CN105114715A - 带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道及其制作方法 - Google Patents

带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道及其制作方法 Download PDF

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CN105114715A CN201510600759.8A CN201510600759A CN105114715A CN 105114715 A CN105114715 A CN 105114715A CN 201510600759 A CN201510600759 A CN 201510600759A CN 105114715 A CN105114715 A CN 105114715A
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战福军
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Abstract

本发明公开了一种带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道及其制作方法,包括管体,所述管体表面向外延伸形成沿管体外壁螺旋设置的凸筋,该凸筋与管体形成凹槽,并设有用于封堵该凹槽槽口的封堵钢带,所述凸筋和封堵钢带之间形成空心的加强环,并在该加强环内填充混凝土。本发明优点为通过增设与管体一体成型的螺旋加强环增强管道的环向强度;通过在加强环内填充的混凝土进一步提高管体抗压强度;本发明管道解决了在地下共用管道工程、地下综合管廊以及地下通行道路、地铁中能使用大尺寸钢结构产品的难题;同时,本发明方法容易操作、施工简便、缩短工期、降低成本。

Description

带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道及其制作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种管道及其制作方法,尤其涉及一种带螺旋加强环的钢一混凝土组合结构管道及其制造方法。
背景技术
[0002]目前,在管道工程中,常用的管道有水泥管、塑料管、普通碳素钢管、不锈钢管和镀锌钢管等等。较大口径的水泥管有方形管和圆形管,是用水泥跟钢筋进行预制或现场浇注,工程总体造价高,易泄漏,易开裂,耐内压能力差;每节管长度不长,接头多,施工困难;施工时要先做基础,施工成本较高。塑料管是以塑料树脂为原料,加入稳定剂及其它添加剂,在制管机内经挤压加工而成,质量轻;加工方便,但是口径不大;机械强度低、抗破坏性能差、不耐磨损、不耐火,作为空间结构管时达不到消防要求。普通碳素钢管口径不能做的太大,一般只能达到2.5米,国家标准的最大直径是2.4米,大口径时管壁大大增厚,成本高。
[0003] 现有的带螺旋加强环的钢管存在以下缺点:①、管体与加强环是两个单独的部件,通过焊缝连接为一体,在加强环受力时,焊缝是应力集中区,有开裂隐患;©、在卷圆弯曲过程中,由于焊缝处于加工变形区的外侧,焊缝受拉伸,变形大,极易开裂;③、管体如果长期受动载荷,如地铁、车辆等,焊缝极易因动载疲劳而开裂;④、鉴于本类管体结构是半柔性结构物,特别是大直径管体时,对管土共同受力效应(即管体与周围的回填土协同变形)的依赖较大,管体自身的刚度不够,易产生较大的变形。
[0004] 因此,亟待解决上述技术难题。
发明内容
[0005] 发明目的:本发明的第一目的是提供一种高强度、较好适应设备动载荷的带螺旋加强环的钢一混凝土组合结构管道。
[0006] 本发明的第二目的是提供该钢管的制作方法。
[0007] 技术方案:本发明所述的带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道,包括管体,该管体表面向外延伸形成沿管体外壁螺旋设置的凸筋,该凸筋与管体形成凹槽,并设有用于封堵该凹槽槽口的封堵钢带,凸筋和封堵钢带之间形成空心的加强环,并在该加强环内填充混凝土。
[0008] 其中,封堵钢带的截面为一字型、槽型或口字型。
[0009] 本发明中槽型或口字型封堵钢带的底部与管体内壁凹槽槽口位置齐平,形成外壁带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道。
[0010] 本发明中槽型或口字型封堵钢带的底部还可以突出管体内壁凹槽的槽口位置,形成内外壁带双螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道。
[0011] 其中,优选地封堵钢带的至少一侧与凹槽槽口位置焊接。
[0012] 本发明中凸筋的截面为Ω形、槽型、波浪形、抛物线形、方形或梯形。
[0013] 本发明的管体由一面具有凸筋、另一面对应形成凹槽的主钢带,以及用于封堵该凹槽槽口的封堵钢带共同螺旋绕制而成。
[0014] 本发明带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道的制作方法,包括如下步骤:
[0015] (I)预备主钢带和封堵钢带;
[0016] (2)所述主钢带具有第一对边和第二对边,将主钢带弯折成带凸筋的钢带,该凸筋沿主钢带的第一对边间隔设置,且与第二对边的长度一致,并与主钢带形成凹槽;
[0017] (3)将封堵钢带贴合于主钢带凹槽的槽口处,以形成复合型钢带,同时,所述凸筋和封堵钢带之间形成空心的加强环;
[0018] (4)将该复合型钢带螺旋卷制形成带螺旋加强环的管体;
[0019] (5)将管体切割成段并对其钢管两端层间缝隙进行封焊;
[0020] (6)向加强环内填充混凝土。
[0021] 其中步骤(3)中,封堵钢带与主钢带贴合后,采用气体保护焊进行焊接;在步骤
(4)中,对复合型钢带在螺旋卷制过程中自身形成的焊缝进行焊接。
[0022] 发明原理:本发明巧妙的利用了管土共同受力原理和混凝土钢管工作原理。管土共同受力原理是管道在埋置后,管道上部的荷载不是靠管道的刚性来承受的,而是靠管道与土石相互之间受力,相互作用,就形成了管土共同受力作用,垂直向下的荷载就会转化为管体管壁子午向的内压力。而混凝土钢管工作原理是在空心的钢管内充填混凝土,利用混凝土的承压能力和钢管对混凝土的包围作用,使钢管的竖向承压能力增加的结构构件。首先,利用石拱桥原理,将管体螺旋卷绕成圆柱状管体。在管体周向回填土石之后,土石与管体之间相互受力,并将管体结构稳定,管土共同受力效应形成,此时,管体上部垂直向下的动荷载与静荷载就转化为管体管壁内部周向内压力。这就要求管体管壁有很强的抗周向内压的能力,那么管壁的纵向截面就必须有较大的惯性矩,凸筋的存在成几何倍数的加大了这个惯性矩。而在空心腔体内浇满混凝土后,混凝土与包围它的钢板形成了混凝土钢管。根据混凝土钢管理论,混凝土钢管式组合结构,注满混凝土的钢管中,混凝土代替管壁承受轴向压力,使该组合结构承受轴向压力的能力成倍数提高。这个组合结构是对凸筋承压能力的再次加强和提高,确保管壁在承压时不会壁面失稳和弯曲变形,同时,还可以将管壁的钢板减薄使用,节省材料。此外本发明管道由凸筋与管体一体成型,两者之间不存在焊缝,不存在应力集中区,无开裂隐患;同时钢管刚度得到提高,在管土共同受力效应(即管体与周围的回填土协同变形)中不易产生较大变形,可以很好的承受由外界的振动而引起的动载荷,如地铁、车辆等;在上述原理的支持下带螺旋加强环的钢一混凝土组合结构管道就具备了优良的性能。
[0023] 有益效果:与现有技术相比,本发明具有以下显著优点:管道通过加强环增强了整体的环向强度;通过加强环与管体内壁之间填充的混凝土进一步提高管体抗压强度;管体与加强环是一体成型结构,两者之间无焊缝,减少应力集中点,卷圆弯曲过程中变形小,管道不易开裂,较高强度与刚度,可以解决因地基变形导致的管道破坏;管道内外壁带双加强环进一步增加了管壁的壁惯性矩,增强了管道的整体结构强度;双加强环的设置还可以保证当焊缝由于外力作用而发生部分开裂时,未开裂的加强环仍可以起到加强作用;本发明管道可长期承受动载荷,解决了在地下共用管道工程、地下综合管廊、地铁以及地下通行道路中能使用大尺寸钢结构产品的难题;同时,本发明方法容易操作、施工简便、缩短工期、降低成本。
附图说明
[0024] 图1为本发明二种钢带在生产线上的排列位置示意图;
[0025] 图2为本发明成型后主钢带的结构示意图;
[0026] 图3为本发明成型后主钢带和一字型封堵钢带在生产线上的排列位置示意图;
[0027] 图4为本发明成型后主钢带和短槽型封堵钢带在生产线上的排列位置示意图;
[0028] 图5为本发明成型后主钢带和长槽型封堵钢带在生产线上的排列位置示意图;
[0029] 图6为本发明成型后主钢带和口字型封堵钢带在生产线上的排列位置示意图;
[0030] 图7为本发明成型后主钢带和一字型封堵钢带贴合后形成复合钢带的剖视图;
[0031] 图8为本发明成型后主钢带和短槽型封堵钢带贴合后形成复合钢带的剖视图;
[0032] 图9为本发明成型后主钢带和长槽型封堵钢带贴合后形成复合钢带的剖视图;
[0033] 图10为本发明成型后主钢带和口字型封堵钢带贴合后形成复合钢带的剖视图;
[0034]图11为本发明利用图6-8中的复合型钢带螺旋卷绕成钢管的示意图;
[0035]图12为本发明中图10卷绕形成的螺旋钢管的立体图;
[0036]图13为本发明复合型钢带在螺旋卷制过程中自身形成的焊缝的剖视图;
[0037] 图14为本发明管体切割成段后钢管两端层间缝隙的结构示意图;
[0038] 图15为本发明将图6中复合钢带卷绕后形成钢管的半剖视图;
[0039] 图16为本发明将图7中复合钢带卷绕后形成钢管的半剖视图;
[0040] 图17为本发明将图8中复合钢带卷绕后形成钢管的半剖视图;
[0041] 图18为本发明将图9中复合钢带卷绕后形成钢管的半剖视图;
[0042] 图19为本发明在图14中钢管的空心加强环内填充混凝土后的剖视图;
[0043] 图20为本发明在图15中钢管的空心加强环内填充混凝土后的剖视图;
[0044] 图21为本发明在图16中钢管的空心加强环内填充混凝土后的剖视图;
[0045] 图22为本发明在图17中钢管的空心加强环内填充混凝土后的剖视图;
[0046]图23为本发明用一字型封堵钢带制作的带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道的半剖视图;
[0047]图24为本发明用短槽型封堵钢带制作的带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道的半剖视图;
[0048]图25为本发明用长槽型封堵钢带制作的带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道的半剖视图;
[0049] 图26为本发明用口字型封堵钢带制作的带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道的半剖视图。
具体实施方式
[0050] 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0051] 本发明的带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道,包括管体100,该管体100表面向外延伸形成沿管体100的外壁螺旋设置的凸筋102,同时凸筋102的截面为Ω形、槽型、波浪形、抛物线形、方形或梯形等类似形状,该凸筋102可以是一排,也可以是多排并以螺旋方式卷绕于管体外壁;该管体100与凸筋102形成凹槽103,同时管体内壁设有用于封堵该凹槽103槽口的封堵钢带200,该封堵钢带200的截面为一字型、槽型或口字型等类似形状,封堵钢带200的两侧均与凹槽103槽口位置焊接,封堵住该槽口,还可以只将封堵钢带200的一侧与凹槽103槽口位置焊接,另一侧保持自由端,允许轴向变形。
[0052] 带一字型封堵钢带的管道,管体外壁带凸起结构,管体内壁光滑且没有凸出结构,这类管道可用于走水通道等。
[0053] 槽型或口字型封堵钢带的底部201与管体内壁凹槽103槽口位置齐平,形成外壁带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道,其内壁光滑、无凸起结构,这类管道可用于走水通道等。
[0054] 槽型或口字型封堵钢带的底部201突出管体内壁凹槽103的槽口位置,形成内外壁均带双螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道,这类管体适用于火车、地铁等通道,而凸出结构可作为枕木。
[0055] 凸筋102和封堵钢带200之间形成空心的加强环300,并在该加强环300内填充混凝土400。因为混凝土参与承受压力,本发明的钢管的周向承压能力约比普通的钢管增加数倍。
[0056] 管体100由一面具有凸筋102、另一面对应形成凹槽103的主钢带101,以及用于封堵该凹槽103槽口的封堵钢带200共同螺旋绕制而成。
[0057] 本发明的钢管采用如下方法制作而成:
[0058]制作前,根据所螺旋焊接钢管的直径,将螺旋成型机的成型角调节为合适值;
[0059] (I)预备主钢带101和封堵钢带200,如图1所示;
[0060] (2)该主钢带104具有第一对边105和第二对边106,经成型机构,将主钢带104弯折成带凸筋102的钢带,该凸筋102沿主钢带104的第一对边105间隔设置,且与第二对边106的长度一致,并与主钢带104形成凹槽103,如图2-图6所示;
[0061] (3)将封堵钢带200贴合于主钢带凹槽103的槽口处,用气体保护焊将封堵钢带200与主钢带101接触部分焊接在一起以形成复合型钢带,同时,所述凸筋102和封堵钢带200之间形成空心的加强环300,如图7-图10所示;
[0062] (4)将该复合型钢带送入卷圆机构500,在1#辊501、2#辊502、3#辊503的共同作用下螺旋卷制形成带螺旋加强环的管体100,如图11、图12所示;对复合型钢带在螺旋卷制过程中自身形成的螺旋焊缝600用埋弧焊进行焊接,如图13所示。
[0063] (5)将管体100切割成段并对其钢管两端层间缝隙104进行封焊,保证主钢带101与封堵钢带之间形成空心的加强环300,如图14所示;
[0064] (6)向加强环300内填充混凝土,如图15-图26所示。
[0065] 本发明的管体以及管体上的凸筋采用一体成型的方式,增强管体自身强度,减少连接焊缝,减少应力集中点,避免了一般管道需要进行搭接缝强度计算,由于接缝处是应力集中点,厚度一般不能满足设计要求,迫使整个管体厚度加大,浪费材料;本发明的钢管外壁带凸筋,增强了管体的环向强度,内壁带凸筋进一步增强管体的环向强度;
[0066] 本发明的管道的制造方式均采用机械化加工,工作强度大幅减小,管道质量得到保障。本发明的钢管可用于地下共用管道工程、地下综合管廊以及地下通行道路、地铁建设等。
[0067] 实施例1用一字型封堵钢带制作的带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道的实施方案
[0068] 根据所制作的螺旋焊接钢管的直径,将螺旋成型机的成型角调节为合适值。主钢带和封堵钢带,其中封堵钢带的数量按实际生产情况确定,经过放卷、矫平、修边等工序后,按生产位置进行放置,如图1所示;主钢带放在封堵钢带下方的放卷机上,主钢带经过成型机构加工成连续凸筋,封堵钢带再经过成型机构加工成端面为一字型的封堵钢带,如图3所示;将封堵钢带在压轮的作用下,与主钢带贴合,用气体保护焊将内加封堵钢带与主钢带接触部分焊接在一起,形成的复合钢带,一字封堵钢带的底部与管体内壁凹槽槽口位置齐平,如图7所示;将复合钢带送入卷圆机构(1#辊、2#辊、3#辊),如图11所示,在卷圆的同时,管节与管节之间的螺旋焊缝用埋弧焊进行焊接,卷绕成螺旋式钢管,如图12、图13所示;当钢管达到要求长度后,将钢管切断,钢管两端层间缝隙进行封焊,如图14所示,保证主钢带与封堵钢带之间形成空心的加强环结构,且形成外壁带凸筋,内壁光滑的管体,如图15所示;将上述管体埋入土坑,可向内加强环内充填混凝土,形成带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道,如图19、图23所示。
[0069] 实施例2用短槽型封堵钢带制作的带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道的实施方案
[0070] 根据所制作的螺旋焊接钢管的直径,将螺旋成型机的成型角调节为合适值。主钢带和封堵钢带,其中封堵钢带的数量按实际生产情况确定,经过放卷、矫平、修边等工序后,按生产位置进行放置,如图1所示;主钢带放在封堵钢带下方的放卷机上,主钢带经过成型机构加工成连续凸筋,封堵钢带再经过成型机构加工成端面为短槽型的封堵钢带如图4所示;将封堵钢带在压轮的作用下,与主钢带贴合,用气体保护焊将内加封堵钢带与主钢带接触部分焊接在一起,形成的复合钢带,短槽型封堵钢带的底部与管体内壁凹槽槽口位置齐平,如图8所示;将复合钢带送入卷圆机构(1#辊、2#辊、3#辊),如图11所示,在卷圆的同时,管节与管节之间的螺旋焊缝用埋弧焊进行焊接,卷绕成螺旋式钢管,如图12、图13所示;当钢管达到要求长度后,将钢管切断,钢管两端层间缝隙进行封焊,如图14所示,保证主钢带与封堵钢带之间形成空心的加强环结构,且形成外壁带凸筋,内壁光滑的管体,如图16所示;将上述管体埋入土坑,可向内加强环内充填混凝土,形成带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道,如图20、图24所示。
[0071 ] 实施例3用长槽型封堵钢带制作的带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道的实施方案
[0072] 根据所制作的螺旋焊接钢管的直径,将螺旋成型机的成型角调节为合适值。主钢带和封堵钢带,其中封堵钢带的数量按实际生产情况确定,经过放卷、矫平、修边等工序后,按生产位置进行放置,如图1所示;主钢带放在封堵钢带下方的放卷机上,主钢带经过成型机构加工成连续凸筋,封堵钢带再经过成型机构加工成端面为长槽型的封堵钢带;如图5所示;将封堵钢带在压轮的作用下,与主钢带贴合,用气体保护焊将内加封堵钢带与主钢带接触部分焊接在一起,形成的复合钢带,长槽型封堵钢带的底部突出管体内壁凹槽的槽口位置,如图9所示;将复合钢带送入卷圆机构(1#辊、2#辊、3#辊),如图11所示,在卷圆的同时,管节与管节之间的螺旋焊缝用埋弧焊进行焊接,卷绕成螺旋式钢管,如图12、图13所示;当钢管达到要求长度后,将钢管切断,钢管两端层间缝隙进行封焊,如图14所示,保证主钢带与封堵钢带之间形成空心的加强环结构,且形成外壁带凸筋,内壁同样带凸筋的管体,如图17所示;将上述管体埋入土坑,可向内加强环内充填混凝土,形成带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道,如图21、图25所示。
[0073] 实施例4用口字型封堵钢带制作的带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道的实施方案
[0074] 根据所制作的螺旋焊接钢管的直径,将螺旋成型机的成型角调节为合适值。主钢带和封堵钢带,其中封堵钢带的数量按实际生产情况确定,经过放卷、矫平、修边等工序后,按生产位置进行放置,如图1所示;主钢带放在封堵钢带下方的放卷机上,主钢带经过成型机构加工成连续凸筋,封堵钢带再经过成型机构加工成端面为口字型的封堵钢带,如图6所示;将封堵钢带在压轮的作用下,与主钢带贴合,用气体保护焊将内加封堵钢带与主钢带接触部分焊接在一起,形成的复合钢带,口字型封堵钢带的底部突出管体内壁凹槽的槽口位置,如图10所示;将复合钢带送入卷圆机构(1#辊、2#辊、3#辊),如图11所示,在卷圆的同时,管节与管节之间的螺旋焊缝用埋弧焊进行焊接,卷绕成螺旋式钢管,如图12、图13所示;当钢管达到要求长度后,将钢管切断,钢管两端层间缝隙进行封焊,如图14所示,保证主钢带与封堵钢带共同形成内外壁均带有凸的管体,如图18所示;将管体埋入土坑,可向内加强环内充填混凝土,形成带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道,如图22、图26所不O

Claims (9)

1.一种带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道,其特征在于:包括管体(100),所述管体(100)表面向外延伸形成沿管体外壁螺旋设置的凸筋(102),该凸筋(102)与管体(100)形成凹槽(103),并设有用于封堵该凹槽(103)槽口的封堵钢带(200),所述凸筋(102)和封堵钢带(200)之间形成空心的加强环(300),并在该加强环(300)内填充混凝土(400)ο
2.根据权利要求1所述带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道,其特征在于:所述封堵钢带(200)的截面为一字型、槽型或口字型。
3.根据权利要求2所述带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道,其特征在于:所述槽型或口字型封堵钢带的底部(201)与管体内壁凹槽(103)槽口位置齐平,形成外壁带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道。
4.根据权利要求2所述带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道,其特征在于:所述槽型或口字型封堵钢带的底部(201)突出管体内壁凹槽(103)的槽口位置,形成内外壁带双螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道。
5.根据权利要求1所述带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道,其特征在于:所述凸筋(102)的截面为Ω形、槽型、波浪形、抛物线形、方形或梯形。
6.根据权利要求1所述带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道,其特征在于:所述管体(100)由一面具有凸筋(102)、另一面对应形成凹槽(103)的主钢带(101),以及用于封堵该凹槽(103)槽口的封堵钢带(200)共同螺旋绕制而成。
7.根据权利要求1所述带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道的制作方法,其特征在于包括如下步骤: (1)预备主钢带(101)和封堵钢带(200); (2)所述主钢带(104)具有第一对边(105)和第二对边(106),将主钢带(104)弯折成带凸筋(102)的钢带,该凸筋(102)沿主钢带(104)的第一对边(105)间隔设置,且与第二对边(106)的长度一致,并与主钢带(104)形成凹槽(103); (3)将封堵钢带(200)贴合于主钢带凹槽(103)的槽口处,以形成复合型钢带,同时,所述凸筋(102)和封堵钢带(200)之间形成空心的加强环(300); (4)将该复合型钢带螺旋卷制形成带螺旋加强环的管体(100); (5)将管体(100)切割成段并对其钢管两端层间缝隙(104)进行封焊; (6)向加强环(300)内填充混凝土。
8.根据权利要求7所述带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道的制作方法,其特征在于:步骤(3)中,所述封堵钢带(200)与主钢带(101)贴合后,采用气体保护焊进行焊接。
9.根据权利要求7所述带螺旋加强环的钢-混凝土组合结构管道的制作方法,其特征在于:步骤(4)中,对所述复合型钢带在螺旋卷制过程中自身形成的焊缝进行焊接。
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