竇鐵生：國(guó)內(nèi)外PCCP設(shè)計(jì)方法對(duì)比分析

　　2013年8月17日，第二屆全國(guó)預(yù)應(yīng)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(kāi)。本次高峰論壇以"創(chuàng)新管理 提升質(zhì)量 服務(wù)國(guó)家重點(diǎn)工程"為主題，圍繞PCCP產(chǎn)品制造技術(shù)、生產(chǎn)管理、施工技術(shù)與工程管理等方面展開(kāi)培訓(xùn)與研討。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料研究所副所長(zhǎng)、教授級(jí)高級(jí)工程師竇鐵生以《國(guó)內(nèi)外PCCP設(shè)計(jì)方法對(duì)比分析》為題做報(bào)告。他圍繞國(guó)內(nèi)PCCP工程設(shè)計(jì)現(xiàn)狀、設(shè)計(jì)原則和計(jì)算方法、國(guó)內(nèi)外規(guī)范規(guī)定差異、PCCP的設(shè)計(jì)軟件等方面進(jìn)行介紹。

　　國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

　　1893年，巴黎總工程師邦納設(shè)計(jì)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(shè)工程。

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

　　1942年，美國(guó)羅克昭公司對(duì)PCCP的技術(shù)和理論做了深入的研究，開(kāi)始研究發(fā)展PCCP。

　　1992年，美國(guó)ANSI和AWWA發(fā)布C301和C304標(biāo)準(zhǔn)。

　　2007年，對(duì)C301和C304進(jìn)行修訂，并把PCCP的相關(guān)參數(shù)計(jì)算方法引入AWWA M9。

　　國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

　　20世紀(jì)八十年代末，引進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)設(shè)備。

　　1996年，國(guó)家建材局頒布了《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管生產(chǎn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》JC 625-1996。

　　2002年，頒布了《給水排水工程埋地管芯纏絲預(yù)應(yīng)力混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》CECS 140:2002，并于2011年修訂。

　　2005年，國(guó)家頒布了標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)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(guò)程中，預(yù)計(jì)2013年底能夠頒布發(fā)行。

　　國(guó)內(nèi)PCCP工程設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

　　預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）在工程應(yīng)用中，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算一直是使用者最關(guān)心的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)大部分工程設(shè)計(jì)人員是按照《ANSI/AWWA C301》和《ANSI/AWWAC304》這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)和制造"預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土壓力管（PCCP）"。但是AWWA C304、C301等標(biāo)準(zhǔn)是基于美國(guó)國(guó)內(nèi)的原材料質(zhì)量水平、試驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)理念、生產(chǎn)水平等所制定，并引用了眾多的美國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。因此基于我國(guó)國(guó)情考慮，要做到完全采用AWWA標(biāo)準(zhǔn)是根本不可能的，往往造成不同工程具有不同質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、同一工程不同人員對(duì)有關(guān)問(wèn)題的理解不能完全統(tǒng)一，其結(jié)果是管道制造質(zhì)量水平參差不齊，可能造成工程隱患。也有工程采用中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《給水排水工程埋管芯纏絲預(yù)應(yīng)力混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CECS140：2011）。

　　設(shè)計(jì)原則和計(jì)算方法

　　1、ANSI/AWWA C304

　　2、按《SL191-2008》規(guī)定的計(jì)算方法

　　3、CECS140：2011

　　4、《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范（送審稿）》

　　設(shè)計(jì)原則和計(jì)算方法1：ANSI/AWWA C304

　　ANSI/AWWA C304《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土壓力管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》最初版本是ANSI/AWWA C304-92，中間經(jīng)過(guò)ANSI/AWWA C304-1999版本進(jìn)行了修訂，目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)工程都是以此版標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的。本標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)設(shè)計(jì)方法A和工作應(yīng)力設(shè)計(jì)方法B；（2）基于state-of-the-art（最先進(jìn)技術(shù)）對(duì)混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析；（3）對(duì)PCCP的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)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(guó)混凝土壓力管工業(yè)40年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；（5）在工作條件附加瞬時(shí)條件情況下避免可見(jiàn)裂縫的產(chǎn)生；（6）提出基于彈性極限狀態(tài)和強(qiáng)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(shí)荷載及內(nèi)壓時(shí)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(shè)計(jì)準(zhǔn)則。極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，可以保證管子在可能發(fā)生可見(jiàn)裂縫的特殊情況下，管壁預(yù)壓應(yīng)力和強(qiáng)度有足夠的安全余量。

　　三種極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：工作極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、彈性極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和強(qiáng)度極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。工作極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則旨在消除（1）工作荷載和內(nèi)壓作用時(shí)管芯混凝土出現(xiàn)微裂縫（2）控制保護(hù)層砂漿出現(xiàn)微裂縫。該準(zhǔn)則同樣消除工作荷載、附加瞬時(shí)荷載和內(nèi)壓作用時(shí)管芯和保護(hù)層出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫。該準(zhǔn)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(hù)層裂縫控制；4．管芯壓縮控制；5．最大內(nèi)壓控制。在標(biāo)準(zhǔn)工作荷載下保證管道正常運(yùn)行的情況。

　　彈性極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則定義為工作荷載、附加瞬時(shí)荷載和內(nèi)壓組合條件下，也即假設(shè)預(yù)應(yīng)力管在瞬時(shí)條件下欲開(kāi)裂時(shí)，管件應(yīng)具備足夠彈性以防止發(fā)生破壞或預(yù)應(yīng)力損失。該準(zhǔn)則應(yīng)滿足如下目的：1．鋼絲應(yīng)力控制；2．薄鋼筒應(yīng)力控制。管道材料出現(xiàn)非線性拐點(diǎn)的特定情況。

　　強(qiáng)度極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則定義為保證管件抵御預(yù)應(yīng)力鋼絲屈服；混凝土管芯在外荷載下開(kāi)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(qiáng)度極限狀態(tài)。該準(zhǔn)則作用如下：1．鋼絲屈服強(qiáng)度控制；2．管芯抗壓強(qiáng)度控制；3．開(kāi)裂壓力控制；4．保護(hù)層粘接強(qiáng)度控制。在極端荷載時(shí)保證管道安全運(yùn)行的特定情況。

　　PCCP的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)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(diǎn)為：1．是一個(gè)基于混凝土結(jié)構(gòu)方面技術(shù)發(fā)展水平和結(jié)構(gòu)工程實(shí)踐導(dǎo)出的方法；2．方法中采納的參數(shù)均來(lái)自于預(yù)應(yīng)力管及相應(yīng)制管材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；3．是經(jīng)LCP和ECP組合荷載及三點(diǎn)法試驗(yàn)證明了的可行方法。

　　PCCP管道的設(shè)計(jì)以變形控制為基礎(chǔ)，分別控制應(yīng)力和應(yīng)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(hù)層的裂縫。

　　據(jù)美國(guó)結(jié)構(gòu)工程師的研究，混凝土受拉應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程可分為三個(gè)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(yīng)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(jī)的、細(xì)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(jié)構(gòu)仍可承擔(dān)拉應(yīng)力。

　　當(dāng)混凝土拉應(yīng)力下降為0時(shí)，即進(jìn)入裂縫狀態(tài)。隨著應(yīng)變的增加，通常可以用肉眼直接看到。Kenllison將其量化為：微裂縫寬度為0.025mm；可見(jiàn)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(yán)格的，這也是PCCP能夠保持高保證率、長(zhǎng)使用壽命的關(guān)鍵所在。[Page]

　　設(shè)計(jì)原則和計(jì)算方法2：按《SL191-2008》規(guī)定的計(jì)算方法

　　為了編制水利行業(yè)的PCCP規(guī)范，因?yàn)榈谝话嬉?guī)范草稿被規(guī)范審查委員會(huì)否定，要求按照《SL191-2008》重新編制。按極限狀態(tài)方法設(shè)計(jì)，除對(duì)管道整體穩(wěn)定驗(yàn)算外，均采用安全系數(shù)K設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　PCCP結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。承載能力極限狀態(tài)的管道結(jié)構(gòu)驗(yàn)算包括：主要進(jìn)行管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算及管道敷設(shè)方向改變處的抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算。正常使用極限狀態(tài)的管道結(jié)構(gòu)驗(yàn)算包括：保證管芯混凝土及砂漿保護(hù)層不出現(xiàn)裂縫并滿足應(yīng)力要求。該方法在進(jìn)行PCCP結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析時(shí)，只能按彈性體系計(jì)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(xué)作用，鋼筒無(wú)法參與強(qiáng)度計(jì)算。在荷載計(jì)算、工況組合、內(nèi)力分析以及截面計(jì)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(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土的預(yù)應(yīng)力損失，主要由鋼絲預(yù)應(yīng)力松馳和混凝土收縮徐變兩項(xiàng)組成。依據(jù)《SL191-2008》PCCP的設(shè)計(jì)方法，給一個(gè)固定系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，不考慮濕度、時(shí)間以及混凝土性能的影響。也無(wú)法根據(jù)生產(chǎn)中使用的骨料和水泥的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)彈性模量設(shè)計(jì)值進(jìn)行修正。

　　根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》SL191-2008條文說(shuō)明3.1.1規(guī)定：考慮到水工混凝土結(jié)構(gòu)中，除材料強(qiáng)度和少數(shù)荷載采用實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)資料外，不少荷載無(wú)法取得實(shí)測(cè)資料，難以體現(xiàn)真正概率意義上的荷載變異性，同時(shí)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL5077-1997）又對(duì)每一種荷載都給出了各自不同的荷載分項(xiàng)系數(shù)，使設(shè)計(jì)計(jì)算變得比較繁瑣，此外，SL/T 191-96缺乏一個(gè)直觀的總的安全度。

　　設(shè)計(jì)原則和計(jì)算方法3：CECS140-2011

　　CECS關(guān)于PCCP的設(shè)計(jì)規(guī)范《埋地預(yù)應(yīng)力砼管和預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》CECS140-2011，其PCCP結(jié)構(gòu)計(jì)算原理依據(jù)《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50332-2002中的計(jì)算方法，在荷載計(jì)算、工況組合、內(nèi)力分析以及截面計(jì)算等方面與《ANSI/AWWA C304》有很大差異。

　　CECS140無(wú)法考慮混凝土管芯、預(yù)應(yīng)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(shí)間以及混凝土性能的影響也無(wú)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(shè)計(jì)原則和計(jì)算方法4：《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范（送審稿）》中的設(shè)計(jì)方法

　　本規(guī)范結(jié)構(gòu)計(jì)算部分主要參考ANSI/AWWA C304中的方法，同時(shí)充分考慮國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況，《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范（送審稿）》中材料參數(shù)、荷載分類(lèi)以及活荷載計(jì)算等均采用國(guó)內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

　　PCCP結(jié)構(gòu)計(jì)算部分采用ANSI/AWWAC304中三種極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：工作極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、彈性極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和強(qiáng)度極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則?？紤]內(nèi)壓、外荷載、管重及管內(nèi)水重的綜合影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以變形控制為基礎(chǔ)，分別控制應(yīng)力和應(yīng)變，核心是控制管芯混凝土和外部砂漿保護(hù)層的裂縫。

　　PCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)各種與混凝土和砂漿變形有關(guān)的因素均進(jìn)行了相應(yīng)的考慮。特別是建立在混凝土等材料的長(zhǎng)期性、耐久性研究基礎(chǔ)上，對(duì)徐變和收縮變形的進(jìn)行預(yù)測(cè)，保證了PCCP結(jié)構(gòu)的使用壽命。

　　采用《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guó)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(jì)算結(jié)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(lái)越大，甚至達(dá)到了30%；方法3的計(jì)算結(jié)果表示，在覆土達(dá)到5m、7m的厚度時(shí)，比方法1計(jì)算結(jié)果大10%以上；但方法4計(jì)算結(jié)果與方法1鋼筋面積計(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié)果隨著覆土厚度增大與方法1的計(jì)算結(jié)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(dá)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(shí)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(jì)算結(jié)果過(guò)于保守，除了鋼絲面積增大外，管芯厚度也相應(yīng)增加，出現(xiàn)不合理的管芯厚度。