钢制倒虹吸管的结构设计 x 配筋计算和抗裂验算 σ——管壁厚度（mm） 应尽量使其 表面层由抗老化添加剂（如紫外光吸收剂）和树脂配制而成 应力计算要求等）的要求 承接口光滑等优点 另外因其抗裂性能较差 Cylinder 5 耗用水泥多等缺点 不会发生冻裂 圆形钢筋混凝土管的纵向管座形式 以改善其受力条件 糙率变化小 由于计算工作量大 宜按弹性地基梁计算 1 （3）钢筋混凝土矩形箱式管施工方便 r 只列出了设计中对几个主要问题（管壁厚度 采用2根管径为2.65m钢管 比钢管省60％以上的钢材 其具体计算要求 如预应力钢筒混凝土管 10.4.7 2 按等截面计算 4 设计流量32m 桥式倒虹吸管管身的管材应根据设计要求和自身支承结构类型选用 实质就是压力钢管设计问题 ） 因此过水流量受到一定限制 PiPe） 其管道配套件齐全 281执行 10.4.9 10.4.6 3 一般工厂或现场生产多采用一阶段法生产 而且比同直径 分为连续式管座与间断式管座两大类 Concrete 式中 4 /s 当L/D大于或等于3时为长壳但可近似地按梁理论计算 远程运输后预应力可能会有一定损失等 1 抗裂 管道较长 表面光滑 其详细设计计算要求及计算公式参见现行行业标准《水电站压力钢管设计规范》SL 目前在我国的引水工程中 ——管道内半径（mm） 矩形管内角加腋的作用显著 当L/D小于0.5时按短壳的弯曲理论或半弯曲理论计算 但其质量不如一阶段法好 按闭合刚架计算其内力 管道各部位中的拉应力应小于混凝土的轴心抗拉强度标准值 分为三阶段工艺法 钢筋混凝土矩形倒虹吸管按规模大小其各部位壁厚可设计为等截面或变截面 纵向内力计算 镇墩基础底面上不应产生拉应力 21238规定的管材 当作用在管道上的荷载及其相应的管座反力确定后 管壁厚度应根据建筑物级别 抗外压能力低 常用的有钢筋混凝土圆形管与钢筋混凝土矩（箱）形管两大类 ≥3 其结构应符合下列规定 其中钢材允许应力值可按规范值的75％采用 进行荷载计算及确定荷载组合 横向两个平面问题分别计算 可不进行计算 10.4.8 变形小 设计工作可由生产厂家自主完成 则需将其顶底部改成圆弧形 并应符合下列第四强度理论条件 当 因此采用这类管座形式的管身纵向内力通常不是设计控制条件 并根据当地自然条件及运行条件提出抗渗 尚应大于抗外压稳定性要求的管壁最小厚度 适用于特殊重要管道 关于钢管说明如下 故除均匀内（外）水压力作用下所引起内力（应力）按此方法计算外 细部结构设计 2 （2）钢筋混凝土圆形管由于其受力条件和水力条件均较好 如新疆某供水工程 稳定 综合分析后确定 若管顶填土压力较大时 管壁混凝土强度等级不应低于C25 玻璃钢夹砂管刚度小 抗裂安全和施工要求确定 宜按下式初拟 在一般情况下 3 适用于高水头 10.4.6 预应力钢筋混凝土管由于抗裂和抗渗性能均比普通钢筋混凝土管好 对管壁厚度δ与管壁平均半径r 验算镇墩结构强度 管壁宜加厚10mm～20mm r 对1级～2级和重要倒虹吸管必要时宜采用有限元法进行应力分析 用5m一级进行计算 根据各项不同外荷载分别采用相应公式计算出各杆内力 在美国 由于管座是刚性结构 预应力混凝土管初拟管壁厚度应按表10.4.6执行 可延缓玻璃钢夹砂管的老化 σ 承受外荷的能力较小 防腐防渗内衬层又分为内表面层和次内层 常被预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管所取代 19685规定的管材 R 抵抗变形 2 露天布置的钢管管壁初拟厚度宜按由内水压力产生的环向拉应力进行估算 1）在内水压力 然后叠加求出管道在设计荷载组合作用下的截面最大内力（M 购置的预应力钢筒混凝土管应尽快安装 次内层含一定量的短切纤维 3 关于现浇钢筋混凝土管说明如下 其耐久性不及钢筋混凝土管 适用于过水流量较大 防锈与维护费用也高 确定各部结构形式及其主要尺寸 理论公式及方法与水电站压力钢管设计基本一样 三阶段法具有工艺较简单 水头损失小等特性 分段采用不同材料的倒虹吸管 宜按横断面为圆环形的梁式管计算 应按现行行业标准《水工混凝土结构设计规范》SL 10.4.9 1 压力为0.4MPa 在阳光直接照射下易老化 式中 细部结构设计 其布置和结构设计应符合本标准渡槽的有关规定进行 2）按空间结构计算时 减少工程量和工程造价 ——设计内水压力（N/mm ～10000N/m 通常是指玻璃纤维增强树脂塑料管 3 如引大入秦灌溉工程总干渠上的先明峡倒虹吸管 对矩形截面 抗倾覆稳定及地基强度等验算 即可按结构力学的弹性中心法求解内力 水力条件好 ＋τX c 节约钢材 应用非常广泛 比值δ/r 我国于1987年～1988年引进PCCP管生产技术 压力等级0.1MPa～2.5MPa 1 预应力混凝土管应进行强度 对δ/r 地基处理设计 因此在本条中 并应按要求定期洒水养护 2）当水头较低（小于或等于15m）时 f c 按一个三次静定的圆环形结构计算 双悬臂梁 覆盖土厚度 计算复杂 1 水头较大的倒虹吸管 2 玻璃钢夹砂管可在40℃～70℃温度范围内长期使用 关于预应力钢筒混凝土管说明如下 因他可以工厂化 按管壁厚度δ和平均半径r 10.4.4 （1）钢制倒虹吸管由于管壁材料具有很高强度和不透水性 强度计算及抗裂验算 σ 内置上凸状弯管的封闭式镇墩尚应配置锚固钢筋以加强整体性 10.4.10 2 应重新拟定管壁厚度另行计算 并具有管节可以较长（伸缩节之间间距可达70m～80m） 施工技术比较复杂 钢筋混凝土管的强度计算应执行现行行业标准《水工混凝土结构设计规范》SL 不结垢 管道各部位中的压应力应小于混凝土的轴心抗拉强度标准值 其管身结构设计应按管道所采用的不同材质管道分段进行 径向正应力（N/mm 3级～5级钢筋混凝土圆管宜简化为管身纵 其纵向内力宜按弹性地基梁计算 1 以拉为正 它比钢管造价低 按其过水断面形状不同 管壁最小厚度按表10.4.7-1选用 采用特殊的耐高温树脂还可在200℃以上温度下正常工作 现很少采用 结构设计 10.4.5 水头较大 管道刚度1250N/m c 1）按平面问题计算时 ） ——剪应力（N/mm 其弧形支承面上都铺设有便于管身随温度变化而自由滑动伸缩的材料（如沥青油毡等） 1级 191的规定 单面对接焊φ＝0.9 土壤类别以及地面荷载等技术参数和要求即可 预应力钢筒混凝土管结构设计应符合下列规定 埋设于土壤中的预应力钢筒混凝土管 不宜露天式布置 ——管道内径（mm） 且基底最大压应力与最小压应力之比不宜大于2.0 不生锈 管身和镇墩的最不利荷载组合分别按表10.4.2-1和表10.4.2-2计算 横向内力计算 1 稳定计算 倒虹吸管的镇墩宜采用混凝土结构 当0.5小于或等于L/D小于3时按圆柱形中长壳的弯曲理论或半弯曲理论计算 f 但预应力混凝土管壁薄 内壁光滑 环向 3）计入曲率对弯曲应力的影响时 支承结构的基础应置于可靠的持力层中并应满足最小埋置深度的要求 间断式管座上管身的纵向内力计算 刚度 D 281 式中的管壁弯矩可根据作用的主要荷载按式（10.4.5-2）估算 h为矩形管截面总高度（m） 防渗漏 钢筋混凝土圆管的结构设计应符合下列规定 也称作富树脂层 其应力状态与管道跨长L和管身内径D（宽度）的比值有关 c 在采购中只须明确管径 性脆 管道长度（纵剖面布置）工作压力 宜分别计算在各项荷载作用下的管道内力 全部采用玻璃钢夹砂管 4）初拟的管壁厚度不满足强度 同水头条件下的普通钢筋混凝土管省20％～30％钢筋 在一般倒虹吸管设计中是优先考虑采用的结构形式 s 水泥省 故在倒虹吸管中采用较少 土基上的基底最大压应力应小于地基允许承载力 plastics） 维修工作量小 2 薄壁管内力计算 10.4.2 关于玻璃钢夹砂管说明如下 允许应力 预应力混凝土管结构设计应符合下列规定 铺设厚度不应小于150mm的砂垫层 成批量生产 当 10.4.11 在管壁内按抗裂的构造要求布置纵向钢筋即可 整体稳定计算（抗滑 其纵向的结构计算也相应分为两大类 钢筋混凝土圆形管管身内力计算是弹性理论空间问题 钢管结构设计应符合下列规定 按其特殊的设计条件应选用符合现行国家标准《玻璃纤维增强塑料夹砂管》GB/T 其强度等级不应低于C20 3 抗渗以及抗冻等要求时 根据各种荷载实际上同时出现的可能性 （2） 可根据介质不同选用合适树脂 2 已有不少工程开始大量采用 加拿大等国的管网工程应用比较普遍 根据计算内力成果 管外表面的巴氏硬度应不小于40 应按其设计条件选用符合现行国家标准《预应力钢筒混凝土管》GB/T 191进行配筋计算及抗裂验算 4 钢绞线作为预应力钢筋时 即水平杆件的计算长度为竖直杆件形心轴轴线间的距离 4 小于或等于1/8的薄壁管宜采用结构力学的弹性中心法计算内力 2 拟定架空梁式管道的跨度时 按弹性工作状态计算所得的应力不应大于钢管允许应力值 预应力与其他荷载组合作用下 以便采用比较简单的梁理论进行计算（按圆环形截面的简支梁 它是由连续纤维缠绕层和树脂砂浆层组成 x ） 2 的比值δ/r 按不同水头分段计算荷载时 1 竖直杆件的计算长度为顶底板形心轴轴线间的距离 然后进行内力计算 2 如湖南大圳灌区新安铺倒虹吸管 加之车间卫生条件差 避免干裂或预应力损失过大而报废 避免损伤管道外壁 ＜3时 2级和重要倒虹吸管的钢筋混凝土圆管管身内力应按弹性理论空间问题求解 θ 其作用是防腐 按布置方式可分为单孔管和多孔管 6 定型化在工厂成批生产 各个杆件的计算长度为杆件形心轴之间的距离 满足长壳条件 稳定安全系数允许值应符合表10.4.10的规定 目前 4 但应按抗裂要求布置纵向构造钢筋 管径大小 i ［σ］——钢材允许应力（MPa） 表中σ 预应力混凝土管宜采用圆形过水断面 其质量好 钢筋混凝土矩形管结构设计应符合下列规定 就是采用一阶段法生产的 10.4 冻土以及大于50mm的砖石块等硬物 按圆柱形中长壳的弯曲理论或半弯曲理论计算 缺点是重量较大 钢管等 寒冷地区镇墩的底部应深埋至冻土线以下 玻璃钢夹砂管又称GRP管（glass 温度以及管座形式等条件 抗冻性能好 19685对保证这种管材生产的质量提供了必要的依据 ——轴向 P 尚应考虑其他可能出现的不利荷载组合 稳定计算 钢筋混凝土矩形管宜直接布设在稳定 预应力混凝土管中 4 1）计算公式应按式（10.4.7-1）计算 i 预应力钢筋混凝土管按其施加预应力方法不同 r 对管道基础要求严格 而且其制造技术要求较高 i 故可用于一般水头较高（H＞50m） 进 即横向按封闭的圆环形结构计算 钢管横断面管壁各计算点的应力计算公式及方法应按现行行业标准《水电站压力钢管设计规范》SL 运输方便.安全技术简单 属热固性塑料管 管径300mm～3100mm 标准化 制造简便 不等截面或不等跨矩形倒虹吸管的横向内力计算宜用结构力学方法进行计算 其中内表面层的树脂含量在90％以上 抗倾覆） σ为钢管管壁厚度 c 10.4.8 荷载组合 在理论上应按弹性力学平面问题求解内力 管径D＝2.0m 玻璃钢夹砂管结构设计应符合下列规定 4 对单孔或等跨多孔等截面的宜按闭合刚架采用结构力学方法计算 管壁厚度可按式（10.4.5-1）估算 2）无内水压力作用（空管）时 ≤ 也可长期用于露天使用的管道 10.4.3 其他荷载所引起内力宜按薄壁管的结构力学方法计算 矩形管的横向内力计算的计算简图应按布置取为单孔或多孔闭合刚架 5 地基条件较差的倒虹吸管 因此当水头H＞50m～60m时 运输和施工不便 ＋τθ 大流量（管径较大） 3 并应符合现行行业标准《水工混凝土结构设计规范》SL 然后按荷载组合将其叠加求得最终的各项内力 刚度为7500N/m ≥3时 抗震性能好等优点 应根据管道跨长L与管身内径D（宽度）的比值采用不同方法计算 结构层的作用主要是承受荷载 ） 否则施工难度增大 50265的规定对镇墩进行抗滑 其混凝土强度等级不宜低于C40 设备投资少 对有连续式刚性管座的可不进行计算 均匀上升 能够长期保持管道的安全运行 2）地下埋管 σ 一阶段工艺法和自应力制管工艺法三种 式中 通常对50m以下水头的管段 倒虹吸管的镇墩内宜配置抗温度变化等的构造钢筋 跨河沟的桥式倒虹吸管部分 一般要采用抗裂性能和防渗性能均较好的其他材料管道 当 r——混凝土塑化系数 钢管抗外压稳定验算的公式及方法应按现行行业标准《水电站压力钢管设计规范》SL （3）玻璃钢夹砂管在我国已经标准化 其值应符合表10.4.7-2的规定 对布置于间断式管座上的管身纵向内力 其缺点是刚度较小 管身横向按封闭圆环型结构计算 10.4.5 对管道较长 τθ 按长壳近似用梁理论计算 通常取1m管长作为计算单元 10.4 厚壁管内力计算 为钢材屈服强度 10.4.7 单孔或等跨多孔等截面矩形倒虹吸管的横向内力计算应沿水流方向截取一米长管段 reinforced 设计水头H＝140m 管径较大的倒虹吸管工程 其中自应力制管工艺法 整体和各部结构的强度 4级～5级倒虹吸管纵向管节长度不大且地基坚固的可按构造要求配置纵向钢筋 3 ） 1）管壁厚度宜按下式初拟 10.4.3 按现行行业标准《水工混凝土结构设计规范》SL 并夯实达到设计密实度 地基应力计算 5 强度高 因此在我国应用比较广泛 应按式（10.4.7-1）计算值再增加1mm～2mm以上的锈蚀及磨损厚度 其中小洼槽倒虹吸管全长13km 1 坚实的地基上 不宜用于回填土较大的情况 N） 玻璃钢夹砂管的覆盖土应符合下列规定 2 管内结冰后 所以能够承受的水头（内水压力）也受到了一定限制 刚度 2 表面层（外保护层） 10.4.4 双面对接焊φ＝0.95 出口水力设计方案确定后进行 （2）玻璃钢夹砂管管壁一般按其功能不同可分为三大层 10.4.1 但树脂含量仍高达70％～80％ 对50m以上水头的管段 2 结构设计应包括下列内容 2 K 3 一般其管径不宜大于4m 时 在预应力与其他荷载组合作用下 191关于伸缩缝最大间距的规定 ——混凝土抗裂强度（N/mm 并应按现行国家标准《泵站设计规范》GB 纵向按截面为圆环形的梁计算 p——内水压力（MPa） 并导致接头处漏水 连续梁等） 钢筋预应力值容易控制 定型化 现行国家标准《预应力钢筒混凝土管》GB/T 1）明置的钢管管壁和加劲环应为2.0 其混凝土强度等级不宜低于C30 水阻小 接头少 2 可用于零下20℃以下 预应力钢筒混凝土管又称PCCP管（Prestressed （4）目前我国有许多厂家生产玻璃钢夹砂管 光面管和锚筋加劲的钢管管壁应为2.0 矩形倒虹吸管的横向内力 是目前我国采用玻璃钢夹砂管口径最大 对不等跨或不等截面的除采用结构力学力法或变位法计算外 价廉 2 其外表添加有紫外线对管道的辐射 1 钢筋混凝土管管身的纵向内力 （1）现浇钢筋混凝土管（包括圆形和矩形）具有耐久 结构层 （1）玻璃钢夹砂管特点 镇墩应设在稳定的地基上 5 限用于管径D≤600mm及承受水头较低的中小型管道的制作 式中 抗外压稳定计算安全系数不应小于下列各值 281的规定执行 先判别属于薄壁管还是厚壁管 ［σ］——相应计算工况的允许应力（N/mm 糙率系数小 2 并应规定混凝土材料的抗冻等级 结构设计 采用玻璃钢夹砂管的工程也很多 4 φ——焊缝系数 抗老化性能和耐热性能好 1 10.4.12 δ——钢管管壁初拟厚度（mm） 当采用消除应力钢丝 管壁厚3＝130mm 或采用将均匀内（外）水压力荷载所产生的内力（应力）按弹性力学平面问题计算 所以在推广使用上受到一定限制 但加腋边长β≤0.1L（L为孔跨）时应不考虑其影响 容易安装各种分支管 只在桥式倒虹吸等有特殊要求地方采用 3）中型汽车车行道下埋设的玻璃钢夹砂管管顶覆盖土厚度要求应符合表10.4.9的规定 对于常规管道宜简化为纵 取r＝1.55或r＝1.55（1.1-0.1h） 按表10.4.4选用 D——钢管内径（mm） 桥式倒虹吸管结构设计包括下列内容 ——混凝土抗裂安全系数 1）回填的覆盖土中不应混含有机材料 大于1/8的厚壁管宜按弹性力学平面问题计算 总工程量达1.433万t 施工 抗侵蚀等要求 重量轻 2 ＜ 用加劲环加劲的钢管管壁和加劲环应为1.8 并应包括下列内容 按短壳的弯曲理论或半弯曲理论计算 防渗的第二道防线 全长400km 抗冻等级和抗磨 当采用钢棒 用10m一级进行计算 内表面层的作用主要是防腐蚀 设计水头167m 连续式刚性管座上管身的纵向内力计算 2）管道两侧的回填土应分层同时回填 管身每节长度均控制在一定的防裂范围之内 关于预应力钢筋混凝土管说明如下 特大型矩形倒虹吸管宜采用有限元方法进行应力分析 内衬层总厚度为1.5mm～5.0mm 镇墩结构设计应符合下列规定 直径为3100mm 2）初拟的管壁厚度 3）薄壁结构的钢管管壁厚度除应满足按式（10.4.7-1）计算的强度要求外 出口建筑物的结构设计 应对管身外壁进行防腐处理 螺纹钢筋作为预应力钢筋时 现浇钢筋混凝土管管身的分节长度应根据地基 但由于受施工条件限制 是一种具有推广价值的好管材 即防腐防渗内衬层 用量较多的工程实例 横向两个平面问题分别计算 191的规定 管节接口处应铺设厚度为管壁厚1.0倍～1.5倍的砂垫层作为过渡层 受力不均时管身容易变形 应在进 r 它主要是防老化 2 3 而其余荷载所引起的内力按结构力学法计算之后再叠加的方法 耐腐蚀性能好 3