CN105736851A - 一种预应力钢筒混凝土管的插口抗裂结构及其制造方法 - Google Patents

一种预应力钢筒混凝土管的插口抗裂结构及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种预应力钢筒混凝土管的插口抗裂结构及其制造方法，属于复合型混凝土管技术领域。这种预应力钢筒混凝土管（PCCP）插口抗裂结构，包括在插口端异形钢环外侧预留变形缝、插口端管芯内衬薄钢环以及插口端管芯采用钢纤维混凝土等三种具体措施；在PCCP插口端使用钢纤维混凝土并在其内壁衬以薄钢环，用于提高插口端的抗弯能力，抵抗因管道缠绕预应力钢丝所导致的附加弯矩，降低插口端管芯产生较大的外翻变形；在插口端异形钢环外侧预留变形缝，满足管道变形协调并同时降低附加弯矩，防止环裂向管芯内壁混凝土转移,可以显著提高PCCP生产质量及其服役耐久性；这种抗裂结构可以与现有的PCCP生产方式实现无缝对接，具有操作简单、成本低廉的优势。

Description

一种预应力钢筒混凝土管的插口抗裂结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种预应力钢筒混凝土管的插口抗裂结构及其制造方法，属于复合型混凝土管技术领域。
背景技术
预应力钢筒混凝土管（Pres-stressedConcreteCylinderPipe，缩写为PCCP）是一种复合型管材，由承插口异形钢环、混凝土、钢筒、高强钢丝和水泥砂浆几种材料组合而成，将混凝土抗压、钢丝抗拉、钢筒抗渗等各自特点有机结合在一起，充分利用发挥各种材料的物理力学特性，使得管材同时具有高抗渗、高密封性和高强度的“三高”特征，而逐渐成为输引水管道工程，尤其是大口径、高工压、深覆土铺设使用条件的首选埋地管线材料。我国于20世纪80年代末引进PCCP生产技术，1995年以后逐步推广。目前，国内无论是PCCP生产技术还是生产设备都已相对成熟，已具备PCCP生产能力的生产线有近百条，年设计生产能力达3000km，最大规格的PCCP已达DN4800。PCCP已广泛用于国内大型输引水工程，如山西万家寨引黄工程（DN3000，43.2km）、南水北调中线京石段输水工程（DN4000，双线56km）、沈阳大伙房引水二期工程（DN3200～DN2400，双线132km）、深圳东深供水工程（DN2600，17.3km）、台山核电电厂一期工程淡水水源工程（DN2200，双线11.35km）等。
PCCP管芯由钢筒高强混凝组成，其外部缠绕预应力钢丝，然后在预应力钢丝的外面喷以水泥砂浆形成保护层。钢筒与钢制承插口焊接在一起，由承插口上的凹槽与胶圈形成滑动式柔性接头。根据钢筒在管芯中位置的不同，可分为内衬式预应力钢筒混凝土管（PCCPL）和埋置式预应力钢筒混凝土管（PCCPE），其中管径在1200mm（DN1200）以下一般为内衬式，管径在1400mm（DN1400）以上通常为埋置式。管芯混凝土通常采用钢筒内外加设模板立式浇筑，并经过扶壁式振捣器振捣成型以及蒸汽养护而制成。在PCCP生产过程中，由于嵌埋钢筒和插口端异形钢环根部的截面突变，造成该处在预应力钢丝缠绕时产生较大的应力集中，通常在距插口端200～300mm的管芯内壁出现环向裂缝，并且随着预应力的不断施加，裂缝由表面向钢筒处纵深发展。尽管在PCCP生产过程中，也会采取保温、洒水等措施，但是也只能控制裂缝宽度的进一步发展，并不能从根本上消除插口端内壁环裂的出现。在此后的管道吊运、养护、存放等阶段，由于混凝土干缩等原因裂缝将进一步发展。
资料显示，插口内壁环裂约占裂缝管芯数量的90%。根据现有规范，虽然允许PCCP出厂时存在一定程度的环裂，但是在后续服役过程中，可能出现裂缝无法全部闭合的情况，并且管道变形协调也得不到满足，在内外压作用下，由插口端内壁环裂缝渗入的液体会使钢筒和钢丝发生腐蚀，降低管道的结构承载能力，减少管道使用寿命，严重时导致钢筒或钢丝发生断裂，造成爆管事故发生。
发明内容
本发明的目的是提供一种预应力钢筒混凝土管的插口抗裂结构及其制造方法，通过在插口端异形钢环外侧预留变形缝、插口端管芯内衬薄钢环以及插口端管芯采用钢纤维混凝土的方法，解决PCCP在生产、吊运和堆放过程中可能出现的插口端内壁混凝土环形裂缝问题。
本发明的技术方案是：一种预应力钢筒混凝土管的插口抗裂结构，它包括把插口异形钢环、钢筒、承口异形钢环依次焊接在一起的管状钢结构和浇筑在管状钢结构外表面的外管芯混凝土与浇筑在管状钢结构内表面的内管芯混凝土，所述外管芯混凝土和内管芯混凝土的浇筑高度距离所述插口异形钢环的顶端为500-600mm，所述外管芯混凝土上浇筑外钢纤维混凝土高于所述管状钢结构中钢筒的顶端焊接缝10-20mm，在外钢纤维混凝土与钢筒之间预留的10mm变形缝中填充混凝土，所述内管芯混凝土上浇筑内钢纤维混凝土至插口异形钢环的顶端，在内钢纤维混凝土的内壁设有1-3mm厚的内衬薄钢环；所述外管芯混凝土和外钢纤维混凝土的外圆柱面上缠绕预应力钢丝和辊射砂浆保护层，预应力钢丝一端固定于预埋在外钢纤维混凝土中的第一预应力锚座上，另一端固定于预埋在外管芯混凝土中的第二预应力锚座上。
所述的一种预应力钢筒混凝土管的插口抗裂结构的制造方法采用下列步骤：
第一步、在预应力钢筒混凝土管的管芯混凝土浇筑阶段，将插口异形钢环和承口异形钢环与钢筒按设计要求焊接，并吊入管芯内模的模具底座上；
第二步、吊装外模，在插口端內芯模板外侧安装、固定内衬薄钢环；
第三步、在管芯内模和外模距插口异形钢环顶端500-600mm处设置标记，然后浇筑外管芯混凝土和内管芯混凝土至标记处；
第四步、浇筑适当配合比的外钢纤维混凝土和内钢纤维混凝土，浇筑高度为200mm；
第五步、放置钢环模板，其中钢环模板的内径比钢筒的外径大10mm；
第六步、继续浇筑外钢纤维混凝土和内钢纤维混凝土，保留钢筒与钢环模板之间的变形缝不浇筑；
第七步、强力振捣，形成混凝土管芯，按设计要求养护；
第八步、脱模，包括内模、外模和钢环模板；
第九步、管芯经过养护，混凝土强度达到设计强度的70%时，进入缠绕预应力钢丝工序；
第十步、将变形缝表面剔凿，除去浮灰、碎渣，清水冲洗干净后，用混凝土填充，振捣密实，按设计要求养护；
第十一步、按设计规范辊射砂浆保护层，并进行养护。
本发明的效果和益处：这种预应力钢筒混凝土管（PCCP）的插口抗裂结构，包括在插口端异形钢环外侧预留变形缝、插口端管芯内衬薄钢环以及插口端管芯采用钢纤维混凝土等三种具体措施；在PCCP插口端使用钢纤维混凝土并在其内壁衬以薄钢环，用于提高插口端的抗弯能力，抵抗因管道缠绕预应力钢丝所导致的附加弯矩，降低插口端管芯产生较大的外翻变形；在插口端异形钢环外侧预留变形缝，满足管道变形协调并同时降低附加弯矩，防止环裂向管芯内壁混凝土转移,可以显著提高PCCP生产质量及其服役耐久性；这种抗裂结构可以与现有的PCCP生产方式实现无缝对接，具有操作简单、成本低廉的优势。
附图说明
图1是一种预应力钢筒混凝土管的插口抗裂结构图。
图2是预应力钢筒混凝土管在制造过程中预留变形缝的结构图。
图中：1、插口异形钢环，1a、环形密封槽，2、承口异形钢环，2a、承口异形钢环扩口，3、钢筒，4、外管芯混凝土，4a、内管芯混凝土，5、钢环模板，6、内衬薄钢环，7、外钢纤维混凝土，7a、内钢纤维混凝土，8、混凝土，8a、变形缝，9、预应力钢丝，10、砂浆保护层，11、第一预应力锚座，11a、第二预应力锚座。
具体实施方案
图1示出了一种预应力钢筒混凝土管的插口抗裂结构图。图中，这种预应力钢筒混凝土管的插口抗裂结构包括把插口异形钢环1、钢筒3、承口异形钢环2依次焊接在一起的管状钢结构和浇筑在管状钢结构外表面的外管芯混凝土4与浇筑在管状钢结构内表面的内管芯混凝土4a。外管芯混凝土4和内管芯混凝土4a的浇筑高度距离所述插口异形钢环1的顶端为568mm，外管芯混凝土4上浇筑外钢纤维混凝土7高于所述管状钢结构中钢筒3的顶端焊接缝15mm，在外钢纤维混凝土7与钢筒3之间预留的10mm变形缝中填充混凝土8，内管芯混凝土4a上浇筑内钢纤维混凝土7a至插口异形钢环1的顶端，在内钢纤维混凝土7a的内壁设有1.5mm厚的内衬薄钢环6。外管芯混凝土4和外钢纤维混凝土7的外圆柱面上缠绕预应力钢丝9和辊射砂浆保护层10，预应力钢丝9一端固定于预埋在外钢纤维混凝土7中的第一预应力锚座11上，另一端固定于预埋在外管芯混凝土4中的第二预应力锚座11a上。
图2示出了预应力钢筒混凝土管在制造过程中预留变形缝的结构图。
这种预应力钢筒混凝土管的插口抗裂结构的制造方法采用下列步骤：
第一步、在预应力钢筒混凝土管的管芯混凝土浇筑阶段，将插口异形钢环1和承口异形钢环2与钢筒3按设计要求焊接，并吊入管芯内模的模具底座上；
第二步、吊装外模，在插口端內芯模板外侧安装、固定内衬薄钢环6；
第三步、在管芯内模和外模距插口异形钢环1顶端568mm处设置标记，然后浇筑外管芯混凝土4和内管芯混凝土4a至标记处；
第四步、浇筑适当配合比的外钢纤维混凝土7和内钢纤维混凝土7a，浇筑高度为200mm；
第五步、放置钢环模板5，其中钢环模板5的内径比钢筒3的外径大10mm；
第六步、继续浇筑外钢纤维混凝土7和内钢纤维混凝土7a，保留钢筒3与钢环模板5之间的变形缝8a不浇筑；
第七步、强力振捣，形成混凝土管芯，按设计要求养护；
第八步、脱模，包括内模、外模和钢环模板5；
第九步、管芯经过养护，混凝土强度达到设计强度的70%时，进入缠绕预应力钢丝9工序；
第十步、将变形缝8a表面剔凿，除去浮灰、碎渣，清水冲洗干净后，用混凝土8填充，振捣密实，按设计要求养护；
第十一步、按设计规范辊射砂浆保护层10，并进行养护。
本发明所提出的预防PCCP插口端内壁环裂的抗裂结构，通过设置变形缝减小了预应力钢丝缠绕所导致的附加弯矩值，对环裂预防效果明显，内衬薄钢环和插口端采用钢纤维混凝土显著提高了管芯的抗弯能力，同时内衬薄钢环对于插口的抗渗也会起到积极作用。

Claims (2)

1.一种预应力钢筒混凝土管的插口抗裂结构，它包括把插口异形钢环（1）、钢筒（3）、承口异形钢环（2）依次焊接在一起的管状钢结构和浇筑在管状钢结构外表面的外管芯混凝土（4）与浇筑在管状钢结构内表面的内管芯混凝土（4a），其特征在于：所述外管芯混凝土（4）和内管芯混凝土（4a）的浇筑高度距离所述插口异形钢环（1）的顶端为500-600mm，所述外管芯混凝土（4）上浇筑外钢纤维混凝土（7）高于所述管状钢结构中钢筒（3）的顶端焊接缝10-20mm，在外钢纤维混凝土（7）与钢筒（3）之间预留的10mm变形缝中填充混凝土（8），所述内管芯混凝土（4a）上浇筑内钢纤维混凝土（7a）至插口异形钢环（1）的顶端，在内钢纤维混凝土（7a）的内壁设有1-3mm厚的内衬薄钢环（6）；所述外管芯混凝土（4）和外钢纤维混凝土（7）的外圆柱面上缠绕预应力钢丝（9）和辊射砂浆保护层（10），预应力钢丝（9）一端固定于预埋在外钢纤维混凝土（7）中的第一预应力锚座（11）上，另一端固定于预埋在外管芯混凝土（4）中的第二预应力锚座（11a）上。
2.根据权利要求1所述的一种预应力钢筒混凝土管的插口抗裂结构的制造方法，其特征在于：采用下列步骤：
第一步、在预应力钢筒混凝土管的管芯混凝土浇筑阶段，将插口异形钢环（1）和承口异形钢环（2）与钢筒（3）按设计要求焊接，并吊入管芯内模的模具底座上；
第二步、吊装外模，在插口端內芯模板外侧安装、固定内衬薄钢环（6）；
第三步、在管芯内模和外模距插口异形钢环（1）顶端500-600mm处设置标记，然后浇筑外管芯混凝土（4）和内管芯混凝土（4a）至标记处；
第四步、浇筑适当配合比的外钢纤维混凝土（7）和内钢纤维混凝土（7a），浇筑高度为200mm；
第五步、放置钢环模板（5），其中钢环模板（5）的内径比钢筒（3）的外径大10mm；
第六步、继续浇筑外钢纤维混凝土（7）和内钢纤维混凝土（7a），保留钢筒（3）与钢环模板（5）之间的变形缝（8a）不浇筑；
第七步、强力振捣，形成混凝土管芯，按设计要求养护；
第八步、脱模，包括内模、外模和钢环模板（5）；
第九步、管芯经过养护，混凝土强度达到设计强度的70%时，进入缠绕预应力钢丝（9）工序；
第十步、将变形缝（8a）表面剔凿，除去浮灰、碎渣，清水冲洗干净后，用混凝土（8）填充，振捣密实，按设计要求养护；
第十一步、按设计规范辊射砂浆保护层（10），并进行养护。
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