大力发展异形钢筋混凝土涵管 绿色混凝土制品--椭圆涵管、卵形涵管介绍.pdf
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1、2 0 1 1 年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C0NC RE T E AND C EME NT P R0D U C T S 2 01 1 N0 6 J u n e 大 力 发 展 异 形 钢 筋 混 凝 土 涵 管 绿色混凝土制品椭圆涵管、 卵形涵管介绍 曹生龙 , 高俊永 ( 1 北京市市政工程研究院 , 1 0 0 0 3 7 ; 2 天津泽宝水泥制品有 限公司) 摘要 : 近年来 , 在 管道 工程 中应 用的预制混 凝土制品除 了圆形管道制品外 , 异形钢 筋混凝土 涵管迅速发展 。 本 文重点介绍 了椭 圆涵 管和 卵形 涵管的外形设计 。 关键词
2、 : 椭 圆涵管; 卵形涵管 ; 外形设 计 Ab s t r a c t :Re c e n t l y ,b e s i d e s c i r c u l a r p i p e p r o d u c t s o f p r e c a s t i n g c o n c r e t e p r o d u c t s ,t h e s p c i a l s h a p e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e c u l v e r t p i p e s a r e r a p i d l y d e v e l o p e d i n t
3、h e p i p e e n g i n e e r i n g T h e s h a p e d e s i g n o f e l l i p t i c a n d o v a l c u l v e r t p i p e s i s ma i n l y i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r Ke y wo r d s : El l i p t i c c u l v e rt p i p e s ; O v a l c u l v e rt p i p e s ; S h a p e d e s i g n 中图分类号 : T U
4、5 2 5 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 1 ) 0 6 - 2 3 - 0 7 0前 言 现代 城市中管道工程优劣能体现人 类生活 的 质量 。当前为了提高城市的功能、 美化城市的景观 , 大量为人类服务 的各种设施多修成管道 , 埋设于地 下 , 用于管道工程的混凝土制 品得到极大的丰富和 提高 , 加速加大 了管道混凝土制 品的发展 , 不断改 进和增加 了管道混凝土制 品的质量和 品种。因而 , 在管道工程 中应用 的预制混凝土制 品除 了圆形 管 道制 品外 , 异形钢筋混凝土涵管迅速发展 成 了管 道工程 中重要的管材 。 异
5、形钢筋混凝土涵管主要包括 : 箱涵 、 半 圆( 单 心 圆) 拱 涵 、 三圆 ( 三心 圆 ) 拱 涵 、 四圆( 四心 圆) 拱 涵 、 带底座圆管 、 双底座圆管 、 卵形涵管 、 椭 圆涵管 、 V形涵管、 槽涵等, 见 图 1 。 ( b ) ( d ) ( e ) ( f ) ( g ) ( h ) ( i ) 图 1 几种 异形涵管断面形状 图 ( a ) 箱涵 ; ( b ) 单圆拱涵 ; ( c ) 三 圆拱涵 ; ( d ) 四圆拱涵 ; ( e ) 带底座 圆管 ; ( f ) 双底 座圆管 ; ( g ) 卵形涵管 ; ( h ) 椭 圆涵管 ; ( i ) V形涵管
6、 异形钢筋混凝土涵管主要优点是: 可以根据 工程 的地理环境等各项条件 , 合理地调整涵管的宽 度和高度 , 满足输送介质的流量要求和合理地 占用 地下空问; 可按照工程需要设计成理想的断面形 状, 优化使用功能; 可以通过合理的断面形状设 计提高承载能力 , 减少材料用量 。 一 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 6期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 2期 图 2为 日本 鹤见水泥管公 司 生产 双管座重 压管外压强度的试验 资料 , 从 图中可看到 , 外压承 载能力有很大提高 ,此种管型在 日本称为重压管 , 在深覆土外压荷载大的
7、管道 中经常采用带底座 圆 管 , 双底座 圆管主要在超高外压管道中应用 。由于 其合理的结构形状 , 与圆形管子相 比带底座涵管管 的重量及钢筋用量并没有增加很多, 却具有很好 的 技术 、 经济优势 。 1 0 0 0 0 9 0 0 0 8 0 o o :7 0 0 0 6 0 0 0 赫 蝗5 0 0 0 1j 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 H 0 0 l 0 0 0 8 5 3 0 k g r 压 管 8 0 3 O k g , ll 5 6 C k Jn 缝 荷 , 一 、 箩 一,一 帆 嚼 髫 、 _ -ff 哆 蛀 l u 2 - 蕾 一 游 3 0 0 4 0 0
8、 5 0 0 7 0 0 9 0 0 l 1 0 0 l 3 5 0 1 6 5 0 3 5 0 4 5 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 5 0 0 管径 mm 图 2 双底座管的外压 承载力图 按照笔者设计 的上述几种异形涵管 的结构计 算 , 钢筋用量对比如图 3 。 图 3几种异形涵管 的用钢量对比 注: 表中数值以相当直径 1 4 0 0 m m圆管过水断面为例的各 种异形涵管计算结果; 图表竖向为用钢量比例值 ,横坐标为异 形涵管品种; 分别以两种不同壁厚进行计算对比,以椭涵管 1 为基准值。 从图 3中可知 , 圆管的用钢量约是椭 圆涵管和 卵形涵管
9、的两倍。 图 4是几 种 国外异形 涵 管 图片 。 预制装配化钢筋混凝土涵管 的开发是地下管 道 中一种新型管材的补充 , 在特定条件下有它的竞 争优势。应科学 、 合理地设计涵管的结构 , 确定涵管 的形状 、 壁厚和配筋 , 优化涵管的接 口抗 渗性能 , 降 一 24一 图 4 几种 国外异形涵管图片 ( a ) 卵形涵管 ; ( b ) 双底座涵管 ; ( c ) V形 L 涵管 ; ( d ) 四圆拱涵管 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 曹生龙 , 高俊永 大力发展异形钢筋混凝土涵管 低预制钢筋混凝土涵管工厂化生产 的整体成本 , 提 高钢筋混凝土涵
10、管性 能 , 克服预制钢筋混凝土涵管 的缺 陷,更大发挥预制钢筋混凝土涵管的优势 , 大 力发展异形钢筋混凝土涵管的生产 。 随着我 国芯模振动工艺 的广泛应用 , 生产制作 的高效性 , 为主要采用立式振动工艺或芯模振动工 艺生产的异形钢筋混凝土涵管提供了发展的条件 。 随着高度工业化经济的出现 , 物质资源的过渡 消耗成为社会发展 的公 害 , 降低 消耗 、 低碳环保成 为对水泥制品的要求 , 应用异形钢筋混凝土涵管成 为必然 的需 要 。 本文介绍两种能有效减少钢 筋用量的异形钢 筋混凝土涵管椭圆涵管 、 卵形涵管。 1 椭 圆涵管、 卵形涵管 欧美 国家在城市排水管道中小管径系统 中
11、, 常 用 钢 筋 混 凝 土 椭 圆形 涵 管 ( 简 称 为 椭 圆涵 管 ) 和 钢 筋混凝土卵形涵管 ( 简称为卵形涵管 ) , 此两种管子 均具有 内孑 L 非正圆形 、 高度大于宽度 、 下部 圆弧直 径小等特点。 椭 圆 、 卵形涵管管型 的优点较为突 出 : 在 同 样 过水面积条件下 , 顶弧直径小 , 因而结构 内力减 小 , 配筋也可减少 , 材料用量降低 , 成本 降低 ; 横 向尺寸减小 , 在地下管线密布 , 水平布置有困难的 场合使用 , 有其特殊优点 ( 如在宽度较窄居 民小区 道路下 ) ; 底部 断面小 , 流水速度增大 , 对积聚于 管道底部 的渣物有 自
12、清作用 ;带有混凝土底座 , 有提高承载力作用 ; 适宜应用椭 圆配筋 , 更 能减 少钢筋用量 ; 平基础施工方便 、 密实度易保证 , 可 加快工程进度 , 降低工程费用 。 表 1为椭 圆、 卵形涵管与圆管的技术参数对 比 ( 以相当 01 4 0 0 m m圆管为例) 。 从表 1各项技术参数对 比可知 ,椭圆涵管 、 卵 形涵管的单位管长 的重量略有加大 , 但配筋有很大 减少 , 圆形管子的配筋增加一倍。 表 1 椭 圆、 卵形涵 管与圆管的技 术参 数对 比( 以相 当 01 4 0 0 mm圆管为例) 注: 表中理论计算配筋, 以开槽施工 、 9 0 。 土弧基础、 覆土深度
13、4 m工况计算; 主要设计参数: 混凝土强度等级 C 3 0 ; 钢筋 设计强度 3 6 0 N mm ; 土容重 1 8 k N m 。 椭 圆涵管和卵形涵管配筋能减少的原理是 : 顶 圆跨度( 直径 ) 小 , 竖 向荷载减小 ; 顶 、 底 的壁厚 大于圆管的壁厚 , 加大了最大 内力作用 区的受力 高 度 , 配筋可减少 ; 竖 向高度加 大 , 侧壁作 用对 顶 、 底 的反作用加 大 , 减小顶 、 底 的内力 , 可减 少配筋 量 ; 带底座涵管 , 可采用单层椭圆配筋 , 取消了圆 管 中的一层构造筋 ; 管座对管体的增强作用 , 可 减少 配 筋 。 2 椭圆涵管轮廓线设计
14、异形涵管的断面设计难点之一是设计各部尺寸 , 因此在文 中介绍异形钢筋混凝 土涵管的尺寸计算 方法 。 椭 圆涵管断面尺寸设计方法 : 根据过水面积需 要及地下空 间布局使用 要求确定涵管的 内高和 内 宽 , 再依据设计经验确定顶圆弧 、 侧圆弧 、 底圆弧半 径及涵管壁厚 。经结构 内力计算验算 、 并以作 图或 计算验算断面面积 , 经调整后确定椭 圆涵管的内轮 廓线 、 外轮廓线和轴线。 算例 1 : 按雨水排水系统设计单位提供 的数据 , 要求设计过水断面相 当直径 O 1 4 0 0 m m圆管面积的 椭 圆涵管 , 见 图 5 。 设 定 椭 圆涵 管 的接 口为柔 性 企 口式
15、 、内高 1 8 0 0 mm、 内宽 1 2 0 0 m m, 计算椭 圆涵管各部尺 寸并 画出椭 圆涵管图。 依据设计经验确定断面 内轮廓线 :顶 面厚 度 d = 1 6 5 m m、侧 面 厚度 d 2 = 1 4 5 m m、底 面厚 度 d ,t = 1 6 5 mm。 ( 1 ) 内轮廓线计算 a 顶 圆半 弧夹 角 a = 9 0 。 - a r e t a n ( b 2 ) ( h 2 ) 一 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 6期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 2期 图 5 椭 圆涵管 内外轮廓线及断面面积计算
16、图 =9 0 。 - a r e t a n ( 1 2 0 0 2 ) ( 1 8 0 0 2 ) 1 = 5 6 3 1 。 b 底 圆半弧夹角 0 = o z =5 6- 3I 。 c 侧 圆弧夹 角 3 = 1 8 0 。 - ( a + 0 ) = 1 8 0 。 - 2 x 5 6 _ 3 1 = 6 7 3 8 。 d 侧 圆半径 r 2 = + h 2 一 b 2 2 s i n (3 2 ) = V ( 1 8 0 0 2 ) 2 + ( 1 2 0 0 2 ) 2 + 1 8 0 0 2 1 2 0 0 2 2 s i n ( 6 7 3 8 。 2 ) = 1 2 4 5
17、 4 1 6 3 m m e 顶 圆半径 r = h 2 一r 2 一 b 2 ) t a n q 3 2 ) = 1 8 0 0 2 - ( 1 2 4 5 4 1 6 3 1 2 0 0 2 ) t a n ( 6 7 3 8 。 2 ) =4 6 9 7 22 4mm f 底 圆半径 r = r , =4 6 9 7 22 4mm g 侧圆圆心距底距离 h 2 = h 2=1 8 0 0 2 =9 00 mm h 顶 圆圆心距底距离 】 = 一 r , =1 8 0 0 4 6 9 7 2 2 4 = 1 3 3 0 2 7 7 6 mm i 侧圆圆心与竖轴距离 b l = r 2 一
18、b 2 i 椭圆涵管内轮廓线断面面积 A= 2 ( A 2 3 - A 4 ) =2 百 r 2 O t + 2 卫 3 6 0 2 r r 2 0 26一 一 2 1 2 ( r 2 - b 2 ) ( h , 一 r 3 ) 4 6 9 7 2 2 4 2 x l 2 4 5 4 1 6 3 4 6 9 7 2 2 4 2 x _ 2l 2 ( 1 2 4 5 4 1 6 3 1 2 0 0 2 ) ( 1 3 3 O 2 7 7 6 4 6 9 7 2 2 4 ) =1 7 02 3 2 6 mmL 1 70 m 式中, A 一 内轮廓线 1 2顶圆面积; 一 内轮廓线 1 2侧圆面积
19、; , 一 内轮廓线 1 2底圆面积 ; A 一 内轮廓线 1 2 侧 圆中三角形面积。 h 相 当 圆管 直径 =、 7 = 、 = 1 4 7 2 m m 椭 圆涵管内断面尺寸设计结果 : 断面面积大于 O1 4 0 0 mm圆管的断面积 , 达到设计要求。 ( 2 ) 外轮廓线计算 顶面管壁厚度 d = 1 6 5 mm、侧面管壁厚度 d 。 = 1 4 5 m m、 底 面管 壁厚 度 d a = 1 6 5 m m。 a 外论廓线宽 、 高计算 b = b + 2 d 2 = 1 2 0 0 + 2 1 4 5 = 1 4 9 0 mm = + d + d o =1 8 0 0 +
20、1 6 5 +1 6 5 = 2 1 3 0 mm b 顶圆半弧夹角 O = 9 0 。 - a r c t a n ( b 2 ) ( h 2 ) =9 0 。 - a r c t a n ( 1 4 9 0 2 ) ( 2 1 3 0 2 ) = 5 5 0 3 。 c 底圆半弧夹角 0 = O r 55 03 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 曹生龙 , 高俊永 大力发展异形钢筋混凝土涵管 d 侧 圆弧夹角 卢 = 1 8 0 。 一 + ) = 1 8 0 。 - 2 5 5 0 3 。 = 6 9 9 5 。 e 侧圆半径 r 2 = 、 , 2 ) +
21、 ( 6 , 2 ) + , 2 一 b , 2 2 s i n 2 ) = 2 2 + 2 1 3 0 2 1 4 9 0 2 2 s i n ( 6 9 9 5 。 2 ) = 1 4 1 2 8 5 7 5 m m f顶 圆半径 r = 2 - ( r 2 一 6 2 ) t a n ( 3 2 ) = 2 1 3 0 2 一 ( 1 4 1 2 8 5 7 5 1 4 9 0 2 ) t a n ( 6 9 9 5 。 2 1 =59 7 8 1 33 mm g 底 圆半 径 1 3 = = 59 7 81 33 mm h 侧 圆圆心距底距离 h 2 2 = 2 1 3 0 2 =1
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