预应力钢筒混凝土管（PCCP）设计系统软件的开发.pdf

2 0 1 0年第 2期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT P R0DUCTS 201 0 N0 2 Ap r i l 预应力钢筒混凝土管( P C C P ) 设计系统软件的开发 王荣鲁 ， 窦铁 生 ， 王东黎 。， 刘江 宁 ( 1 中国水利水电科学研究院， 北京， 1 0 0 0 3 8 ； 2 水利部水工程建设与安全重点实验室， 北京 1 0 0 0 3 8 ； 3 北京市水利规划设计研究 ， 1 0 0 0 4 4 ； 4 北京河山引水管业有限公 司， 1 0 2 4 2 3 ) 摘要 ： 分析 了 P C C P的计算 原理 和计算步骤 ， 利用 P C C P所依据 的 AN S I A WWA标准 中的计算 方法和基本公式 ， 在系统整理 和理解 国内外 相关计算规 范的基础上 ， 采用 V C + + 6 0为开发工具 ， 开发出了符合 中国设计规范 、 材料参 数及设计 习惯 的软件 ， 使其 能在工程设计人员 的设计 过程中起 到重要的辅助作用 。 关键词 ： P C C P ； 功能划分 ； 计算 流程 ； 软件开发 中图分类号 ： T U 5 2 8 7 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 0) 0 2 3 9 0 3 O前 言 预应力钢筒混凝 土管 ( P C C P ) 是 由预应力 钢丝 、 钢 筒 、 混凝土构成的复合管材 。早 在 2 0 世 纪 8 0年代 ， 我 国就开始探索 大 口径 P C C P的生产 技术 ，但 限于 当时 国情 ， 仅对管道设计标准进行 了学 习掌握 ， 对制 造工艺 及制造设 备进行了一定程度的研究分析 ，未对 管道结 构进行过深入细致的研究 。 2 0世纪 9 0年代 ， 我 国引进 了 国外 的 P C C P生 产 工 艺 ，已 经 能 够 生 产 D N 6 0 0 D N 4 0 0 0的各种规 格管材， P C C P也越来 越多地 用于给 排水 、 电力 等工程 】 。我国南水北调 中线工程 总干渠北 京段采用 4 m超大管径的 P C C P双线布置 ， 这在 我 国尚 属首次 ， 在 世界范围 内也是不多见 的。现在 ， 我 国的管 道制造工艺 已基本过关 ， 设备制造也 已具有相 当水平 ， 基金项 目： 十一五科技 支撑计 划 ( N o 2 0 0 6 B A B A 0 4 ) ， 国家 自然基 金项 目( 5 0 9 7 9 1 1 6 ) ， 中国水 利水 电科 学研 究院 2 0 1 0年院专项 资助 项 目。 能吸 收变形 的能量 ， 削弱裂缝 的形成 ， 这种 影响 ， 即使 在混凝土固化后 的较长时间里 ， 也多少会存 在。因此 ， 我们一方 面力求 管片蒸 养温度低一些 ，以缩小 最终降 温幅值 ； 另 方面 ， 拆模后 ， 在车间里多放置一些 时间 ， 让 温度降低 些再 下水 ， 以减小温度骤降 。 ( 4 ) 采用水化热 较缓释放的水泥 ， 并掺加粉煤灰 水泥 细度太 细是 眼下水 泥的通病 ，我们注 意检测 水 泥的细度 ， 不使用 细度 过细的水泥 ， 以免水化 热过分 集 中 。此外 ， 在混凝 土 中掺人 1 0 - 2 0 的粉 煤灰 ( F ) ， 一方面 降低水化热 ， 另方 面 由于 二次水 化 ， 对 固化 后及 2 8 d后 的后期裂缝具有 补偿收缩 的作 用 ，因而可 以改善后期裂缝 。 4结语 管片原生裂缝 的成 因多种 多样 ， 交相为害 ， 推波助 而对管道结构 的研究几乎 空 白，致 使工程设计人 员对 结构设计方法 的选用产生 困惑。 目前我 国工程设 计及 制造仍 普遍采用 美 国 A N S U A WWA C 3 0 4标 准， 但是 由 于 A WWA C 3 0 4设计标 准配 套软件 采用的参数取值 与 国内相关标准不衔接 ， 使用 不方便 ， 设计人员经 常需 要 在参数选择方面进行反复 的换算 。 因此 ， 依 据国内的相 关标准和材料 的参数取值 ，开发符 合 中国设计人员操 作习惯 的 P C C P设 计软 件非 常必要 。本 软件 以 V C + + 6 0为 开发 语 言， 以 A c c e s s为数 据库 系 统进 行 P C C P 的软件开发 。 1 P CCP结构型式Z 3 】 P C C P分 为 内衬 型和埋置 型两种类 型 ： ( 1 ) 管芯 由 钢筒 内衬混凝土组成 ，然后通过直接在 钢筒外侧缠绕 高强度钢丝建立预应力制成 的内衬式 预应力钢筒混凝 土压力 管 ( P C C P L ) ； ( 2 ) 管芯 由钢筒 嵌置 在管壁 混凝 土中组成 ，然后 通过在外层混凝土 表面缠绕高强度钢 澜 ； 因此 ， 对 付的办法看来也得各种各样 ， 互为补充 ， 联 合 防控。本 文结合生产实践 ， 研究 了塑性 裂缝 、 干缩裂 缝 与温差裂缝的部分机理和针对性措施 ，获得 了对症 的效 果。 但 由于水平 限制 ， 难免还存在一些认识上 的问 题 ， 有 的措施 也许不得 要领 ， 甚至有 负面 作用 ， 也 未可 知。 我们 意在抛砖 引玉 ， 推动探索 ， 集思广益 ， 为进一步 提高地铁管片的产品质量贡献力量 。 参考文献 ： 1 1吴中伟 ， 张鸿直 膨胀 混凝 土 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 1 - 1 4 作者简 介： 何 国金 ( 1 9 6 6 一) ， 男 ， 副总经理 、 工程师 。 通讯 地址 ： 杭 州市萧山区义桥镇联三村 联 系电话 ： 1 3 8 0 6 5 0 4 8 1 6 3 9 2 0 1 0年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 2期 丝建立预应力制成 的埋置式 预应力钢筒混凝土压力管 ( P C C P E ) 。两种型式 的 P C C P均需 制作砂 浆保护层 ， 具体见 图 l 。 砂浆保护层高强钢丝 薄钢筒 - ： f Il ： l ： n _ L ： j ： n i _ _ - I 一 0 ： - 。 I 混凝 土 内衬 内衬式管( P C C P - L ) 砂浆保护层 高强钢丝 。 ： 。 c _ ： 。 。 。 ： 。 - ： ： 。 ： 。 。 - - ， 。 0 。 f _ - ： 。 一 j - - ： 保护层厚度 管芯 厚度 保 护层厚 度 管芯厚度 管芯混 凝土 薄钢 筒 埋置式管( P C C P E ) 图 1 内衬式和埋置式 P C C P管壁 截面示意 图 P C C P管道主要由以下几部分组成I 3 ： ( 1 ) 钢筒 ： 抗 渗和传递荷 载作用 下管身 中出现 的 纵 向力 。( 2 ) 混凝 土管芯 ： 嵌埋有钢筒 ， 使 管材具有 刚 性管 的特性，保护嵌埋 的钢筒 免受外界 环境 的侵蚀 。 ( 3 )管芯外预应力钢丝 ：承受 由内外荷 载产生 的复合 应变应力 。( 4 ) 砂浆保 护层 ： 保护预应力钢丝不受外界 的侵蚀或在冲击等外力作用下产生的破坏 。( 5 ) 承插 口接头 ： 使管道问柔性结合， 可承受 一定的不均匀沉 降 变形， 胶圈可防止管道接头渗漏。 2软件系统分析设计 2 1 软件的功能划分 P C C P的设 计 软 件 ，可 根 据 美 国 A N S I ， A WWA C 3 0 4 2 0 0 7标准 ， 对 P C C P进行设计 和检 验计算 ， 在单 位 制上可分别选择 美 国 U S和 国际 S I 两种单位制 ， 同 时设计和检验中还可考虑多种 中国材料及荷载规范的 要求 。 软件采用工程管理数据库和材料数据库 ，对设计 工程和材料参数进行管理 。计算功能包括 管子设 计计 算 ， 配筋计算 、 检验计算 、 管子应力计算 、 工程量统计等 计算功 能 ， 可完成 P C C P的设计 、 检验 、 工程量 统计等 工作。 软件 的主要功能划分如图 2 。 2 2 软件 的结构计算方法 本 软件 编制 的依 据 是 A N S I ， A WWA C 3 0 4 2 o 0 7 ， 4 0 图 2 P C C P软件功能 图 它采用的是极 限状态设计准则 ，我国的相关规范虽也 采 用极 限状 态设 计方 法 ，但 其主要 差 异在 于 ：美 国 A N S U A WWA C 3 0 4采用 应变控制指标 ， 而我 国的相关 规范采用 应力控制指标 。极限状态设计 法主要考虑的 是管壁单 位圆环 内由内压 、 外荷载 、 管重和管 内水重引 起 的极限轴力 和极 限弯矩 。该方法明确的规定管子在 承受工作荷 载和内压及工作荷载附加瞬时荷 载及 内压 时所受的内力不得超 出极限状态设计 准则 。 在具体 设计时 ， 规定 了三种极 限状态设计准则 ： 工 作极限状 态设计准则 、弹性极限状 态设计 准则和强度 极 限状态设计准则 。 ( 1 ) 工作极 限状 态设计准则 旨在消除 在工作荷载 和内压作用 时管芯 出现微裂缝和控 制保护层 出现微裂 缝 。该准则 同样意欲消除在 工作荷载 附加 瞬时荷载和 内压作用时管芯和保护层出现可见裂缝 。 ( 2 ) 弹性极 限状 态设 计准则 定义为工作 荷载附加 瞬时荷载 和内压组合条件 ，也即假设预应力 管在 瞬时 条件下欲开裂时 ，管子应具备足够 弹性特性 以防止发 生破坏或预应力损失。 ( 3 ) 强度 极限状态设 计准则定 义为保证管 子抵御 预应力钢丝屈服 ， 混凝 土管芯在外荷载下开裂 ， 钢丝在 内压作用下断裂。将安全系数引入荷载和 内压 以形成 强度极限状态。 3 软件 的计算流程 软件操作包括工程管理 、管子设计及 检验两个大 的部分。软件 的计算流程如 图 3 。 工程管理部分 ，主要对管子设 计的工程信息进行 管理 ， 保存 同一工程下的多个管子设计方案 的信息 。 建 立模板 库 ， 将典型 的设计方案存人模板库 中 ， 可作 为管 子设计 中的参考 。 建立材料库 ， 将常用材料 的性能参数 存人材料库 中 ，包括美 国材料参数 库和中国材料参 数 库 ，用户可直接根据材料等 级来输人设计用 的材料性 能参数 。 王荣鲁 ， 窦铁生 ， 王东黎， 等 预应力钢筒混凝土管( P C C P ) 设计系统软件的开发 图 3软 件 计 算 流 程 图 管子设计部分 ，主要 由用户输入数据 建立管子模 型 ， 按 照 A N S I A WWA C 3 0 4 2 0 0 7标 准要 求 ， 进行管子 的设计 和检验计算 ，同时提供对某一 荷载组合下管子 的应力单独计算功能 ， 以及管子 的工程量 统计 功能 。 各 项计算结果 以计算书形式输 出 ，同时可将 结果输 出到 w o r d 等 编辑工具软件 中。 软件 中 P C C P的设 计检验准 则 ，可选择 完全按照 C 3 0 4 2 0 0 7的美 国标准 ，也可选 择按照 C 3 o 4 2 0 0 7标 准且考 虑 了部分 中 国设计 要求 的 中 国材 料及 荷 载标 准。 当选择美 国标 准时 ， 可选 择美国 U S和 国际 S I 两种 单位制 ， 选择 中国标准 时 ， 采用 国际 S I 单位制 。 4例题分析 P C C P设计软件测试采用实际工程实例 ， 采用本软 件 和美 国设计软件 U D P V1 7计算结果进行 比较 ， 其 中 误差值=( P C C P面积一 U D P面积 ) U DP面积x l O 0 。 4 1 设计例题 P C C P E美 国单位制设计例题 1 ： 管子类型P C C P E R H： 7 0 ， t l ： 2 7 0 d ； t 2 ： 9 0 d ； 管子 内径7 2 i n c h P w： 1 5 0 p s i 管子外径7 5 5 i n c h P t ： 6 0 p s i 管芯厚度5 5 i n c h P f t ： 1 8 O p s i 净保护层厚度 ： 0 7 5 i n c h We ： 6 0 0 0 1 b f f t 钢筒厚度 ： 0 0 5 9 8 i n c h f c ： 5 5 0 0 p s i f m： 5 5 0 0 f s u ： 2 5 2 0 0 0 p s i P C C P E国际单位制设计例题 2 ： 管子类型 P C C P E R H： 4 5 ， t l ： 2 7 0 d ； t 2 ： 5 4 0 d ； 管子内径4 0 0 0 mm 管子外 径 4 1 8 3 mm 净保 护层厚度 ： 2 5 m m 钢筒厚 度 ： 2 mm 管 芯 ： 3 8 0 mm P w： 6 0 0 k p a P t ： 2 7 6 k p a P f t ： 9 0 0 k p a f c ： 4 8 Mp a f m： 3 7 9 2 MPa f s u： 1 5 2 37 4MPa We ： 6 8 8 8( N m ) 4 2 例题设计计算测试结果 4 _ 3 测试结果分析 从 上 述例 题计 算 结果 可 以看 出 ，本 软件 与美 国 U D P软件计算结 果值误 差非常小 。此外 ， 经 过大量 的 测试例题 分析 ， 本 软件 与美 国 U D P软件计算结果值 误 差都 在 1 以内 ， 计 算准确 可信 ， 可 以应用 于实 际工 程 中进行进一 步的测试 。 5结论 P C C P设计软件 经过与美 国 U D P软件对 比测算 及 实 际工程试算， 已基 本达 到预期 的设 计 目的， 系统各 程 序模块 运行正 常， 通 过使用本 系统 ， 可 以迅速 获得想 要 得到 的计 算信息， 并 输 出科 学 、规范 的运行结果 。使 P C C P设 计计算工作质量得到很 大的提 高。 使 用本系统 软件 克 服 了美 国材料 参数 和 中 国材料参 数 的重 复 换 算， 降低 了人 力物力 的消耗， 体 现 了现代化设 计 的优 越 性， 提 高了工作效率 。 参考文献 ： 1 张迪士 ， 等 大 口径 P C C P管在软土地基 中的应 用 J 】 ， 中国给水排 水 ， 2 0 0 2 4 【 2 AWWA S t a n d a r d f o r D e s i g n o f P r e s t r e s s e d C o n c r e t e C y l i n d e r P i p e ( A N S I A WWA C 3 0 4 1 9 9 9 ) 【 3 A WWA S t a n d a r d f o r P r e s t r e s s e d C o n c r e t e P r e s s u r e P i p e ，S t e e l C y l i n d e r T y p e( AN S I A WWA C 3 0 1 2 0 0 7 ) 【 4 WWA MAN U AL M9 ( S e c o n d E d i t i o n ) ( ) A WWA手册 M9 混凝土压力管 5 U s e r s G u i d e f o r P r o g r a m U D P ， V e r s i o n 1 0 f 6 G B T 1 9 6 8 5 2 0 0 5 ( 预应力钢筒混凝 土管 f 7 C E C S 1 4 0 ： 2 0 0 2 给水 排水工程埋 地管芯 缠丝预应 力混凝土管 和 预应力钢筒混凝土管管道结构设 计规程 【 8 张彩秀 预应力 钢筒 混凝 土管 ( P C C P) 的有 限元分 析 D 天津大 学 2 0 0 6 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 2 1 6 作者简介 ： 王荣鲁 ( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 工程 师。 联系电话 ： 1 3 9 1 0 7 7 1 6 5 7 E- ma i l ： wa n gr l iwhr c o m 一 41