网络，构件水安全保障体系、加快推进水利现代化建设，这些大型的调水项目都需要优质的大口径压力输水管道。相关技术中，传统的混凝土或砂浆复合钢管(例如大直径管)在钢中的最大工作应力大约为145MPa。限制这种管的容许设计应力的原因是，这种管的内、外混凝土或砂浆保护层的容许应变是有限的。更高的钢应力将使混凝土或砂浆保护层在压力作用下破裂，从而导致形成有害的破裂，对混凝土或砂浆保护层的性能造成不利的影响，甚至可能失效或者以其他方式从钢管内脱落。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种钢筒型混凝土压力管，以在一定程度上解决现有技术中的砂浆复合钢管的内、外混凝土或砂浆保护层的容许应变是有限的，对砂浆保护层造成不利影响并限制最大工作压力的技术问题。本专利技术的第二目的在于提供一种钢筒型混凝土压力管的设计方法，以在一定程度上解决现有技术中的砂浆复合钢管的内、外混凝土或砂浆保护层的容许应变是有限的，对砂浆保护层造成不利影响并限制最大工作压力的技术问题。为了实现上述目的，本专利技术提供了以下技术方案；基于上述第一目的，本专利技术提供的钢筒型混凝土压力管，包括内衬层、保护层和钢构组件；所述钢构组件包括由外表面缠绕有预应力钢丝的钢筒形成的第一钢构和间隔地套设于所述第一钢构的第二钢构，所述第二钢构由筒状钢筋笼形成；所述内衬层贴覆于所述钢筒的内周侧壁，所述保护层包覆于所述钢筒的外周侧壁，所述第二钢构设置于所述保护层内的距离所述第一钢构预定距离处。在上述任一技术方案中，可选地，所述钢筒的厚度为保护层外径的1/240至1/540；所述钢筒的厚度不小于3mm；所述预定距离不小于25mm。在上述任一技术方案中，可选地，所述钢筒的材质为Q235B、Q355B或Q355C钢材；所述筒状钢筋笼的材质为HRB400、HRB500或HRB550钢筋；所述预应力钢丝的材质为抗拉强度为1470MPa-1570MPa的冷拉钢丝。在上述任一技术方案中，可选地，所述筒状钢筋笼包括支撑架和加强架；所述支撑架包括多个沿所述钢筒的轴向延伸的支撑筋，且多个所述支撑筋沿所述钢筒的周向顺次排布；所述加强架包括回转筋，所述回转筋以螺旋形式绕设于所述支撑架的外表面，并与所述支撑架固定连接。在上述任一技术方案中，可选地，所述钢筒包括钢筒本体和分别连接于所述钢筒本体两端的承口钢环和插口钢环，所述承口钢环的内圈与所述插口钢环的外圈相匹配；所述插口钢环的外圈设置有多个环形凹槽，所述环形凹槽内设置有由耐候材料形成的密封件；所述承口钢环和所述插口钢环的外表面均设置有防腐层，所述防腐层由防腐涂料形成；所述防腐涂料为环氧树脂或聚氨酯，所述防腐层的厚度为100-120mm。基于上述第二目的，本专利技术提供的一种钢筒型混凝土压力管的设计方法，具体包括以下步骤：步骤S100，外力分析：计算组合弯矩Mu和组合推力Pu；步骤S200，配筋计算：根据组合弯矩Mu和组合推力Pu计算第一配筋面积Asi和第二配筋面积Aso，所述第一配筋面积Asi为预应力钢丝的配筋面积，所述第二配筋面积Aso为筒状钢筋笼的配筋面积，第一配筋面积Asi和第二配筋面积Aso的表达式如下：Mult＝Mu+Pu*di，当a≤0，当a＞0，fc'＝0.85fc，其中，di为预应力钢丝与保护层的外圈的径向距离，fyi为钢筒的屈服强度，fyb为筒状钢筋笼的屈服强度，fc为混凝土的抗压强度，fc’为混凝土的圆柱抗压强度；do为筒状钢筋笼与内衬层的内圈的径向距离，do’为筒状钢筋笼与保护层的外圈的径向距离，di’为预应力钢丝与内衬层的内圈的径向距离；步骤S300，预应力计算：对预应力钢丝进行预压应力计算，确定预应力钢丝的截面积；步骤S400，重新分配：根据内压确定钢构截面积的取值范围，并根据钢构截面积和预应力钢丝的截面积分配筒状钢筋笼的钢筋截面积分配钢筒的截面积；步骤S500，校核：确保管道剪切应力Vs不超过管道的剪切许用应力Vc，确保第一配筋面积Asi和第二配筋面积Aso均不小于相应的最小配筋面积。在上述任一技术方案中，可选地，所述外力分析的步骤S100具体包括以下步骤：步骤S101，确定n个荷载Fi，以及每个荷载Fi对应的组合系数Ki；步骤S102，计算m种荷载组合Wi下的组合弯矩Mu和组合推力Pu，在每种荷载组合下组合弯矩Mu和组合推力Pu关于荷载Fi关系如下：Fu＝Cni*∑(Fi*Ki),Mi＝Fi*Ri，Mu＝Cmi*∑(Mi*Ki)，其中，Cni为Olander推力系数，Cmi为Olander弯矩系数，Ri为载荷Fi施力位置对应的半径。在上述任一技术方案中，可选地，所述预应力计算的步骤S300具体包括以下步骤：步骤S301，根据混凝土的抗压强度fc计算初始预压应力fic，初始预压应力fic的表达式如下：ni＝109*(145*fc)-0.3，ni'＝117*(145*fc)-0.3，其中，Abi为预应力钢丝的截面积，Ay为钢筒的截面积，Aci为内衬层的截面积，fsg预应力钢筋缠丝控制应力；步骤S302，根据初始预压应力fic计算最终预压应力fcr，最终预压应力fcr的表达式如下：nr＝93*(145*fc)-0.3，nr'＝99*(145*fc)-0.3，其中，Aci为内衬层的截面积，Ey为钢筒的弹性模量，s为钢筒收缩系数，φ为钢筒徐变系数；步骤S303，根据最终预压应力fcr计算管道的零压应力P0，管道的零压应力P0的表达式如下：其中，为钢筒外径；步骤S304，根据管道的零压应力P0分别计算内衬层的开裂应力Pki和保护层的开裂应力Pko，内衬层的开裂应力Pki和保护层的开裂应力Pko的表达式如下：其中，εk为混凝土最大极限应变，εcr为缠丝时内衬层的应变，εso为保护层的应变，Abo为筒状钢筋笼的截面面积，Do为管道外径，tc为外层钢筋保护层厚度，hco为保护层的厚度，Ey为钢筒的弹性模量，Ec为筒状钢筋笼的弹性模量；步骤S305，根据内衬层的开裂应力Pki和保护层的开裂应力Pko计算管道开裂应力Pk，管道开裂应力Pk的表达式如下：Pk＝Pki+Pko；步骤S306，以管道开裂应力Pk不大于管道工作压力Pw为第一条件，计算选用的预应力钢丝的截面积Abi。在上述任一技术方案中，可选地，所述重新分配的步骤S400具体包括以下步骤：步骤S401，根据内压计算钢构面积Ap的取值范围，其中钢构面积最小值Apmin和钢构面积最大值Apmax的表达式如下：fsmax＝0.7*fyi，fsmin本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钢筒型混凝土压力管，其特征在于，包括内衬层、保护层和钢构组件；/n所述钢构组件包括由外表面缠绕有预应力钢丝的钢筒形成的第一钢构和间隔地套设于所述第一钢构的第二钢构，所述第二钢构由筒状钢筋笼形成；/n所述内衬层贴覆于所述钢筒的内周侧壁，所述保护层包覆于所述钢筒的外周侧壁，所述第二钢构设置于所述保护层内的距离所述第一钢构预定距离处。/n

【技术特征摘要】
1.一种钢筒型混凝土压力管，其特征在于，包括内衬层、保护层和钢构组件；
所述钢构组件包括由外表面缠绕有预应力钢丝的钢筒形成的第一钢构和间隔地套设于所述第一钢构的第二钢构，所述第二钢构由筒状钢筋笼形成；
所述内衬层贴覆于所述钢筒的内周侧壁，所述保护层包覆于所述钢筒的外周侧壁，所述第二钢构设置于所述保护层内的距离所述第一钢构预定距离处。


2.根据权利要求1所述的钢筒型混凝土压力管，其特征在于，
所述钢筒的厚度为所述保护层外径的1/240至1/540；
所述钢筒的厚度不小于3mm；
所述预定距离不小于25mm。


3.根据权利要求2所述的钢筒型混凝土压力管，其特征在于，所述钢筒的材质为Q235B、Q355B或Q355C钢材；
所述筒状钢筋笼的材质为HRB400、HRB500或HRB550钢筋；
所述预应力钢丝的材质为抗拉强度为1470MPa-1570MPa的冷拉钢丝；
所述内衬层由混凝土或水泥砂浆成型；
所述保护层由混凝土成型。


4.根据权利要求1所述的钢筒型混凝土压力管，其特征在于，所述筒状钢筋笼包括支撑架和加强架；所述支撑架包括多个沿所述钢筒的轴向延伸的支撑筋，且多个所述支撑筋沿所述钢筒的周向顺次排布；
所述加强架包括回转筋，所述回转筋以螺旋形式绕设于所述支撑架的外表面，并与所述支撑架固定连接。


5.根据权利要求4所述的钢筒型混凝土压力管，其特征在于，所述钢筒包括钢筒本体和分别连接于所述钢筒本体两端的承口钢环和插口钢环，所述承口钢环的内圈与所述插口钢环的外圈相匹配；
所述插口钢环的外圈设置有多个环形凹槽，所述环形凹槽内设置有由耐候材料形成的密封件；
所述承口钢环和所述插口钢环的外表面均设置有防腐层，所述防腐层由防腐涂料形成；
所述防腐涂料为环氧树脂或聚氨酯，所述防腐层的厚度为100-120mm。


6.一种钢筒型混凝土压力管的设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S100，外力分析：计算组合弯矩Mu和组合推力Pu；
步骤S200，配筋计算：根据组合弯矩Mu和组合推力Pu计算第一配筋面积Asi和第二配筋面积Aso，所述第一配筋面积Asi为预应力钢丝的配筋面积，所述第二配筋面积Aso为筒状钢筋笼的配筋面积，第一配筋面积Asi和第二配筋面积Aso的表达式如下：
Mult＝Mu+Pu*di，
当a≤0，
当a＞0，fc'＝0.85fc，
其中，di为预应力钢丝与保护层的外圈的径向距离，fyi为钢筒的屈服强度，fyb为筒状钢筋笼的屈服强度，fc为混凝土的抗压强度，fc’为混凝土的圆柱抗压强度；do为筒状钢筋笼与内衬层的内圈的径向距离，do’为筒状钢筋笼与保护层的外圈的径向距离，di’为预应力钢丝与内衬层的内圈的径向距离；
步骤S300，预应力计算：对预应力钢丝进行预压应力计算，确定预应力钢丝的截面积；
步骤S400，重新分配：根据内压确定钢构截面积的取值范围，并根据钢构截面积和预应力钢丝的截面积分配筒状钢筋笼的钢筋截面积分配钢筒的截面积；
步骤S500，校核：确保管道剪切应力Vs不超过管道的剪切许用应力Vc，确保第一配筋面积Asi和第二配筋面积Aso均不小于相应的最小配筋面积。


7.根据权利要求6所述的钢筒型混凝土压力管的设计方法，其特征在于，所述外力分析的步骤S100具体包括以下步骤：
步骤S101，确定n个荷载Fi，以及每个荷载Fi对应的组合系数Ki；
步骤S102，计算m种荷载组合Wi下的组合弯矩Mu和组合推力Pu，在每种荷载组合下组合弯矩Mu和组合推力Pu关于荷载Fi关系如下：
Fu＝Cni*∑(Fi*Ki),Mi＝Fi*Ri，
Mu＝Cmi*∑(M...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔卫祥，张宪伟，安波，宋克军，孙兆斌，高文博，
申请(专利权)人：宁夏青龙管业集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：宁夏;64