一种基于CECS140：2011的预应力钢筒混凝土顶管（JPCCP）结构设计方法

阙小平 徐惠娟 粟丽萍

四川国统混凝土制品有限公司 成都610509

引言

预应力钢筒混凝土顶管（JPCCP）是近年来随着国内混凝土压力输水管线建设需求而发展起来的一种适用于顶进施工的预应力混凝土复合管材。JPCCP的管体结构与PCCP 管类似，均是混凝土管芯中嵌置薄钢筒的预应力管，主要区别在于JPCCP使用模具浇筑成型的钢筋混凝土保护层代替PCCP采用辊射工艺成型的砂浆保护层，这一优化主要是为了满足顶管工艺所需的管外壁光滑以利于减阻的技术要求。

目前，JPCCP在国内尚无专门的结构设计标准，仅个别省市颁布了有关JPCCP应用技术方面的地方标准［1］，国内现有的JPCCP结构设计方法多参照PCCP 或结合PCCP 和钢筋混凝土管的设计方法进行，这些方法多存在一些不足之处［2-4］。本文结合JPCCP结构特点，提出一种基于《给水排水工程埋地预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管管道结构设计规程》（CECS140：2011）［5］的JPCCP结构设计方法，希望对JPCCP管材的设计和应用有所帮助。

1JPCCP的结构特点

JPCCP的管体结构特点为：（1）管芯部分在不计内层钢筋笼的情况下与PCCP 管芯相同（目前JPCCP 的设计大多不在管芯内壁配置钢筋笼）：即由管芯内层混凝土、防渗钢筒、管芯外层混凝土组成；（2）管芯外表面缠绕环向预应力钢丝，建立管芯环向预压应力，与PCCP 相同；（3）由一定厚度（一般60mm ～100mm）的带钢筋笼的混凝土层作为预应力钢筋保护层，混凝土强度等级一般与管芯相同，保护层由立式振捣工艺成型，为管材提供了光滑的外表面，有利于减少顶进阻力；（4）管芯的受顶面由管芯外层混凝土和混凝土保护层共同组成，钢筒和管芯内壁混凝土不直接受顶力作用。JPCCP的管体结构示意如图1所示。

图1 JPCCP 管体结构示意Fig.1 Structure of JPCCP

2 JPCCP结构设计的基本原则

2.1 采用CECS140：2011 作为基本设计方法

JPCCP与PCCP 采用相同的管芯、钢筒和预应力钢丝，且这些结构组成部分采用相同的生产工艺和技术指标，二者的主要区别是保护层材料与构造不同，管材施工方式不同。因此，在结构设计中基于PCCP的设计方法进行JPCCP 设计是合理的，但应针对JPCCP的特点进行修正。目前我国PCCP 的结构设计方法主要采用CECS140：

2011 标准，本文采用CECS140：2011 标准规定的方法作为基本设计方法，遵守该标准中在管体承载能力极限状态计算（强度计算）时不考虑混凝土受拉性能的假定，管体在组合荷载下产生的拉力全部由钢材承担。

2.2 计入普通钢筋的受力作用

在JPCCP结构管芯内壁和保护层混凝土内适当配置普通钢筋的优势在于：

（1）有利于改善JPCCP的结构安全性

在JPCCP管体中配置一定数量的普通受力钢筋，使管体在受荷时形成了预应力钢筋和普通钢筋共同受力的状态；在受拉截面，拉应力由预应力钢筋和普通钢筋共同承担。由于普通钢筋韧性好，强屈比高（以HRB400 钢筋为例，其强屈比不低于1.35；预应力冷拉钢丝无屈服点，其抗拉强度与名义屈服强度之比为1.25），断裂伸长率大，配置一定比例的普通受力钢筋，可以使JPCCP的破坏状态呈现一定的延性破坏特点，而非突如其来的脆性破坏。另外，一定比例的普通钢筋与预应力钢筋共同受力，即使预应力钢筋受损退出工作，结构尚可由普通钢筋承担荷载，短期维持这种“超负荷”承载的状态可以为管线进行应急调整、维修和加固提供反应时间，使结构具有更大的安全冗余度。

（2）有利于避免“双层缠丝”的设计结果

通过调整普通受力钢筋的配筋比例，可以方便地按单层缠丝要求控制预应力钢筋的配筋量，有效避免了大口径、高工况管材因“双层缠丝”的设计结果而面临复杂的生产工艺以及因此带来的成本提高等其他问题。

（3）有利于提高管芯内壁混凝土韧性和刚度

JPCCP在顶管施工完成后，为了提高管道接口钢构件的耐腐蚀性，往往会进行接口间隙的注浆（见图2 中“接头注浆孔”及内外密封设计）。如注浆压力过大，浆液可能会渗入管芯外壁与钢筒之间的界面，对管芯内壁混凝土形成附加外压作用。管芯内壁混凝土厚度较薄，如不配置普通钢筋将是素混凝土，虽然管体混凝土中建立了预压应力，但仍然可能在前述附加外压作用下产生失稳破坏。因此，在管芯内壁混凝土中配置一定数量的普通钢筋，有利于提高管芯内壁混凝土的韧性和刚度，增强其抵抗前述附加外压作用的能力。

图2 JPCCP 接口构造示意Fig.2 JPCCP interface structure hint

3JPCCP结构计算时需注意的问题

本节仅对采用CECS140：2011 标准进行JPCCP结构计算时需要调整和修正之处进行介绍，不列举JPCCP的全部结构计算过程。

3.1 材料参数

1.保护层混凝土计算参数

JPCCP保护层混凝土一般采用与管芯混凝土相同的强度等级，在选择材料计算参数时，应采用保护层混凝土的抗拉强度标准值（ftk）、弹性模量（Ec）等数据。此外，在保护层抗裂验算中应代入保护层混凝土的应力应变参数，以便与管体实际材料一致。由于保护层的抗裂验算是针对预应力钢筋的，因此计算时保护层厚度仍取预应力钢筋的净保护层厚度。

2.普通钢筋参数

对拟采用的普通钢筋型号、直径、布置位置进行设置，并在承载能力极限状态设计时使用其抗拉强度设计值、抗拉强度标准值、弹性模量等参数。

3.2 管壁截面特征参数计算

在结构计算过程中，由于存在普通钢筋和预应力钢筋两个需要求解的配筋参数，不便于直接求解，可采用试算法，根据管材工况和期望的设计效果预先假设预应力钢筋和普通钢筋的配筋量，再根据假设配筋量进行管壁截面特征参数的计算，计算方法见CECS140：2011 附录D，计算中需在相关公式中加入普通钢筋参数。

1.y0的计算

用公式（D.0.6-2）计算Sn时，原公式中应增加普通钢筋的折算面积矩，即：

式中：nss为普通钢筋与管体混凝土的弹性模量比；Ass1、Ass2分别为外层、内层普通钢筋的配筋面积；tmso、tmsi分别为外层、内层普通钢筋的保护层净厚度；dso、dsi分别为外层、内层普通钢筋的直径。

用公式（D.0.6-3）计算An时，原公式中应增加普通钢筋的折算面积，即：

2.I的计算

用公式（D.0.7）计算I时，应在原公式中将Im换为Ic2（保护层混凝土对y0的惯性矩，如保护层与管芯强度等级相同，可不用单算Ic2，在计算Ic时采用管芯混凝土和保护层混凝土的厚度之和进行计算）。另外，应增加普通钢筋Ass1、Ass2对y0的惯性矩Iss，Iss可按以下公式计算：

式中：Isso、Issi分别为外层、内层普通钢筋对y0的惯性矩。

3.Wco的计算

用公式（D.0.4）计算管壁截面对管壁外侧截面受拉边缘弹性抵抗矩时，由于保护层已改为混凝土，且I、y0计算均已包含普通钢筋，因此公式（D.0.4）不变，只需将式中Wm以Wco代替即可。

经上述调整，按CECS140：2011 附录D 计算的各个管壁截面特征参数均为包含普通钢筋且采用实际保护层材料参数的数值，可在后续计算中直接引用。

3.3 预应力损失计算

据CECS140：2011 第4.2.8 条计算混凝土收缩徐变引起的预应力损失σs3时，在标准公式（4.2.8-3）和（4.2.8-4）中需计算最外层预应力钢筋以内的管芯折算面积Acy和A′cy，由于JPCCP内层管芯混凝土中可配置普通钢筋，因此Acy和A′cy中应增加内层普通钢筋的折算面积，即：

3.4 土荷载计算

JPCCP采用顶进施工工艺，其管顶竖向土荷载应按顶管土荷载考虑，建议按《给水排水工程管道结构设计规范》（GB 50332—2002）［6］附录B第B.0.3 条的相关规定计算；也可按《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246：2008）［7］第6.2.2 条计算。

3.5 承载能力极限状态下的配筋计算

JPCCP在承载能力极限状态进行配筋计算时，采用CECS140：2011 第6.1.4 条公式（6.1.4）进行计算。该公式的计算截面是管侧截面，只考虑钢材受拉，忽略混凝土的抗拉强度，在计算JPCCP时需考虑普通钢筋受拉时的贡献，体现在公式中见式（7）所示。

式中：fs为普通钢筋的抗拉强度设计值；其他符号见CECS140 标准及前述说明。

式（7）中，Ass1、Ass2根据管材总配筋量、普通钢筋的配筋率、预应力钢筋与普通钢筋的承载比例等条件预先设置。

3.6 正常使用极限状态验算

JPCCP按照CECS140：2011 第6.2 节的规定进行正常使用极限状态下的相关验算。

1.标准组合下管顶、管底截面的配筋计算本组合的配筋计算按标准公式（6.2.2-1）～（6.2.2-3）执行，但在使用时应注意：（1）An应包含普通钢筋折算面积；（2）ωc、Wp采用本文第

3.2 节方法计算的数值。

2.控制保护层开裂计算

JPCCP控制保护层开裂计算按标准第6.2.3节和第6.2.4 节相关公式计算，但需注意以下问题：

（1）由于保护层是混凝土而非砂浆，应将标准公式（6.2.3-1）和（6.2.4-1）中的参数εmt、Em换成保护层混凝土强度等级所对应的参数εct、Ec。

（3）保护层应变量设计参数αm和α′m仍分别按5.0 和4.0 取值。理由为：1）根据混凝土和砂浆的本构模型，混凝土从微裂到出现可见裂纹的应变倍率为11，大于砂浆的8，在混凝土保护层开裂控制条件中将αm和α′m分别取5.0 和4.0，比保护层为砂浆时保守；2）根据设计经验，管材结构计算控制工况在绝大多数情况下并非保护层开裂验算工况，在混凝土作保护层的情况下，αm和α′m的上述取值不会改变管材结构的控制工况；3）对于采用顶进施工且配置环向预应力钢筋的JPCCP，顶管时管道外壁与土层间存在摩擦作用，为了提高混凝土保护层的安全性，保护层开裂控制可适当保守。

4 试验验证及分析

根据本文提出的JPCCP结构设计方法，进行实体管材的设计和承载能力验证试验，以验证该设计方法的合理性。

4.1 试验管材相关参数

试验管材规格及主要设计参数见表1，配筋计算结果见表2。采用抗裂内压试验进行验证，是考虑到内压试验时管体受力最均匀，且不受设备、安装精度等外界条件影响，能最准确地反映结构承载能力。管材抗裂内压试验依据GB／T 15345—2017规定的方法进行，试验现场示意见图3。

表1 JPCCP试验管材主要设计参数Tab.1 Main design parameters of JPCCP test pipe

表2 JPCCP试验管材结构计算结果参数Tab.2 Parameter table of JPCCP test pipestructure calculation results

图3 JPCCP DN2000 P0.6／H8 抗裂内压试验现场示意Fig.3 Field diagram of JPCCP DN2000 P0.6／H8 crack resistance internal pressure test

4.2 试验结果及分析

当试验压力达到计算值1.64MPa 时，管体未见任何肉眼可见的裂缝；当试验压力达计算值的1.1 倍（1.80MPa）时，管体插口端开始出现可见纵向裂缝，裂缝数量7 条，沿管周基本呈均匀间距分布，裂缝宽度小于0.08mm，长度在150mm ～200mm之间；管体其他位置无任何可见裂缝。

根据试验数据可知：

（1）试验管材的实际开裂荷载大于计算荷载，满足设计要求；

（2）JPCCP插口端是结构的边界部位，也是预应力区边缘位置，该处的应力条件不如管体中部均匀，试验中管体裂缝从该处开始发展是合理的，这与PCCP抗裂内压试验时管体裂缝的发展规律是一致的；

（3）实际开裂荷载为计算荷载的1.1 倍，说明本设计方法的计算结果与管材实际性能表现是吻合的，且有合理的安全余量，符合工程结构的设计原则，证明采用本设计方法进行JPCCP的结构设计能够得到准确、合理的设计结果。

5 结语

本文针对JPCCP的结构特点和工程应用环境提出了一种基于CECS140：2011 标准的JPCCP结构设计方法，执行标准中的基本设计原则和设计假设，同时针对JPCCP的结构特点调整保护层材料参数和相应公式内容，以确保计算结果符合JPCCP结构实际状况。

该方法在JPCCP保护层和管芯内壁配置一定数量的受力普通钢筋，可达到改善管材结构安全性能、避免大口径高工压管材在设计时出现双层缠丝的工艺制造难题、提升管芯内壁混凝土抗失稳能力的效果。

最后对该方法设计管材的结构性能进行试验验证，试验结果符合设计要求，证明了本设计方法能够准确反映JPCCP的结构性能，并有合理的安全余量，符合工程结构设计原则。