柔性接口鋼筋混凝土排水管管型圖譜

柔性接口鋼筋混凝土排水管管型圖譜

中國采用了《混凝土和鋼筋混凝土管道》的89個(gè)標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱“gb和16136”標(biāo)準(zhǔn)），但未列出鋼筋混凝土管道的管型。這是中國柔性接口鋼筋混凝土管道的大發(fā)展階段。各地區(qū)新增工廠或老廠在開發(fā)新產(chǎn)品改進(jìn)老產(chǎn)品時(shí)分別自行設(shè)計(jì)、確定管型各部尺寸，造成各地、各工廠的管型不一致，甚至不盡合理，給設(shè)計(jì)、安裝、使用帶來不便，影響產(chǎn)品的競爭力，用戶也不滿意。管型尺寸極為重要，合理的設(shè)計(jì)將為產(chǎn)品提供良好的使用功能，節(jié)約材料，降低成本，也能為施工方便、保證工程質(zhì)量提供有利條件。本文是分析了部分工廠現(xiàn)用管型的優(yōu)劣，結(jié)合管型設(shè)計(jì)計(jì)算方法，編著而成《柔性接口鋼筋混凝土排水管管型圖集》（簡稱為圖集），供相關(guān)企業(yè)進(jìn)行管型設(shè)計(jì)時(shí)參考。一、目前，柔性接口鋼筋混凝土管的主要缺點(diǎn)1、承受式鋼筋混凝土管道的承口、插槽壁的厚度過厚，喇叭口的坡度角小(1）承口、采用anas軟件有限元法a、承插口式鋼筋混凝土排水管管口幾種型式直徑1800mm及以下管子，開槽施工時(shí)應(yīng)用承插口式管型，其管口型式主要有以下四種：(a）型：承口、插口壁厚（h1、h2）小于管身壁厚（H）。(b）型：承口、插口壁厚大致與管身壁厚相同、擋膠圈小臺(tái)高于管身的管口型式。一般用于小口徑（200～1000mm）承插口式鋼筋混凝土排水管。(c）型：承口壁厚大致與管身壁厚相同、插口壁厚小于管身壁厚。一般用于大口徑（1400～1800mm）承插口式鋼筋混凝土排水管。(d）型：承口壁厚大致與管身壁厚相同、插口壁厚略小于管身壁厚，擋膠圈小臺(tái)由管身壁厚構(gòu)成。一般用于大口徑（1200～1800mm）承插口式鋼筋混凝土排水管。我國承插口式鋼筋混凝土排水管的生產(chǎn)，各工廠大多采用（b）型和（d）型管口型式，承口和插口的壁厚基本與管身壁厚相同，認(rèn)為承插口式鋼筋混凝土排水管的承口和插口是管子的薄弱點(diǎn)，管道中承口直徑大于管身，外荷載在承口部位產(chǎn)生的內(nèi)力大于管身，因而承口部位壁厚定為大于或等于管身厚度。大量實(shí)踐證明，此種管型設(shè)計(jì)理論與實(shí)際不符，管子在管道中是承口和插口共同承擔(dān)外荷載引起的內(nèi)力、加上喇叭口坡度段壁厚大于管身所產(chǎn)生的補(bǔ)強(qiáng)作用，使承口和插口部位的內(nèi)力小于管身段（見下節(jié)內(nèi)容）。當(dāng)前正日漸應(yīng)用增多的柔性企口式鋼筋混凝土排水管，其承口和插口的壁厚均遠(yuǎn)小于管身壁厚也證明了這一點(diǎn)。因此承插口式鋼筋混凝土排水管的承口、插口壁厚均可大為減小。承口外直徑減小優(yōu)點(diǎn)是很顯著的，可以減少材料用量、減輕管子重量，減少施工開槽的土方量，管道總成本也可降低。b、使用ANSYS軟件有限元法分析管子承口作用應(yīng)力承插口式管的管端承載能力，用傳統(tǒng)的力學(xué)方法難以確定，本文作者以ANSYS軟件有限元法通過電算，比較平口管與承插口式管的承載能力。計(jì)算實(shí)例為直徑1200mm管，按虛擬三點(diǎn)法荷載試驗(yàn)，管全長按Ⅱ級(jí)管破壞荷載P=120kN/m均布加載（見圖）。從圖3計(jì)算結(jié)果可知，承插口式管承口壁厚與管身相同時(shí)，在相同荷載作用下喇叭口端最大應(yīng)力比平口管小3.44%，即承插口式管的承載能力大于平口管。在相同荷載作用下如二者管壁內(nèi)發(fā)生的應(yīng)力相等時(shí)，壁厚可減小。承插口式鋼筋混凝土排水管承口、插口的壁厚除了應(yīng)滿足管道中具有足夠的承載能力外，尚應(yīng)考慮到生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝過程中不易碰壞，因此小口徑（200～1000mm）管承口、插口壁厚減薄量要小一些，大口徑（1200～1800mm）管減薄量可大一些，承口及插口的減薄系數(shù)與管徑相關(guān)。其推薦值可見圖集中表2。c、新老管型對(duì)比舉例（直徑1200mm承插口式鋼筋混凝土排水管）直徑1200mm新老管型的尺寸對(duì)比見圖4，(a）為新管型；（b）為老管型；（c）為兩種管型承口重疊、外形尺寸及面積對(duì)比圖（圖中網(wǎng)格形面為新老管型的截面面積差）；（d）為兩種管型插口重疊、外形尺寸及面積對(duì)比圖。對(duì)比結(jié)果如下：(a）管子承口外直徑老管型比新管型大87mm、面積增大0.37m2、體積增大0.29m3、管子插口面積增大0.045m2、體積增大0.03m3。(b）每根管的混凝土用量增加0.32m3、管重增大0.87t、管子成本增加70元/根左右。(c）管道施工時(shí)管槽寬度老管型要加寬約200mm，假設(shè)工程長度為1公里、管頂覆土為3m時(shí)，開挖土方量需增加600m3、施工土方成本增加80元/根（3m管長）。a、當(dāng)前承插口式鋼筋混凝土排水管喇叭口坡角承插口式鋼筋混凝土排水管在我國起步應(yīng)用時(shí)，小口徑管較多采用壓力輸水管管型，中型以上管子參考國外管型設(shè)計(jì)。當(dāng)時(shí)承插口式鋼筋骨架的制作部分企業(yè)應(yīng)用人工綁扎骨架，部分企業(yè)應(yīng)用滾焊機(jī)制作骨架，但骨架變徑部分還不能滾焊，仍需人工綁扎，喇叭口坡度的角度由鋼筋與鋼筋骨架制作設(shè)備支架的摩擦角所決定，因此喇叭口坡度角度不能過大，只能定為15°。當(dāng)前，國內(nèi)鋼筋混凝土排水管生產(chǎn)技術(shù)有較大發(fā)展，各種新型鋼筋骨架滾焊機(jī)開發(fā)成功，骨架變徑部位連續(xù)焊接技術(shù)已經(jīng)非常完善過關(guān)，鋼筋骨架整體都能以滾焊成型，為加大喇叭口坡度角創(chuàng)造了良好的條件，在開發(fā)應(yīng)用新的承插口式鋼筋混凝土排水管時(shí)不應(yīng)再局限在原用管型的喇叭口坡度角，應(yīng)適當(dāng)加大承口的坡度角度。b、喇叭口坡度角小的缺點(diǎn)(a）管子重量、材料用量增大從圖3可知，以直徑1800mm、有效長2500mm的管為例，如喇叭口坡度角為15°，整個(gè)喇叭口段占管全長的32.4%，管長的1/3是喇叭口。使管體重量增大,水泥等材料用量增加。(b）管子的質(zhì)量不易保證當(dāng)前鋼筋混凝土排水管大多采用離心或懸輥工藝生產(chǎn)，喇叭口坡度段長度長、厚度厚，使制管工藝復(fù)雜化，制作和靜定過程中容易發(fā)生“坍皮”，各種工藝成型的承口,混凝土都不夠密實(shí),質(zhì)量難以控制。(c）埋設(shè)于管道中管子受力不佳承插口式鋼筋混凝土排水管開槽敷設(shè)時(shí)，一般應(yīng)安裝在未經(jīng)擾動(dòng)的原土上，槽底需按管的外形挖掘成管形槽底，不言而喻，要挖掘成能與承口管底緊密相貼的基礎(chǔ)是極困難的，承口平直段和管身平直段能較好地與基礎(chǔ)貼合，而斜坡段底下不易保證，在較好槽底土質(zhì)條件下，也需回填級(jí)配砂石，增加成本。因此喇叭口段越長，管子受力條件越差，管子容易發(fā)生環(huán)裂和縱裂，管道成本增加越多。2、柔性接口密封設(shè)計(jì)值優(yōu)良的柔性接口型式取決于諸多因素，如：（1）橡膠密封圈（簡稱為“膠圈”）的截面型式；（2）膠圈就位方式（帶膠圈槽或不帶膠圈槽）；（3）膠圈的材質(zhì)特性；4）膠圈的壓縮率；（5）承插口接口間隙；（6）膠圈與混凝土接觸長度；（7）承插口工作面長度；（8）承插口工作面坡角；（9）承插口總長度；（10）管子安裝間隙；（11）管子直徑；（12）管身混凝土與基礎(chǔ)摩擦系數(shù)等。因此柔性接口型式是一項(xiàng)多因素的組合設(shè)計(jì)。但當(dāng)前的柔性接口密封設(shè)計(jì)相當(dāng)部分不甚合理，主要是：（1）接口間隙過大；（2）膠圈尺寸較大，用膠量多，成本增大；（3）膠圈壓縮率偏大，膠圈耐用性降低；（4）承插口工作面坡角不合適，有的偏小，不利于脫模。有的偏大，施工管子回彈量大，管道運(yùn)用過程中由位移或轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的膠圈壓縮率變化值大，影響按口的閉水性；（5）沒有充分發(fā)揮接口的自密性閉水性能，密封閉水性能降低，成本增大。以管徑2600mm管為例，圖集中接口密封設(shè)計(jì)使用的膠圈價(jià)值54元，現(xiàn)用管型膠圈價(jià)值65元，每根管增加費(fèi)用11元，增加了22%。二、密封效果的要求圖集中全面介紹了柔性接口鋼筋混凝土排水管的密封設(shè)計(jì)方法。膠圈型式的柔性接口達(dá)到密封效果，要求：（1）膠圈緊貼接口工作面，有一定的接觸壓應(yīng)力；（2）膠圈與工作面的摩擦阻力大于輸送介質(zhì)的壓力荷載；（3）接口膠圈在使用壽命期內(nèi)，無論接口因位移或橡膠的應(yīng)力松弛，均應(yīng)能保持對(duì)管口工作面的接觸壓應(yīng)力，以保證接口的閉水性。1、自密封型密封性能優(yōu)良的柔性接口取決于截面型式優(yōu)良的膠圈。因此膠圈截面型式的選取，是管道柔性接口密封設(shè)計(jì)優(yōu)劣的首要關(guān)鍵環(huán)節(jié)。管道輸送介質(zhì)的壓力荷載，使膠圈與工作面的接觸壓應(yīng)力沒有明顯增長趨勢(shì)的密封，稱為壓縮型密封。圓型截面膠圈（簡稱O形圈），是一種被廣泛應(yīng)用的膠圈。它是典型的壓縮型膠圈。屬于此類膠圈的截面型式，還有方形、矩形及楔形等。其密封原理是膠圈安裝在接口之間有一定的壓縮量，使膠圈面緊貼住接口工作面，阻塞泄漏通道，由壓縮產(chǎn)生的反彈力形成接觸壓應(yīng)力，并在其密封面產(chǎn)生密封摩擦阻力，平衡管道輸送介質(zhì)壓力荷載，使接口保持密封。在壓力管道中使用時(shí)，受輸送介質(zhì)壓力荷載的作用，O形圈被推向止膠臺(tái)一側(cè)，擠壓力傳遞給密封面，也有一定自密封作用，輸送介質(zhì)壓力越大，自密封作用越大。管道輸送介質(zhì)的壓力荷載，使膠圈與工作面的接觸壓應(yīng)力有顯著增加趨勢(shì)的密封，稱為自密封型密封（常用于壓力管道）。屬于此類膠圈的截面型式有唇型膠圈（簡稱唇形圈）,它的截面一端有唇口，還有K形、M形、C形、Y形等。其密封原理是，截面壓縮變形的接觸壓應(yīng)力，使其唇邊緊貼接口工作面，阻塞泄漏通道。在其密封面產(chǎn)生的壓縮密封摩擦阻力、唇口內(nèi)的輸送介質(zhì)壓力荷載在其密封面產(chǎn)生的自密封摩擦阻力，二者摩擦阻力迭加成密封摩擦阻力合力，平衡管道輸送介質(zhì)壓力荷載，使接口保持密封。O形圈形狀簡單、制造容易、消耗材料少、成本低廉、安裝方法簡單。缺點(diǎn)是：O形圈一般以滾動(dòng)式安裝，安裝穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生扭曲和麻花，影響密封性能、依靠壓縮性密封，膠圈壓縮率取值較大，膠圈長期使用易疲勞，降低彈性。楔形膠圈也屬于壓縮型密封，有一定自密封效果、加工成本不高、采用滑動(dòng)式安裝，安裝時(shí)不會(huì)產(chǎn)生扭曲和麻花，管子縱向回彈量小、位置穩(wěn)定性好，運(yùn)行過程中不易變位移動(dòng)、可取較低的壓縮率，使膠圈在長期使用過程中，保持較好的彈性，使用壽命增長，是當(dāng)前排水管道中最常用的膠圈。缺點(diǎn)是尺寸大，加大接口間隙尺寸，從而使混凝土管整體尺寸加大。圖集中介紹了選用膠圈型式的方法。2、承口向接頭安裝柔性接口混凝土管膠圈就位方式分為滾動(dòng)式和滑動(dòng)式。O形圈在無膠圈槽接口中應(yīng)用時(shí)大都采用滾動(dòng)式安裝，安裝時(shí)膠圈掛在插口端部，承口向插口推進(jìn)帶動(dòng)膠圈滾動(dòng)，逐漸滾向插口止膠臺(tái)根部。此種方式安裝過程中，承插口對(duì)中不易、接口間隙不均，膠圈向內(nèi)滾動(dòng)推力不均衡，膠圈定位位置不能與設(shè)計(jì)位置完全相符，增加膠圈對(duì)管子的縱向推力。因此，此種安裝方式技術(shù)性要求較高。管道運(yùn)行過程中，各種因素會(huì)引起管子位移，O形膠圈易隨管從管口向外滾動(dòng)，改變膠圈壓縮率?；瑒?dòng)式安裝，膠圈直接套至止膠臺(tái)根部，承口向插口推進(jìn)時(shí)在膠圈上滑動(dòng)。此種方式安裝過程中，接口易對(duì)中,膠圈狀態(tài)、性能、位置可達(dá)到設(shè)計(jì)要求、管子發(fā)生移時(shí)，膠圈位置變化小，密封效果易保證。但安裝摩擦阻力大。膠圈在相同高度壓縮率下產(chǎn)生的回彈接觸壓應(yīng)力小于O形膠圈，達(dá)到同等密封效果需加大楔形膠圈尺寸。在排水管道中，應(yīng)確當(dāng)選擇安裝方式、合理選用膠圈型式。3、管道接口品質(zhì)方面要保持柔性接口密封性能的長期有效性，與設(shè)計(jì)的承插口工作面接口間隙（簡稱接口間隙）、膠圈直徑及膠圈壓縮率密切相關(guān)。接口間隙大、膠圈尺寸規(guī)格大，在較低壓縮率下工作面上可產(chǎn)生較大的壓縮接觸應(yīng)力，增大接口密封效果、減小膠圈使用的物理疲勞，有利于管道接口長期保持良好的閉水性能，缺點(diǎn)是增大管道成本。因此應(yīng)合理地確定這三項(xiàng)指標(biāo)，既能符合管道性能要求，又能恰當(dāng)?shù)亟档统杀尽．?dāng)前我國排水管道中設(shè)計(jì)選取的接口間隙和膠圈壓縮率偏大，原因是：（a）混凝土管接口尺寸和圓度公差大；（b）個(gè)別工廠管子接口工作面斜度大；（c）所用膠圈材質(zhì)差；（d）施工質(zhì)量不夠理想，管道長期運(yùn)行過程中管子位移量大，膠圈壓縮率也隨其較大變化，接口易失去閉水性。為了避免這種現(xiàn)象，只能采用加大接口間隙、膠圈直徑和壓縮率來保證接口長期的密封性。4、接口安裝抗壓強(qiáng)度接口工作面斜面角度（簡稱坡角）對(duì)管子制作、施工和運(yùn)行過程中管道安全性有很大影響，是管型設(shè)計(jì)中重要技術(shù)參數(shù)。生產(chǎn)中采用整體承口、插口模型時(shí)，為便于脫模，保護(hù)承口、插口不易被脫壞，希望加大工作面坡角。管道施工安裝時(shí)，膠圈受壓縮產(chǎn)生接觸壓應(yīng)力作用于接口工作面斜面上，引起管道縱向推力，坡角越大縱向推力越大，坡角過大會(huì)造成管子回彈，給施工帶來不便。施工和管道運(yùn)行過程中由于地基沉降等因素引起管子位移和轉(zhuǎn)角，使接口間隙發(fā)生變化，工作面坡角越大，接口間隙變化越大。當(dāng)膠圈壓縮率降至臨界值以下時(shí)，接口密封性受破壞。因此工作面坡角越大，管道運(yùn)行安全性越低。接口工作面坡角設(shè)計(jì)要在滿足管道安裝時(shí)的穩(wěn)定性和長期運(yùn)行安全性的條件下，適當(dāng)加大坡角。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行管道穩(wěn)定性驗(yàn)算、管道允許最大轉(zhuǎn)角驗(yàn)算。當(dāng)前使用的管型承口工作面坡角大都與插口坡角相同，管子發(fā)生位移或相對(duì)轉(zhuǎn)角時(shí)容易帶動(dòng)膠圈向外位移、壓縮率逐漸減小，抗?jié)B密封性能被破壞、另外在負(fù)壓作用下，膠圈也易被向外擠動(dòng)，壓縮率減小，密封性能降低。新管型推存采用插口工作面與承口工作面不同的坡角，管子位移時(shí)不易帶動(dòng)膠圈，也可減小膠圈壓縮率的變化。5、止膠臺(tái)長度短，沒有發(fā)揮閉水密封作用承口管型有兩種形式，一種帶有止膠臺(tái)，一種不帶止膠臺(tái)。當(dāng)前帶止膠臺(tái)管型止膠臺(tái)長度短，止膠臺(tái)立面沒有靠近膠圈，沒有充分發(fā)揮止膠臺(tái)的閉水密封作用。合理的設(shè)計(jì)應(yīng)設(shè)置止膠臺(tái)，止膠臺(tái)立面至插口止膠臺(tái)立面的距離應(yīng)按接口密封設(shè)計(jì)所定的膠圈槽寬度尺寸來定，充分發(fā)揮止膠臺(tái)的閉水密封作用，也可防止外水壓力推動(dòng)膠圈。6、密封壓縮和壓縮接口密封設(shè)計(jì)步驟膠圈型式相關(guān)：(1）選用O形膠圈時(shí)，先確定膠圈直徑、膠圈壓縮率，再確定接口尺寸和接口間隙，驗(yàn)算接口密封性和管道穩(wěn)定性。(2）選用楔形膠圈時(shí)，先確定接頭間隙、膠圈壓縮率，再確定接口尺寸和膠圈尺寸，驗(yàn)算接口密封性和管道穩(wěn)定性。a、按照施工和運(yùn)行過程中管道可能發(fā)生的縱向及折角位移量及膠圈的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定膠圈直徑或接口間隙。b、確定膠圈套上插口后的尺寸；d、管道發(fā)生允許轉(zhuǎn)角位移后膠圈壓縮率計(jì)算；f、膠圈壓縮后有效密封面寬度計(jì)算；g、膠圈密封槽寬度計(jì)算或承口、插口工作面最小長度計(jì)算；h、膠圈與接口混凝土摩