钢筋混凝土排水管适用工程条件计算分析.pdf
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1、2 0 1 0年第 1 期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 0 No1 F e b r u a r y 钢筋混凝土排水管适用工程条件计算分析 许广存 , 沈丽华 , 王贯 明 ( 1 北京 市市政 工程研 究 院 , 1 0 0 0 3 7 ; 2 苏州 混凝 土水泥 制品研 究 院 , 2 1 5 0 0 4 ) 摘要 : G B ff 1 1 8 3 6 2 0 0 9 混凝土和钢筋混凝 土排水管 国家标准已发布实施 。本文介绍了我 国钢筋混凝土排水管各级管的 计算条件 , 并对各级别钢筋混凝土排水管在
2、不同基础形式 、 不 同基础支承角下 的允许最高覆土进行 了计算分析 , 指 出 I 级管 宜采 用混凝土基础 , 砂( 土) 弧基础施工应根据覆土情况选用 、 级管。 关键词: 钢筋混凝土排水管 ; 管子级 别; 截面配筋 ; 覆土高度; 基础形式 ; 基础支承角 中图分类号 : T U 5 2 5 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 0 ) 0 1 2 2 0 6 0前 言 我 国钢筋混凝 土排水管标准分级是依据给定 的工 程条件制订 的,每一个级别对应一个管顶覆土高度和 一 种基础形式 。管道设计则根据 工程覆 土条件采取混 凝 土或砂 ( 土
3、 ) 弧基础 , 并采取不 同的基础支撑角 , 调整 管材 承载能力 , 达到经济合理地使用管材 。 许多混凝土 管材生产厂家往往不知道 自己的产 品适应 怎样 的工程 条件 ,而现实经常有买方要求生 产厂家 提供这方 面的 数据。本来这是设计的任务 ,却反过来 要生产 厂家提 供 , 这是不能 回避 的现状。因此 , 我们有 必要了解这方 面的知识 。 钢筋混凝土排水管标准 的制定原则 ,可以是将 管 子结构尺寸固定 、 配筋面积 固定 , 不和工程使用条件直 接相联系 ,工程设计是 由设计人员根据管子配筋核算 适用条件。这种制标方法如美 国建材协会的钢筋混凝 土管 C 7 6标准 、前苏联
4、 r O C T 2 2 0 0 0标准 都是在标准正 文对 每个 级别 的管子 给 出了相应 最小 配筋 面积 的规 定 。 我 国标准则是规定 了每个级别管的计算条件 , 管截 面配筋需要根据现行规范进行计算 。有关部 门可根据 计算条件作出管道设计标 准图 ,设计 院也可根据管子 的设计条件确定工程应用 条件 。这种制标方法方便 了 工程设计使用 ,因管子的工程适用条件不 随有关规范 的修订或新规范的制订而改变 ,但要求 管子配 筋跟着 有关设计规范 的修订 、 制订 而重新计算 。 根据我 国排水 管标准制订原则 ,我们 可以比较方 便地核算 出各级别管的适 用覆土条件。如混凝 土基础
5、 或砂 ( 土) 弧基础在不同支撑角度 时管子允许 的最高覆 土 H。这种核算不 很复杂 , 但较繁琐 , 由于管截面主要 受力筋是依据受弯构件计算 ,所以按等弯矩计 算原则 就可以核算得 出需要 的数据。 在核算 时, 设定的计算条 件如混凝土强度等 级 、 钢筋设 计强度 、 钢筋直径 、 混凝 土保护层等与 国标管计算取同一数值时 ,则等弯矩也 一 22一 等 同于等配筋面积。 因弯矩数字 比较大 , 不如用钢筋面 积做 比较容易分辨 ,本文将计算钢筋 面积与计算弯矩 均列 出。 只要配筋面积等同于标准管的配筋面积 , 则认 定该覆土是在该基础条 件下 的允许最高覆土。 经核算 , 不同
6、管径在 同一基 础条件下 的允 许覆土相 差不大 , 本 文取 直径 0 2 0 0 0 mm管进行计算分析。 本文提供的都是理 论数据 的分析 ,管子 的真实受 力和基础 的施工质 量有着很 大的关 系 , 尤其 是砂 ( 土 ) 弧基 础。 在选用管材时如何考虑工程 的安全度 , 还有赖 于设 计方 面的经验和规定。 本文提供 了 I、 、 级管 , 采用混凝 土基础和砂 ( 土 ) 弧基础分别在支撑角为 9 O 。 、 1 2 0 。 、 1 5 0 。 、 1 8 0 。 时 的允许 最高覆土核 算值 。供混凝 土 管生产企业参考 。 1 国标管截面配筋计算 1 1 给定的各级管设计条
7、件 G B Tl 1 8 3 6国标编制说 明对于各 级别管分别给出 了计算条件 ,在按 给定条件下计算 出管截面配筋后再 核算 管内壁裂缝宽度 W 必须小 于 0 2 mm, 如果 裂缝 核 算超过 0 2 m m 的限值 , 就要增 加 配筋 , 直 到裂缝 宽 度小 于 0 2 mm, 这是 国标 的制订原则 。所 以, 对于 国标 管是 强度 、 裂缝开展宽度 的双控设计 。在 G B1 1 8 3 6 8 9 标准制定 时, 按给定条件计算 的钢筋 面积 , 依据 当时的 设计 规范核算裂缝 , 对较大直径 管 , 核算 的裂缝 宽大多 超标 ,需要增 加钢 筋 ,所 以大 直径 管
8、子 都是按 裂缝 0 2 m m控制配筋量 的。 按现在的现行规范计算 , 由计算 条件计算 出的钢筋面积则基 本不需要 再增加钢筋 , 核 算裂缝大多在 0 1 0 1 6 m m之间。换句话说 , 按 现行规 范对国标给定条件下计算 出的管截面配筋面积一般都 大于控制裂缝 宽度 0 2 m m所需 的配筋面积 ,所 以 , 计 算 配 筋 高 于 外 压荷 载 要 求 是 正 常 的 。但 直 径 大 于 2 0 0 0 m m 的 级管却常常发生按计算 配筋面积 生产还 不能满足外压荷 载要求 的情况 ,其原 因既涉及计算理 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
9、 许广存 , 沈 丽华 , 王贯 明 钢筋 混凝 土排 水管适 用 工程条 件计 算分 析 论也涉及管材成型工艺 。这次标准修订对 级管 的外 压荷载进行 了一些调整 。 在上世纪 8 0 年代 国标 编制 时 , 钢筋混凝土管只确 定 I、 两个级别。当时的管材 生产和管道设计 、 施工 水平还 比较落后 , 管子接头形式几乎 都是平 口, 北方有 一 部分是刚性企 口。 管道施 工都是混凝土基础 , 借此增 强管子 的承载能力和保障管道纵向不至于因地基沉 陷 导致管接 口渗漏。 确定 I级管用于开槽施工 , 管子 的适 应覆土高度由选择不 同基础支撑角度调整 。 当时 , 确定 最高设计覆
10、 土为 6 m, 取 1 8 0 。 混凝 土基础 ; 国标管 考虑 了地面临时荷载 , 对 管道 的压力 为 1 0 k N m 。 地 面车辆荷载 , 规定为 汽 1 5双排并列 。汽 车荷 载 对于管道的影 响 , 随管埋设深度增加而减弱 , 在覆 土达 到 0 8 m时 , 传递 的压力 已经很小 。 在管道设 计中 , 覆 土 低于 0 7 m 的为浅覆 土 , 管道设 计需单独 考虑 , 国标管 不适用浅覆土 。 级管主要用于顶进 施工管道 ,在同等覆土条件 下 ,开槽施工埋设 时圆管所承受 的竖向土压力大于顶 进施工 的土压力。 对 于产 品标准 , 有别于工程 的单体设 计 ,
11、 要考虑产 品有一定 的适 用性。因此 级管计 算条 件竖 向压力计算仍以开槽埋设 的条件为依据 。取覆土 高 3 0 m、 9 0 。 土弧基础 。 I、级 管外压荷载是按 核算裂缝 时 ,令裂缝 宽 W一= O 2 m m, 求 出所相应的计算弯矩 , 再将该计算 弯矩 折算 为三点法试验时 的荷载 。因外压荷载不是 由配筋 面积直接计算得出的 , 所 以 , 管 外压试 验也不是检验配 筋是否满足设计条件的依据 ,而是对管子的最低强度 要求 。 标准 1 9 9 9修 订版 , 在 I、 级 管基础上 增加 了 级管 , 以适应管道快速施 工的需求 , 并将 级 管计算覆 土改 为 3
12、5 m。当时 , 国 内几家混凝土 管生产企业 引进 了国外先进生产设备 , 柔性接 口管呈显发展形势 , 推进 了管道采用砂 ( 土) 弧基础 施工 , 这 就要求管 子的承 载 能力提高 。标准修订适应 了管材生产技术和管道设计 施工 的进步 。 综合上述 , 三个级别 的标准管设计条件如表 1 。 表 1 各级管基本计算条件 1 2荷载及 内力计算 按 C E C S 1 4 3 : 2 0 0 2 ( 给水排水 工程埋地 预制混凝 土 圆形管管道结构设计规程 规定 , 作 用于管体的荷载 有 : 管 自重 、 管内水重 、 管顶竖 向土压力 、 管侧 向主动土 压力 、 管上腔土重 、
13、 地面荷载等 。每项荷载有独立 的分 项安全系数 。 管 内层钢 筋按受 弯构件计 算 ,外层 钢筋按大偏心 受压构件计算 。因此 , 要计算控制 截面的弯矩 M、 轴力 N值 , 见图 l 。对 于混凝土基础 , 是计算管顶截面 ( B ) 弯 矩 M , 对 于 砂 ( 土 ) 弧 基础 是 计 算 管底 截 面 ( A) 弯 矩 M , 两者都忽略轴力影 响。管侧截 面( C ) 配筋按大偏心 受压计算 , 要计算弯矩 M 和轴力 N c 值 。 B I Mc C A 图 1 控制截面的弯矩及 轴力示 意图 1 3 截面配筋面积计算 本文是讨论管子 的适用工程覆 土条件 ,因截面 内 层
14、钢 筋受力最 大 ,为分析 比较 只计算 内层 钢筋就可以 了。内层钢筋 面积计算公式 由 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ( 混凝土 结构设计规范 给出 , 经推导得出如下公 式 : 一h o f c b h 2 b 一 式 中, 一 计算管截面钢筋截面积 , m m 2 m; h 一 截 面有效 高度 , m m; b 计算 截面长度 , mm, 取 1 0 0 0 ; 混凝 土轴心抗压设计 强度 , N m m ,规 范规 定 C 3 0为 1 4 3 ; 一 钢筋设计 强度 , N m m ,国内排水管 大多采 用冷轧带肋钢筋 5 5 0级 , 取 3 6 0; 一 计算弯
15、矩 , N m m m。 2 I 级管截面 内层配筋面积及允许最高覆土 2 】 J 级管截面配筋面积 I级 管 按 1 8 0 。 混 凝 土 基 础 、覆 土 6 m 计 算 , 按 C E C S 1 4 3 : 2 0 0 2计算 规程 ,将 各项荷 载及截 面计算 弯 矩 的计算公式列 于表 2 。 现 以 D 。 = 2 0 0 0 m m, t = 2 0 0 mm管为例 ,计算作用 荷 载 、 内力及管截面 内层配筋面积 。 管 自重 : Go =0 7 8 5 ( 2 4 2 0 ) x 2 6 = 3 5 9 2 2 k N m M瑚 =1 2 x 0 0 8x 3 5 9
16、2 2 1 1 = 3 7 9 3 3 6 3 k N m m 管 内水重 : Gw = 0 78 5 2 0 x 1 0 = 3 1 4 k N m MB w : : 1 2 7x 0 0 4 4 x31 4 x1 1 =1 93 0 0 9 5 k N r r d m 一 23 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 1 期 表 2 作用于管体的荷载及弯矩计算公式 (I 级管 ) 管内水重 G w 管顶垂直土压力 G 管上腔土重 G 管侧 向主动土压力 地面荷载 G 综合 G 4 Do Z , =l I 2
17、 Hs D l q= O 1 0 7 3 D l C = 1 3 ( H 0 5 D1 ) D = l O x Dl 1 -2 7 1 -2 7 1 2 7 1 o o 1 4 0 00 4 4 00 6 0 0 0 4 9 - 0O 4 0 0 0 6 0 M =l _2 7 x 00 4 4 Gw Mm =1 2 7 x 00 6 G R0 M目 =1 2 7 x 0 0 4 9G R0 M 一1 x O o4 G MB d =1 4x O 0 6G d R0 MB 表内符 号 : 一 钢筋混凝 土密度 ( 2 6 k N m ) ; 一 管内水 密度 ( 1 0 k m ) ; 一 土重
18、力 密度 ( 1 8 k N r n ) ; D 0 、 D 。 一 管 内 、外 直径 ( m) ; R o 管计算半径( mm) , R o = l 4 ( D o + D 。 ) 。 管顶垂直土压力 : Gv= 1 2 x 1 8 x 6 O x 2 4 =3 1 1 0 4 4 k N m MB v =1 2 7 x 0 0 6 x 31 1 0 4 x1 1 = 2 6 0 71 3 7 3 k N r n m 管上腔土重 : G_= 0 1 0 7 3 x 24 2 1 8 =1 1 1 2 5 k N m MB i =1 2 7 x 0 0 4 9 xl 1 1 2 5x1 1
19、= 0 7 61 5 3 9 k N r n m 管侧 向主动土压力 : G = l 3 x l 8 x( 6 0 + 0 5 x 2 4 ) x 2 4 =1 0 3 6 8 k N m MB s =一1 O x O 0 4 x1 0 3 6 8 x1 1 = 一 4 5 61 9 2 0 k N m m 地面荷载 : Gd =l O x 2 4 =2 4 O k N r n MB d =1 4x O 0 6 x 2 4 O x1 1 = 221 7 6 0 0 k N n dm 计算综合弯矩 M : MB= 3 7 9 3 3 6 3+1 9 3 0 0 9 5 + 2 6 0 71 3
20、7 3+ 0 7 61 5 3 9 4 5 61 9 2 + 2 2 1 7 6 =3 0 21 2 0 5 0 k N r r d m 计算 内层钢筋 面积 : h 0= t -c 一0 5 d = 2 0 0 2 0 0 5 x 6 =1 7 7 mm 式 中, t 为管壁厚度 , 取 2 0 0 ra m; C为钢筋的混凝土净保 护层厚度 , 取 2 0 m m; d为钢筋直径 , 取 6 ra m。 r T一 dh D 6 一 V b 一 2 M f c 一 一 1 7 7 1 4 3 1 0 0 0 一 1 7 7 2 x 1 4 3 2 1 0 O O 2 2 3 0 2 1 2
21、0 5 0 1 4 3 1 0 0 0 一 广一 =4 91 3 mm2 m 2 2 I级管采 用混凝 土基础在 不 同支 承角下 的允许 最 高覆土 H值 在对 I级管混凝土基础支撑 角为 9 0 。 、 1 2 0 。 、 1 5 0 。 、 1 8 0 。 的允许最高覆土核算 ,是 以 I 级管的配筋面积为 基准 , 采用试算 法。即给定一个覆土 H值 , 按上述步骤 计算配筋 , 得出相应 的配筋面积 。 计算的配筋面积约等 于 I 级管的配筋面积 时 ,认定该覆土高 即为相应支承 角下 的“ 允许最 高覆土 H” 。仍 以 D o = 2 0 0 O m m管计算 , 因计算过程与上
22、述完全相 同, 仅将核算结果列 于表 3 。 表 3 I 级 管采用混凝土基础在不同支承角下 允许最高覆 士H( m) 计算项 覆土高H 计算弯矩M 钢筋直径 内层配筋 基础、 m ( N m r n m)d ra m A ( mm 2 m) 标准管混 1 8 0 。 6 0 3 0 2 1 2 0 5 0 6 4 91 3 凝土基础 2 _ 3 I 级管采用砂 ( 土 ) 弧基础允许覆 土高 经过核算 , I 级管基本不适应于砂 ( 土 ) 弧基础( 参 见表 7 ) 。 3 级管截面 内层 配筋面积及允许最高覆土 3 1 级管截面配筋面积 级 管 按 9 0 。 土 弧 基 础 、覆 土
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