CN106013393A - 承插式rpc薄壁椭圆截面管及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种承插式RPC薄壁椭圆截面管及其施工方法，所述承插式RPC薄壁椭圆截面管包括管主体和分别设在管主体两端的承口段、插口段；所述管主体的横截面呈椭圆环形，该椭圆环形分为顶弧段、底弧段以及位于在顶弧段和底弧段之间的两段侧弧段四个部分；本发明将RPC材料引入排水管设计；同时椭圆截面管内宽、内高在满足过水面积等于1200mm直径的圆管过水面积的前提下，通过稳定性和力学验算，不断优化，最终确定的内宽、内高尺寸，使得本发明中的椭圆截面管相比其他尺寸椭圆截面管稳定性、抗震性更好，承载力更强。

Description

承插式RPC薄壁椭圆截面管及其施工方法

技术领域

本发明涉及排水管材设计领域，尤其涉及一种承插式RPC薄壁椭圆截面管及其制作方法。

背景技术

我国排水管材建设还有很大发展空间，《2014年全国城乡建设公报》显示，2014年末我国人均排水管材的长度为1.075米，而同期德国人均排水管材长度已达到了5.44米；同时，一些大城市老城区的排水管材修建较早，排水速率较慢，并且部分已经接近使用年限，从而使得排水管的排水能力很是有限。鉴于上述问题，各大城市一旦出现强降雨天气，排水系统往往就会因负担过重而发生内涝，进而对居民出行和城市全面发展带来极大影响。

排水管在应用过程中的可靠性主要由三方面决定：①管材结构设计，包括混凝土强度、管壁厚度、配筋设计、管材形状等；②使用工况，如覆土深度、土质结构、地面动载及静载分布；③施工质量，主要涉及管材埋设时管基对管材两侧的支撑。目前，我国普遍使用的排水管大多为圆截面钢筋混凝土管，一般条件下铺设普通圆管时施工人员先在圆管两侧浇筑弧形基础，以此确保管材在使用过程中的可靠性，因此在基坑开挖时要为浇筑基础所支模板增加开挖沟槽宽度、预留支模空间，浇筑混凝土后还要进行养护，这样不仅会占用大量人力、物力，也会延长工程工期。从生产过程上说，一方面用传统混凝土材料制成的排水管需要配筋，耗能高、污染大，另一方面传统的离心、悬辊工艺生产效率低，所制管道易于发生内外分层、强度不合格等问题。以前有学者提出过椭圆截面管道，如曹生龙的外观设计—《钢筋混凝土椭圆管涵》专利号201030116482X，但是仍局限于传统材料且为平口管，所以仍然存在排水管排水速率缓慢、使用寿命短、生产工艺复杂、不便于现场施工、能耗高、抗震性能差、占用地下空间大以及刚性接口密封性差、容易被破坏的缺点。

发明内容

本发明涉及一种承插式RPC薄壁椭圆截面管的制作方法，要解决传统排水管排水速率缓慢、使用寿命短、抗震性能差、生产工艺复杂、不便于现场施工、能耗高以及占用地下空间大的技术问题。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案。

一种承插式RPC薄壁椭圆截面管，包括管主体和分别设在管主体两端的承口段、插口段，其特征在于：所述管主体的横截面呈椭圆环形，该椭圆环形分为顶弧段、底弧段以及位于在顶弧段和底弧段之间的两段侧弧段四个部分。

所述顶弧段的内边缘为圆弧，该圆弧所在的内顶圆半径为391 mm～392mm，内顶圆半弧夹角为56°～57°。

所述侧弧段的内边缘为圆弧，该圆弧所在的内侧圆半径为1037 mm～1038mm ，内侧圆弧夹角为67°～68°。

所述底弧段的内边缘为圆弧，该圆弧所在的内底圆半径为391 mm～392mm，内底圆半弧夹角为56°～57°；所述底弧段的外侧面设有通长管基。

优选的，所述顶弧段的外边缘为圆弧，该圆弧所在的外顶圆半径为446 mm～447mm，外顶圆半弧夹角为55°～56°。

所述侧弧段的外边缘为圆弧，该圆弧所在的外侧圆半径为1085 mm～1086 mm ，外侧圆弧夹角为69°～70°。

所述管基底部宽度为不小于400mm～450mm，管基厚度不小于60mm～70mm。

优选的，所述管主体与承口段之间还连接有一段管壁厚度呈线性递增的过渡段；所述过渡段的内表面与管主体的内表面平齐。

优选的，所述插口段内表面与管主体内表面平齐，并且插口段外表面呈阶梯形，所述承口段内表面与插口段外表面相配合，并且承口段与插口段的接头通过橡胶圈密封。

优选的，所述插口段为二段阶梯、三段阶梯、四段阶梯或五段阶梯。

一种承插式RPC薄壁椭圆截面管的制作方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤1:首先根据设计椭圆截面管的过水面积等于直径为1200mm圆管过水面积的原则，初步确定椭圆截面管的内宽，内高，并对初步确定内宽，内高的椭圆截面管的进行稳定性和力学验算，不断优化、调整。

步骤2：根据椭圆截面管材的内宽、内高以及过水面积s，对管断面内轮廓线参数进行计算；然后利用有限元软件Midas FEA分析对管材进行受力分析，在满足经济性与稳定性的前提下确定管断面壁厚；然后再根据已经确定好的内宽、内高及管断面壁厚得到椭圆截面管材的外宽、外高以及过水面积S，最后对管断面外轮廓线参数进行计算。

步骤3：管基一体设计；椭圆截面管管基设计尺寸参数的确定，先根据承载要求和经济性原则对椭圆截面管管基底部宽度，管基厚度的确定；然后根据基底部宽度、管基厚度算出管基对应的圆弧夹角以及管基倾斜角。

步骤4：管道接口设计；根据柔性接口设计要求，对椭圆管接口进行设计。

步骤5：管道的制备；根据上述1-4步骤中设计的几何外形参数进行管道的制备。

优选的，步骤2中所述的管断面内轮廓线设计具体步骤为，

步骤a：将椭圆形截面分为内顶弧段、内底弧段以及两段内侧弧段。

步骤b：根据其几何关系计算椭圆顶弧所在的内顶圆半径、内顶圆半弧夹角、内侧弧段所在的内侧圆半径、内侧圆弧夹角、内顶圆圆心距内底圆底部距离；其中计算如下，

h1=h-r1。

步骤c：根据步骤a中所得的参数，得到内顶弧段、内底弧段以及两段内侧弧段尺寸细部图。

步骤d：根据内顶弧段、内底弧段以及两段内侧弧段尺寸计算管材等效过水面积；

其中计算如下，截面面积为S，内顶弧段与内底弧段对应扇形面积均为S1，内侧弧段对应扇形面积为S2，

则有S=2S1+2S2，

。

步骤e：由S=π·（R/2）2，得对应普通圆管直径R，对比相同过水端面面积的普通圆管与椭圆形截面管的差异。

优选的，步骤2中所述管断面壁厚的确定，具体方法为：根据实际经验，初步选定一个断面壁厚；然后根据承载要求和经济性原则,对管进行受力分析，调节壁厚；直到恰好有一个最薄壁厚能满足1200mm圆管的三级裂缝载荷，此壁厚即为所选壁厚。

步骤2中所述管断面外轮廓线设计具体步骤为，

步骤A：将椭圆形外轮廓线截面分为外顶弧段、外底弧段以及两段外侧弧段。

步骤B：根据其几何关系计算椭圆外顶弧段所在的外顶圆半径、外顶圆半弧夹角、外侧弧段所在的外侧圆半径、外侧圆弧夹角；其中计算如下，

。

优选的，步骤4之后，还包括：

建模及受力分析；利用软件建立承插式RPC薄壁椭圆截面管模型，对建好的模型依次施加裂缝荷载、破坏荷载，并进行受力分析，具体包括步骤如下，

a：模型的建立；采用RPC材料为基本材料，不配筋，结合外观尺寸设计的管几何外形参数以及管长度，进行管模型的建立；

b：对a中建立的模型进行线弹性分析；利用有限元软件对管在对应的管裂缝载荷下结构处于线弹性阶段进行分析，得出管处于线弹性阶段时受到的最大拉应力和管的抗拉强度；

c：对a中建立的模型进行总应变裂缝分析；利用有限元软件对管进行单轴受压应力—应变、单轴拉伸应力—应变、以及在对应的管破坏载荷下对模型进行非线性弹性受力分析；得出管在破坏载荷下垂直下压时，模型受到的最大拉应力；

d：比较b中的到的最大拉应力和c的到的最大拉应力，确定管的抗拉强度，然后对RPC材料的配比作出调整。

所述建模及受力分析之后，再进行RPC材料配比的调整；即根据上述受力分析的结果，对RPC材料配比进行调整，使材料的受力性能满足设计要求。

优选的，所述的管道的制备包括步骤如下，

A：所用RPC材料的制备；RPC材料的原料包括水泥、硅灰、石英砂、减水剂、钢纤维，根据d中得到的配比，进行RPC材料的制备。

B：所用模具的制备；根据设计的管几何外形参数，制备模具。

C：施工承插式RPC薄壁椭圆截面管；采用芯模振动法进行承插式RPC薄壁椭圆截面管制备，施工过程分为原料搅拌、浇筑成型、蒸汽养护三个步骤；至此，承插式RPC薄壁椭圆截面管的制备完毕。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果。

1、本发明中椭圆截面管内宽、内高在满足过水面积等于1200mm直径的圆管过水面积的前提下，通过稳定性和力学验算，不断优化，最终确定的内宽、内高尺寸使得本发明中的椭圆截面管相比其他尺寸椭圆截面管稳定性、抗震性更好，承载力更强。

2本发明中承插式RPC薄壁椭圆截面管内轮廓线的由4段圆弧组成，各段圆弧尺寸的选取，使得椭圆管道在满足平均过水率与等面积普通圆管相当的前提下，减小底弧半径、提高过水速率，以及增加了管道自清洁功能。

3、本发明中的管断面壁厚尺寸及管基尺寸的确定，使得椭圆截面管在满足抗震性及承载力、稳定性的情况下，管截面厚度、管基厚度及管基底部宽度尺寸大大减小，从而使得所用材料减少，产品成本更为经济，同时也更加环保。

4、本发明将RPC材料引入排水管设计；同时以椭圆为截面形状，相对普通圆管更窄，壁厚大大减少，更加节约地下空间；本发明所设计的接口，采用承插式接口以橡胶圈相连接，属于柔性接口，抗震性能更好；管道的管基一体设计与普通圆管相比不需要铺设时浇筑管基，减少了沟槽开土方开挖量以及支模养护，不仅使得施工更加方便，同时也增强了管道自身的强度和承载力。

5、本发明承插式RPC薄壁椭圆截面管与普通平口管不同，管道间通过承插口相连，并用橡胶圈加以密封，这种柔性接口相对平口管密封性更好，同时允许管道间有一定的转角，具备更好的抗震性能。

6、本发明性能优良。承插式RPC薄壁椭圆截面管所用材料为RPC材料（ReactivePowder Concrete），新型材料的引进不仅使得管道壁厚大幅减小，从而更加节约地下空间；同时，管道的裂缝载荷、破坏载荷能达到普通管道Ⅲ级管的水平；管道的抗腐蚀和抗冻水平也远高于普通管道；管道的平均过水效率与普通圆管相当，当水位较低时过水效率高于圆管，具有自清洁功能。

7、本发明采用RPC材料，在保证超高抗压强度（160Mpa）的同时还具备相当的抗折强度（20Mpa）。另外，由于RPC材料是超细粒聚密水泥与纤维复合增强技术相结合的产物，所以不仅强度高还具备较高的韧性，抗腐蚀与冻融循环性能，同时所用水泥的减少也具备一定的环保意义。

8、本发明设计排水管材采用芯模振捣成型工艺，以活性粉末混凝土（RPC）为原料，采用椭圆截面，管材间以承插口相互连接，因此在保证过水效率的同时具有高耐久的特点，从生产的角度上能耗较低、满足城市排水方面的需求；同时，为生产RPC薄壁椭圆截面管道，本发明特制一套模具，采用芯模震动的生产工艺，与传统的离心、悬辊工艺比脱模更快，生产效率更高，同时也更加文明、环保。

9、本发明中承插式RPC薄壁椭圆截面管壁厚只有圆管的一半，从而节约了地下空间及原材料，比传统的排水管更加环保；另外，同时不需普通管道的配筋，因而承插式RPC薄壁椭圆截面管在节能环保方面具有重要意义。

附图说明

图1本发明中的管道侧面示意图。

图2本发明中的管主体横截面示意图。

图3本发明中的管主体的细部尺寸示意图。

图4本发明中的管主体的尺寸示意图。

图5本发明中的管道接口示意图。

具体实施方式

如图1-5所示，这种承插式RPC薄壁椭圆截面管，包括管主体4和分别设在管主体4两端的承口段5、插口段6；

所述管主体4的横截面呈椭圆环形，该椭圆环形分为顶弧段1、底弧段2以及位于在顶弧段1和底弧段2之间的两段侧弧段3四个部分。

所述顶弧段1的内边缘为圆弧即内顶弧段，该圆弧所在的内顶圆半径r1为391.44mm，内顶圆半弧夹角α为56.2928°。

所述侧弧段3的内边缘为圆弧即内侧弧段，该圆弧所在的内侧圆半径r2为1037.85mm ，内侧圆弧夹角β为67.41°。

所述底弧段2的内边缘为圆弧即内底弧段，该圆弧所在的内底圆半径为391.44mm，内底圆半弧夹角γ为56.2928°；所述底弧段2的外侧面设有通长管基8。

本实施例中，所述顶弧段1的外边缘为圆弧即外顶弧段，该圆弧所在的外顶圆半径r1’为446.62 mm，外顶圆半弧夹角α2为55.32°。

所述侧弧段3的外边缘为圆弧即外侧弧段，该圆弧所在的外侧圆半径r2’为1085.61 mm ，外侧圆弧夹角β2为69.35°。

所述管基8底部宽度L为400 mm，管基对应的圆弧的圆心角为δ为68°，管基厚度H为70mm；管基倾斜角θ为57°。

本实施例中，所述管主体4与承口段5之间还连接有一段管壁厚度呈线性递增的过渡段7；所述过渡段7的内表面与管主体4的内表面平齐。

本实施例中，所述插口段6内表面与管主体4内表面平齐，并且插口段6外表面呈阶梯形，所述承口段5内表面与插口段6，并且承口段5与插口段6的接头通过橡胶圈密封。

本实施例中，所述插口段6为二段阶梯、三段阶梯、四段阶梯或五段阶梯。

这种承插式RPC薄壁椭圆截面管的制作方法，包括步骤如下：

步骤1:首先根据设计椭圆截面管的过水面积等于直径为1200mm圆管过水面积的原则，初步确定椭圆截面管的内宽b，内高h，并对初步确定内宽b，内高h的椭圆截面管的进行稳定性和力学验算，不断优化、调整。

步骤2：根据椭圆截面管材的内宽b、内高h以及过水面积s，对管断面内轮廓线参数进行计算；然后利用有限元软件Midas FEA分析对管材进行受力分析，在满足经济性与稳定性的前提下，确定管断面壁厚d；然后再根据已经确定好的内宽b、内高h及管断面壁厚d得到椭圆截面管材的外宽b，、外高h，以及过水面积S，最后对管断面外轮廓线参数进行计算。

步骤3：管基一体设计；椭圆截面管管基8设计尺寸参数的确定，先根据承载要求对椭圆截面管管基底部宽度L，管基厚度H的确定；然后根据基底部宽度L、管基厚度H算出管基对应的圆弧夹角δ以及管基倾斜角θ。

步骤4：管道接口设计；根据柔性接口设计要求，对椭圆管接口进行设计。承插式RPC椭圆管接口细部设计参考了《混凝土和钢筋混凝土排水管》（GB/T11836-2009）中的柔性接头B型承插口管接头，管间采用弹性胶圈密封，属于柔性接口，这样允许接口在一定范围内伸缩而保证密封性，避免污水渗漏对环境造成污染，同时对地基的适应性较强，抗震性能好，参照圆管接口尺寸对承插式RPC椭圆管接口进行确定。

步骤5：管道的制备；根据上述1-4步骤中设计的几何外形参数进行管道的制备。

本实施例中，椭圆截面管材的内宽b、内高h分别为1000、1500mm，过水面积约为1.175㎡（相当于内径1200mm普通圆管），长度为2000mm，步骤1中所述的管断面内轮廓线设计具体步骤为，

步骤a：将椭圆形截面分为内顶弧段、内底弧段以及两段内侧弧段。

步骤b：根据其几何关系计算椭圆顶弧所在的内顶圆半径r1、内顶圆半弧夹角α、内侧弧段所在的内侧圆半径r2、内侧圆弧夹角β、内顶圆圆心距内底圆底部距离h1；其中计算如下，

h1=h-r1。

步骤c：根据步骤a中所得的参数，得到内顶弧段、内底弧段以及两段内侧弧段尺寸细部图。

步骤d：根据内顶弧段、内底弧段以及两段内侧弧段尺寸计算管材等效过水面积；

其中计算如下，截面面积为S，内顶弧段与内底弧段对应扇形面积均为S1，内侧弧段对应扇形面积为S2，

则有S=2S1+2S2，

。

步骤e：由S=π·（R/2）2，得对应普通圆管直径R，对比相同过水端面面积的普通圆管与椭圆形截面管的差异。

本实施例中，步骤2中所述管断面壁厚d的确定，管壁厚设计为：根据实际经验，初步选定一个断面壁厚，在满足管材承载要求使用条件的前提下，薄壁应具有具备经济性，和带来施工作业时的简易性。经有限元软件Midas FEA分析，对管进行受力分析，调节壁厚；直到恰好有一个最薄壁厚能满足1200mm圆管的三级裂缝载荷，此壁厚即为所选壁厚；本实施例中，将管材壁厚设计为等壁厚60mm，管材断面外轮廓线的宽度、高度分别为b，=1120mm，h，=1620 mm。

步骤2中所述管断面外轮廓线设计具体步骤为，

步骤A：将椭圆形外轮廓线截面分为外顶弧段、外底弧段以及两段外侧弧段。

步骤B：根据其几何关系计算椭圆外顶弧段所在的外顶圆半径r1’、外顶圆半弧夹角α2、外侧弧段所在的外侧圆半径r2’、外侧圆弧夹角β2；其中计算如下，

。

本实施例中，步骤4之后，还包括

建模及受力分析；利用软件建立承插式RPC薄壁椭圆截面管模型，对建好的模型依次施加裂缝荷载、破坏荷载，并进行受力分析，具体包括步骤如下，

a：模型的建立；采用RPC材料为基本材料，不配筋，结合外观尺寸设计管几何外形参数以及管长度，进行管模型的建立。

b：对a中建立的模型进行线弹性分析；利用有限元软件对管在对应的管裂缝载荷下结构处于线弹性阶段进行分析，得出管处于线弹性阶段时受到的最大拉应力和管的抗拉强度。

c：对a中建立的模型进行总应变裂缝分析；利用有限元软件对管进行单轴受压应力—应变、单轴拉伸应力—应变、以及在对应的管破坏载荷下对模型进行非线性弹性受力分析；得出管在破坏载荷下垂直下压时，模型受到的最大拉应力。

d：比较b中的到的最大拉应力和c的到的最大拉应力，确定管的抗拉强度，然后对RPC材料的配比作出调整。

所述建模及受力分析之后，再进行RPC材料配比的调整；即根据上述受力分析的结果，对RPC材料配比进行调整，使材料的受力性能满足设计要求。

本实施例中，所述的管道的制备包括步骤如下，

A：所用RPC材料的制备；RPC材料的原料包括水泥、硅灰、石英砂、减水剂、钢纤维，根据d中得到的配比，进行RPC材料的制备；具体如下：

与高强混凝土相比，RPC在保持高强度的同时还具有良好的韧性和耐久性，优选原材料是实现RPC优异性能的基础。发明选用原料包括水泥、硅灰、石英砂、减水剂、钢纤维，下文详细介绍各组分性能指标。

（1）水泥

本发明选用水泥为北京金隅水泥厂生产的42.5#普通硅酸盐水泥，水泥细度为3500cm2/g，初凝时间为160mim，终凝为220min，标准稠度用水量为28%，烧失量为0.5，水泥熟料矿物组成（石膏掺量约为3.0%）和实测水泥基本性能如下表所示。

水泥熟料矿物组成

42.5#普通硅酸盐水泥基本力学性能

（2）矿粉

矿粉是工厂在提纯硅或硅铁合金时产生的一种的副产品，为灰白色细粉，其密度为2.22g/cm3，平均粒径小于1um，比表面积为1.43×105cm2/g。本配比所用矿粉的化学组分及粒度检测结果如下表所示：

矿粉组分检测结果

矿粉粒度检测结果

（3）石英砂

选用沧州锴鑫石英砂，粒径范围为0-125mm，石英砂按粒径可分为粗砂、中砂和细砂。为满足RPC对骨料级配的要求，所选石英砂粒径在160um到1250um之间，以此与水泥颗粒80um到100um粒径相区分。不同粒径石英砂的表观密度和堆积密度如下表所示。

石英砂密度分析

（4）减水剂

RPC材料是基于最大密实度理论发展而来，为了保证材料强度设计的水灰比一般较低，因此需要掺入一定量的减水剂使其便于振捣成型。当前国内外被广泛应用的减水剂有新型非萘系高性能减水剂AN-3000、萘系高性能减水剂（PNS）、可溶性树脂型高效减水剂（DFS-2）等。本发明采用自配的AN-3000型减水剂，该型减水剂为深褐色粘稠液体，减水率能达到30%，1h内塌的落度损失几乎可以忽略，对大多数品牌的水泥具有良好的适应性。

（5）钢纤维

选择上海哈瑞克斯公司生产的钢纤维，纤维表面镀铜，长度约为13mm，直径在0.22mm左右，抗拉强度达到2800Mpa。

结合上文叙述，本课题制备承插式RPC椭圆截面管材所配制的RPC160配比如下表所示。

RPC160配比

B：所用模具的制备；根据设计的管几何外形参数，制备模具；本发明所设计的管材截面是由4段圆弧组成的椭圆，无法采用现有模具进行管材制备，因此制造一组新型模具，模具由Q335钢板焊接组成，包括外模、内模、模盖、底模。内模为四段弧形钢板一体成型，管内设有两道横撑杆可调节内模松紧，以便于拆模；管材内、外模具之间设有四个钢制卡扣用于控制二者间隙，防止内、外模具在喂料、振捣时发生相对位移而使椭圆截面管壁厚不一。管材底模依靠螺栓与外模、内模相连接，设计目的在于控制承口成型精度，防止漏浆。

C：施工承插式RPC薄壁椭圆截面管；采用芯模振动法进行承插式RPC薄壁椭圆截面管制备，施工过程分为原料搅拌、浇筑成型、蒸汽养护三个步骤；具体如下：

RPC原料搅拌，RPC原料搅拌工艺和设备与普通混凝土类似，其工艺核心在于钢纤维在混凝土中均匀分散，保证钢纤维在RPC中发挥增强、增韧、阻碍裂缝扩展等作用。本发明对于RPC原料的搅拌选择先干后湿搅拌工艺，搅拌设备使用的是JS1000强制式搅拌机，具体参数如下表所示。

JS1000型搅拌机参数

根据管材尺寸参数计算出所用RPC约为600L（出料），据此估算进料为1000L左右。RPC原材料搅拌首先根据设计配比称量好各种原料用量，先将石英砂、钢纤维放入搅拌机中搅拌3min使二者充分混合；再加入胶凝材料（硅灰、水泥）继续干拌2min使上述各RPC固体原料组分搅拌均匀；将水和外加剂充分混合，倒入搅拌好的掺合料中搅拌6min即可测定其塌落度、出料。为了防止钢纤维团聚，RPC原料搅拌时要注意如下几点：①搅拌前对钢纤维进行外观检验，筛除结团的钢纤维；②选用大功率搅拌机，确保原料搅拌充分；③若采用先干后湿工艺搅拌在钢纤维搅拌均匀前禁止水分进入。

RPC浇筑成型，本发明所用模具质量约为4000kg，每立方米RPC质量为2517kg，如此质量难以在振动台完成振捣，因此成型阶段用龙门吊将搅拌均匀的RPC材料直接浇入模具中，浇筑过程中采用振捣棒与附着式振捣器结合振捣的方式使RPC在模具中均匀分布，振捣直至RPC表面出浆为止。RPC管材成型同时，预留150×150×150mm、150×150×600mm试块各3组（每组3个），采用与管材相同的成型工艺，将成型后的RPC管材表面铺设塑料薄膜放入蒸养坑中进行养护。

蒸气养护，蒸养工艺要求：①管材在振捣成型后覆膜静停6h，此时要求环境温度在20℃以上，相对湿度不低于60%；②随后在40℃下，恒温蒸汽养护24h，随后在与环境温差小于20℃脱模，此过程中升温速度要求低于12℃/h，降温速度不大于15℃/h；③RPC管材脱模后，在80℃继续恒温蒸养48h（升降温度要求参考上一步骤），随后在与外界温差小于20℃条件下出蒸养井，自然条件下洒水覆膜7天结束养护，完成承插式RPC椭圆截面管材制备。

至此，承插式RPC薄壁椭圆截面管的制备完毕。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现型式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种承插式RPC薄壁椭圆截面管，包括管主体(4)和分别设在管主体(4)两端的承口段(5)、插口段(6)，其特征在于：

所述管主体(4)的横截面呈椭圆环形，该椭圆环形分为顶弧段(1)、底弧段(2)以及位于在顶弧段(1)和底弧段(2)之间的两段侧弧段(3)四个部分；

所述顶弧段(1)的内边缘为圆弧，该圆弧所在的内顶圆半径(r₁)为391mm～392mm，内顶圆半弧夹角(α)为56°～57°；

所述侧弧段(3)的内边缘为圆弧，该圆弧所在的内侧圆半径(r₂)为1037mm～1038mm，内侧圆弧夹角(β)为67°～68°；

所述底弧段(2)的内边缘为圆弧，该圆弧所在的内底圆半径为391mm～392mm，内底圆半弧夹角(γ)为56°～57°；所述底弧段(2)的外侧面设有通长管基(8)。

2.根据权利要求1所述的一种承插式RPC薄壁椭圆截面管，其特征在于：

所述顶弧段(1)的外边缘为圆弧，该圆弧所在的外顶圆半径(r₁’)为446mm～447mm，外顶圆半弧夹角(α₂)为55°～56°；

所述侧弧段(3)的外边缘为圆弧，该圆弧所在的外侧圆半径(r₂’)为1085mm～1086mm，外侧圆弧夹角(β₂)为69°～70°；

所述管基(8)底部宽度(L)为400mm～450mm，管基厚度(H)为60mm～70mm。

3.根据权利要求1所述的一种承插式RPC薄壁椭圆截面管，其特征在于：所述管主体(4)与承口段(5)之间还连接有一段管壁厚度呈线性递增的过渡段(7)；所述过渡段(7)的内表面与管主体(4)的内表面平齐。

4.根据权利要求1所述的一种承插式RPC薄壁椭圆截面管，其特征在于：所述插口段(6)内表面与管主体(4)内表面平齐，并且插口段(6)外表面呈阶梯形，所述承口段(5)内表面与插口段(6)外表面相配合，并且承口段(5)与插口段(6)的接头通过橡胶圈密封。

5.根据权利要求4所述的一种承插式RPC薄壁椭圆截面管，其特征在于：所述插口段(6)为二段阶梯、三段阶梯、四段阶梯或五段阶梯。

6.一种权利要求1-5中任意一项所述的承插式RPC薄壁椭圆截面管的施工方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤1:首先根据设计椭圆截面管的过水面积等于直径为1200mm圆管过水面积的原则，初步确定椭圆截面管的内宽(b)，内高(h)，并对初步确定内宽(b)，内高(h)的椭圆截面管的进行稳定性和力学验算，不断优化、调整；

步骤2：根据椭圆截面管材的内宽(b)、内高(h)以及过水面积s，对管断面内轮廓线参数进行计算；然后利用有限元软件Midas FEA分析对管材进行受力分析，在满足经济性与稳定性的前提下，确定管断面壁厚(d)；然后再根据已经确定好的内宽(b)、内高(h)及管断面壁厚(d)得到椭圆截面管材的外宽(b，)、外高(h，)以及过水面积S，最后对管断面外轮廓线参数进行计算；

步骤3：管基一体设计；椭圆截面管管基(8)设计尺寸参数的确定，先根据承载要求和经济性原则对椭圆截面管管基底部宽度(L)，管基厚度(H)的确定；然后根据基底部宽度(L)、管基厚度(H)算出管基对应的圆弧夹角(δ)以及管基倾斜角(θ)；

步骤4：管道接口设计；根据柔性接口设计要求，对椭圆管接口进行设计；

步骤5：管道的制备；根据上述1-4步骤中设计的几何外形参数进行管道的制备。

7.根据权利要求6所述的承插式RPC薄壁椭圆截面管的施工方法，其特征在于：步骤2中所述的管断面内轮廓线设计具体步骤为，

步骤a：将椭圆形截面分为内顶弧段、内底弧段以及两段内侧弧段；

步骤b：根据其几何关系计算椭圆顶弧所在的内顶圆半径(r₁)、内顶圆半弧夹角(α)、内侧弧段所在的内侧圆半径(r₂)、内侧圆弧夹角(β)、内顶圆圆心距内底圆底部距离(h₁)；其中计算如下，

β＝180°-2α

$r_2=\frac{1}{2}\[\sqrt{{\left(\frac{h}{2}\right)}^2+{\left(\frac{b}{2}\right)}^2}+\frac{h}{2}-\frac{b}{2}\]/sin\left(\frac{\mathrm{\β}}{2}\right)$

$r_1=\frac{h}{2}-(r_2-\frac{b}{2})tan\frac{\mathrm{\β}}{2}$

h₁＝h-r₁；

步骤c：根据步骤a中所得的参数，得到内顶弧段、内底弧段以及两段内侧弧段尺寸细部图；

步骤d：根据内顶弧段、内底弧段以及两段内侧弧段尺寸计算管材等效过水面积；其中计算如下，截面面积为S，内顶弧段与内底弧段对应扇形面积均为S₁，内侧弧段对应扇形面积为S₂，

则有S＝2S₁+2S₂，

步骤e：由S＝π·(R/2)²，得对应普通圆管直径R，对比相同过水端面面积的普通圆管与椭圆形截面管的差异。

8.根据权利要求6所述的承插式RPC薄壁椭圆截面管的施工方法，其特征在于：

步骤2中所述管断面壁厚(d)的确定，具体方法为：根据实际经验，初步选定一个断面壁厚；然后根据承载要求和经济性原则，对管进行受力分析，调节壁厚；直到恰好有一个最薄壁厚能满足1200mm圆管的三级裂缝载荷，此壁厚即为所选壁厚；

步骤2中所述管断面外轮廓线设计具体步骤为，

步骤A：将椭圆形外轮廓线截面分为外顶弧段、外底弧段以及两段外侧弧段；

步骤B：根据其几何关系计算椭圆外顶弧段所在的外顶圆半径(r₁’)、外顶圆半弧夹角(α₂)、外侧弧段所在的外侧圆半径(r₂’)、外侧圆弧夹角(β₂)；其中计算如下，

β₂＝180°-2α₂

$r_2^{\′}=\frac{1}{2}\[\sqrt{{\left(\frac{h^{\′}}{2}\right)}^2+{\left(\frac{b^{\′}}{2}\right)}^2}+\frac{h^{\′}}{2}-\frac{b^{\′}}{2}\]/sin\left(\frac{{\mathrm{\β}}_2}{2}\right)$

$r_1^{\′}=\frac{h^{\′}}{2}-\left(r_2^{\′}-\frac{b^{\′}}{2}\right)tan\frac{{\mathrm{\β}}_2}{2}.$

9.根据权利要求6所述的承插式RPC薄壁椭圆截面管的施工方法，其特征在于：步骤4之后，还包括：

建模及受力分析；利用软件建立承插式RPC薄壁椭圆截面管模型，对建好的模型依次施加裂缝荷载、破坏荷载，并进行受力分析，具体包括步骤如下，

a：模型的建立；采用RPC材料为基本材料，不配筋，结合外观尺寸设计的管几何外形参数以及管长度，进行管模型的建立；

b：对a中建立的模型进行线弹性分析；利用有限元软件对管在对应的管裂缝载荷下结构处于线弹性阶段进行分析，得出管处于线弹性阶段时受到的最大拉应力和管的抗拉强度；

c：对a中建立的模型进行总应变裂缝分析；利用有限元软件对管进行单轴受压应力—应变、单轴拉伸应力—应变、以及在对应的管破坏载荷下对模型进行非线性弹性受力分析；得出管在破坏载荷下垂直下压时，模型受到的最大拉应力；

d：比较b中的到的最大拉应力和c的到的最大拉应力，确定管的抗拉强度，然后对RPC材料的配比作出调整；

所述建模及受力分析之后，再进行RPC材料配比的调整；即根据上述受力分析的结果，对RPC材料配比进行调整，使材料的受力性能满足设计要求。

10.根据权利要求9所述的承插式RPC薄壁椭圆截面管的施工方法，其特征在于：所述的管道的制备包括步骤如下，

A：所用RPC材料的制备；，根据d中得到的配比，进行RPC材料的制备；

B：所用模具的制备；根据设计的管几何外形参数，制备模具；

C：施工承插式RPC薄壁椭圆截面管；采用芯模振动法进行承插式RPC薄壁椭圆截面管制备，施工过程分为原料搅拌、浇筑成型、蒸汽养护三个步骤；至此，承插式RPC薄壁椭圆截面管的制备完毕。