CN108018876B

CN108018876B - 一种竹复合综合管廊

Info

Publication number: CN108018876B
Application number: CN201610974480.0A
Authority: CN
Inventors: 叶柃; 殷建学; 赵柱石
Original assignee: Zhejiang Xinzhou Bamboo Based Composites Technology Co Ltd
Current assignee: Zhonglin Xinzhou Bamboo Winding Development Co ltd
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2036-10-31
Also published as: CN108018876A; WO2018076489A1

Abstract

本发明公开了一种竹复合综合管廊，构成管廊的管体沿管径方向由内到外依次包括内衬层、结构层和外防护层；其中，内衬层是由包括内衬层树脂、以及竹纤维无纺布在内的原材料经固化后得到的；结构层是由包括结构层树脂、竹篾、以及生物基填料在内的原材料经固化后得到的；竹篾是边缠绕边淋添加有生物基填料的结构层树脂；该管体的内径至少为2000mm，刚度等级至少为5000N/m²。本发明通过对管体的结构设置、各层结构所采用的材料、工艺等进行改进，能够有效解决竹复合管廊稳定性不高、寿命短的问题。

Description

一种竹复合综合管廊

技术领域

本发明属于市政设施技术领域，更具体地，涉及一种竹复合综合管廊，该竹复合综合管廊是种无应力管廊。

背景技术

管廊是建于城市地下用于敷设市政管线的市政设施。其集电力、通信、广电、燃气、给排水、热力等多种市政管线于一体，有效地利用了道路下的空间，节约地下空间资源，也杜绝了各专业管线分别不定期开挖，对道路通行和周边环境造成的影响，彻底解决了“马路拉链”、“空中蜘蛛网”等问题。

目前，管廊不管是现浇式还是预制式，大多采用钢筋混凝土结构，但是这种结构耗费材料多，建设工程量大，施工周期长，造价高，越来越难以适应现代化城市建设的需求。

竹材料是可再生的绿色环保材料，近年来随着竹缠绕复合相关技术的日益成熟(例如，中国专利文献CN105546230A、CN101571213A、CN202327397U、CN 104033724A等)，竹缠绕相关制品由于其制备成本低、制品性能良好、制备方法绿色环保的特点，受到了越来越多生产企业和消费者的重视，市场占有率也不断提高。竹缠绕复合制品，如竹缠绕复合管道、电线杆、管廊、料仓、高铁车厢外壳等，可广泛的应用于各行各业。

竹复合管廊(竹复合综合管廊)作为一种新型管廊(如中国专利申请CN105042213A、CN105064399A等)，由于其采用生物基材料，尤其是竹材料这种可再生的绿色环保材料，造价低，并具有绿色环保、环境友好的特点。尽管竹复合管廊具有绿色环保的优点，但由于管廊的大口径、且埋于地下的特点，应用时内部应力、以及外部压力大，如何提高竹复合管廊的强度与稳定性、延长使用寿命仍是竹复合管廊应用中不可忽视的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种竹复合综合管廊，其中通过对其关键管廊管体的结构设置、以及各层结构所采用的相应材料、工艺等进行改进，与现有技术相比能够有效解决竹复合管廊稳定性不高、寿命短的问题，并且该竹复合综合管廊无应力、强度高，非常适合于严苛的管廊地下应用环境，能大大延长管廊的使用寿命。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种竹复合综合管廊，其特征在于，该管廊包括管体，所述管体沿管径方向由内到外依次包括内衬层、结构层和外防护层；其中，

所述内衬层是由包括内衬层树脂、以及竹纤维无纺布在内的原材料经固化后得到的；

所述结构层是由包括结构层树脂、竹篾、生物基填料在内的原材料经固化后得到的；该结构层是由所述竹篾缠绕而成，所述竹篾是边缠绕边淋添加有所述生物基填料的所述结构层树脂；

此外，该管体的内径不少于2000mm，刚度等级至少为5000N/m²。

作为本发明的进一步优选，对于所述内衬层，所述竹纤维无纺布满足：竹纤维含量：≥98％；面密度：40～50g/m²；拉伸断裂强力：纵向≥120N；横向≥30N；含水率：8～15％；25℃下的水浸透速率：≤12s；

对于所述结构层，

所述结构层树脂满足固化后：冲击强度a_cu≥50KJ/m²；拉伸强度≥20MPa；巴氏硬度≥50HBa；吸水率≤0.5％；

所述生物基填料的粒径为60目～80目。

作为本发明的进一步优选，所述结构层中的所述原材料还包括网格布，该网格布缠绕在所述竹篾的外部；所述网格布满足：面密度：30～40g/m²；拉伸断裂强力：纵向≥200N；纬向≥150N；断裂伸长率：≤5％；耐酸强力保留率：≥90％。

作为本发明的进一步优选，对于所述结构层，所述竹篾满足：径向拉伸强度为60MPa～100MPa；竹纤维含量为35％～45％；含水率为8％～12％；

所述竹篾优选为竹篾帘，该竹篾帘由多条竹篾片通过编制线连接形成，其中各竹篾片在竹篾片宽度方向上平行等距间隔排列，且所述竹篾帘包括轴向竹篾帘和环向竹篾帘，其中所述轴向竹篾帘的长度方向与其中的竹篾片宽度方向一致，所述环向竹篾帘的长度方向与其中的竹篾片长度方向一致；此外，所述环向竹篾带的抗拉强度为1400N～1600N，所述轴向竹篾带的抗拉强度为180N～220N。

作为本发明的进一步优选，所述内衬层的厚度为4.5mm～5.5mm。

作为本发明的进一步优选，在所述内衬层上还设置有内防水层，当所述管体水平放置时，该内防水层覆盖高度小于预先设定高度值的所述内衬层的表面。

作为本发明的进一步优选，该竹复合综合管廊中还设置有内嵌式支撑构件，该支撑构件嵌装在所述管体的内部，包括多个结构相同的支撑单元，其中：

每个支撑单元包括承重钢环和可拆卸式框架组件，所述可拆卸式框架组件安装在所述承重钢环内，其包括均位于垂直于该管廊轴向的平面上的水平支撑梁、竖直支撑柱和水平横梁，其中，所述水平支撑梁水平设置在所述承重钢环的底部；所述竖直支撑柱包括两根主支撑柱和若干根副支撑柱，所述两根主支撑柱竖直布置在承重钢环和水平支撑梁之间，两根主支撑柱之间的距离L被设定为≥1.0m；所述水平横梁水平布置在承重钢环的两侧，并位于主支撑柱和承重钢环之间，上下两根水平横梁之间设置有所述副支撑柱，由此通过主支撑柱、副支撑柱和上、下两根水平横梁或主支撑柱、副支撑柱、水平横梁和水平支撑梁组成一个用于布置管道的舱室，该舱室四个面与待布置管道的净距b_d被设定为≥100mm；

所述多个支撑单元沿所述管廊的轴向布置，并且相邻两个支撑单元之间的间距L_d被设定为≤2m，两个支撑单元上的对应的竖直支撑柱的上端之间通过连接杆相连，两个支撑单元上的水平支撑梁上架设有底板，该底板上开设有排水孔，其与管廊内壁之间形成的空间用于布置最大管径或最重的管道。

作为本发明的进一步优选，所述承重钢环的厚度为10～20mm，宽度为200～400mm，其为由若干弧形组件两两通过弧形连接板连接成具有两个开口端的可涨紧的环形连接件，所述两个开口端通过紧固件连接,所述弧形连接板中至少有一个设置有长形紧固孔。

作为本发明的进一步优选，所述管体的内表面设置有与所述承重钢环相匹配的环向凹槽，使该承重钢环能够涨紧并嵌在该环向凹槽内从而附着在所述管体内表面。

作为本发明的进一步优选，所述水平支撑梁下方设置有两根底柱，底柱与水平支撑梁之间设置有加强梁。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于将管廊管体的公称直径设置在2000mm以上(如3000mm到10000mm)，通过控制该管廊管体各个层的组成和结构，并对各个层(尤其是内衬层、以及结构层)所使用的材料、及相应的制备工艺进行优化，使得竹复合综合管廊具有大口径、无应力、且强度高的优点，非常适合于埋设于地下作为综合管廊使用，并能有效确保管廊的使用寿命。本发明根据竹缠绕材料力学设计模型，制定出适应于大口径、无应力管廊的竹缠绕材料加工工艺，以中间结构层为例，通过控制缠绕工艺(例如，是将竹篾和网格布叠加一起缠绕而成，竹篾和网格布是边缠绕边淋添加有生物基填料的结构层树脂；并且，竹篾还采用2种排布方式，即轴向竹篾帘和环向竹篾帘，能够进一步提高强度)，并对层结构中所使用的原材料(例如竹篾、网格布、胶黏剂，如结构层树脂、填料等)进行选型和改性研究，使得最终得到的综合管廊具有大内径、且无应力的效果。

本发明中的无应力竹复合管廊是种高强度复合材料，其刚度和强度能承受所要求载荷，包括结构和设备自重、管廊内部管线自重、土压力、地下水压力和浮力、汽车载荷，以及其他地面动载荷；并需要满足抗裂防水和抗震要求。该无应力竹复合管廊的设计使用年限为100年，结构重要系数1.1，抗震烈度7度，抗渗等级为P6，防腐等级为最高级，能够应用于条件恶劣的地下环境，并确保使用寿命。

附图说明

图1是本发明中无应力竹复合管廊的结构示意图。

图2是本发明管廊用内嵌式支撑构件结构图；

图3是本发明管廊用内嵌式支撑构件的断面结构示意图；

图4是本发明内嵌式支撑构件与管廊的装配图；

图5是本发明承重钢环的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

本发明中的无应力竹复合管廊，可通过多个管体之间的相互连接形成，如图1所示，任意一个管体，沿管径方向由内到外依次包括内衬层、结构层和外防护层；其中，

内衬层是由包括内衬层树脂、以及竹纤维无纺布在内的原材料经固化后得到的；

结构层是由包括结构层树脂、竹篾、生物基填料、以及网格布在内的原材料经固化后得到的；该结构层是由所述竹篾缠绕而成，竹篾是边缠绕边淋添加有生物基填料的结构层树脂，该结构层可以由竹篾和网格布叠加一起缠绕而成，竹篾和网格布是边缠绕边淋添加有生物基填料的结构层树脂。

本发明中无应力的竹复合综合管廊，其内径和外径尺度可按表1进行控制。

表1竹复合综合管廊内直径尺寸和偏差(单位：mm)

管廊端面垂直度可按表2进行控制。

表2端面垂直度偏差(单位：mm)

本实施中，管廊管体内衬层的总厚度可以为5±0.5mm，其制备方式可参考竹缠绕复合管道中内衬层的制备，可以由浸润树脂的竹纤维无纺布缠绕而成，内衬层所采用的内衬树脂可以是水溶性树脂，如改性脲醛树脂、水性聚氨酯树脂、聚酯树脂、改性有机硅；为了使内衬层具有耐候性、防火性、力学性能、以及防水性，对于竹纤维无纺布要求：

竹纤维含量：≥98％；

面密度：40～50g/m²；

拉伸断裂强力：纵向≥120N；横向≥30N；

含水率：8～15％；

水浸透速率(25℃)：≤12s。

结构层，其制备方法也可参考竹缠绕复合管道中结构层(也称为增强层)的制备，即是由包括结构层树脂、竹篾、生物基填料、以及网格布在内的原材料经固化后得到的；该结构层是由竹篾和网格布叠加一起缠绕而成，竹篾和网格布是边缠绕边淋添加有生物基填料的结构层树脂。

结构树脂可以采用氨基树脂，树脂内可加入填料。基体树脂固化成型后还应满足表3的规定。

表3基体树脂固化后性能要求

性能	要求
		冲击强度a<sub>cu</sub>(悬臂梁法)KJ/m<sup>2</sup>	≥50
拉伸强度MPa	≥20
		巴氏硬度	≥40
吸水率％	≤0.5

基体树脂中所含填料为生物质粉末，性能应符合表4的规定。

表4填料性能要求

性能	要求
		杂质含量％	≤2.0
纤维素含量％	≥40
		细度P(目)	60≤P≤80

竹篾可采用环向竹篾带和轴向竹篾带，即，可以先将竹篾条编织成竹篾帘，即将多条竹篾片通过编制线连接形成竹篾帘，其中各竹篾片在竹篾片宽度方向上平行等距间隔排列，且所述竹篾帘包括轴向竹篾帘和环向竹篾帘，其中所述轴向竹篾帘的长度方向与其中的竹篾片宽度方向一致，所述环向竹篾帘的长度方向与其中的竹篾片长度方向一致，并要求：

竹篾条的径向拉伸强度为80±20MPa；竹纤维含量40±5％；含水率10±2％。抗拉强度：环向竹篾带1500±100N，轴向竹篾带200±20N。

竹篾带缠绕成型时应包裹网格布，网格布性能应符合以下要求：

材质：聚酯涤纶；

网孔中心距：4mm×4mm(即，纵向网孔中心距离为4mm，纬向网孔中心距离为4mm)；

面密度：30～40g/m²；

拉伸断裂强力：纵向≥200N；纬向≥150N；

断裂伸长率(经、纬向)：≤5％；

耐酸强力保留率(经、纬向)：≥90％。

外防护层可通过涂覆胶衣树脂胶粘剂获得，或采用聚氨酯或聚脲防水涂料等，以使该外防腐材料具备防老化、耐介质、防水、耐冲击和穿刺等性能，可参照标准《聚氨酯防水涂料》GB/T 19250、《喷涂聚脲防护材料》HG/T 3831的规定。

本发明中竹缠绕复合管廊具有良好的耐热防火性能(见表5，按照标准《建筑材料燃烧性能分级》GB 8624分类标准)、抗渗性能(见表6)。

表5竹缠绕复合管廊各部位燃烧等级

材料	防火等级
		管廊	B1
内部支撑	A
		附属结构	A
外防护	B1

表6竹缠绕复合管廊抗渗等级和表面吸水率

本发明中竹复合综合管廊环刚度等级SN分为5000N/m²，8000N/m²，10000N/m²，15000N/m²，20000N/m²，25000N/m²，30000N/m²，初始环刚度S₀应不小于相应的环刚度等级值。抗压强度f_cc应满足：

埋地深度H≤3m，应满足f_c≥50MPa；埋地深度3m＜H＜5m，应满足f_c≥60MPa；埋地深度H≥5，应满足f_c≥80MPa。

竹缠绕复合管廊材料冲击强度a_i应满足：垂直层合方向，a_i≥35KJ/m²；平行层合方向，a_i≥25KJ/m²。轴向强力，如管廊壁轴向拉伸强力，如表7所示，轴向拉伸断裂应变应不小于1.5％(表7也示出了环向拉伸强力的数据)。

表7拉伸强度最小值(单位为兆帕)

挠曲性，如竹缠绕复合管廊挠曲水平A和挠曲水平B，建立在安装后长期使用的现场最大挠度为3％的基础上，例如可以如表8所示。

表8初始挠曲性的径向变形率及要求

环向弯曲强度，即管廊壁的环向弯曲强度F_tm应根据工程设计计算。

本发明中，管体内的内防水层可位于管廊底端最内层(即位于内衬层表面，尤其覆盖以预设高度为界，位于该预设高度下方的内衬层表面，如图1所示)，用以排水时的防水，可采用防水涂料；内衬层功能：保证内表面光滑平整，富含树脂，耐老化性好，不然竹篾暴露，还要抗冲击、抗外力；外防护层功能：应具备防老化、耐介质、防水、耐冲击和穿刺等性能，可采用防腐涂层。

如图2－图5所示，管廊管体内还可设置有内嵌式支撑构件，该支撑构件包括两个结构相同的支撑单元，其中，每个支撑单元包括承重钢环1和可拆卸式框架组件，所述承重钢环1用以连接内部管道支架等其他结构，以提供足够的承载力，承重钢环1可以是任意形状通过粘接、铆接等多种方式固定在管廊管体的内表面，在本实施例中，承重钢环1优选为可涨紧的环形连接件，通过涨紧环形连接件，使其直接固定在管廊管体的内表面，不需要再进行粘接或铆接，安装方便，并且能够不破坏管体的结构。

承重钢环1结构可以为多种，只要能实现缩放即可，一种具体实施方式如图4所示，图4是按照本发明一种实施例所设计的承重钢环的结构示意图，其厚度b为10～20mm，宽度为200～400mm，如此可保证充满介质的内部管道在支撑框架上长期稳定的支撑，其由多个弧形组件1-1两两通过弧形连接板1-2连接成开口的承重钢环1，开口处即具有两个开口端1-3，该两个开口端1-3通过紧固件如螺栓螺母组件连接，所述弧形连接板1-2中至少有一个设置有长形紧固孔1-4。所述弧形组件1-1与所述弧形连接板1-2之间通过螺栓螺母等紧固件连接，螺栓或螺杆等穿过设置在弧形连接板1-2上的长形紧固孔1-4，当调节开口端1-3的紧固件时，长形紧固孔1-4内的螺栓或螺杆等就可以在长形紧固孔1-3内移动从而实现涨紧调节。每个承重钢环1承载总力小于等于2000kgf。

为了降低管廊壁的厚度，以让钢环也能分担一部分环刚度，承重钢环可以设计成双层夹芯结构，即钢环截面为工字型结构，由内外两层钢环及中间钢质肋板拼装焊接而成，钢环厚度10～20mm，宽度200～400mm；肋板尺寸厚度10～20mm，宽度50～100mm。此结构既能作为内部框架连接结构，也能作为管廊增强结构，大幅度提高管廊环向承载性能。为了提高水平支撑梁的支撑强度，在水平支撑梁2下方设置有两根底柱6，底柱6与水平支撑梁2之间设置有加强梁。

为了使固定方式更加可靠，在本实施例中，管廊管体内表面设置有与该承重钢环1相匹配的环向凹槽，使该承重钢环1能够涨紧并嵌在该环向凹槽内从而附着在所述管体内表面。承重钢环1优选在工厂内制作完管体后直接安装上，安装完毕后制成管节，之后将管节运往工程现场进行管节连接，连接完毕后在承重钢环1上连接内部如管道支架等其他结构。

在本实施例中，可拆卸式框架组件安装在承重钢环1内，其由水平支撑梁2、竖直支撑柱3和水平横梁4拼装完成，水平支撑梁2、竖直支撑柱3和水平横梁4均位于垂直于该管廊轴向的平面上，各个梁之间用螺栓螺母连接，其中，水平支撑梁2水平设置，并距离承重钢环1底部h_k位置处，该h_k由内管排布设计(基于空间考虑)和雨水排量确定；竖直支撑柱3包括两根主支撑柱3-1和若干根副支撑柱3-2，两根主支撑柱3-1竖直布置在承重钢环1和水平支撑梁2之间，两根主支撑柱3-1之间的空间作为检修通道，两者之间的距离L≥1.0m，由此可便于管廊内部的检修以及管廊内部各管道的运输，当需要采用检修车或运输车进行检修与管道运输时，距离L需≥2.2m；水平横梁4水平布置在承重钢环1的两侧，并位于主支撑柱3-1和承重钢环1之间，上下两根水平横梁4之间设置有副支撑柱3-2，由此通过主支撑柱3-1、副支撑柱3-2和上、下两根水平横梁4组成一个用于布置管道的舱室或者主支撑柱3-1、副支撑柱3-2、水平横梁4和水平支撑梁2组成一个用于布置管道的舱室，并且各个舱室均位于管廊管体的两侧，该舱室四个面与待布置管道的净距b_d≥100mm，以保证有足够的空间容纳管道补偿器、压力阀等配件，并能进行内部管道的连接操作。每个可拆卸式框架组件承载力小于等于500kgf。

具体的，多个支撑单元沿管廊的轴向布置，并且相邻两个支撑单元之间的间距L_d≤2m，由此保证每个支撑单元所承受的承载力不超过其可承受的最大承载力，保证安全性。相邻两个支撑单元上的对应的竖直支撑柱3的上端之间通过连接杆相连，以保证支撑单元之间的连接强度，单个支撑单元上的两根竖直支撑柱3的上端之间设置有连接杆，以保证支撑柱的支撑强度。

在本实施例中，相邻两个支撑单元上的水平支撑梁2上架设有底板5，该底板5上开设有排水孔，底板5与管廊内壁之间形成的空间可作为排水通道，并且可用于布置最大管径或最重的管道，在底板下方设置为排水通道可以充分利用管廊空间，使管廊具有及时排水功能，并且将最大管径或最重的管道布置在底部，可降低对支撑构件整体支撑强度的要求。所述底板5下方的管道内表面设置有防水层，由防水材料制成。防水层的防水材料可以选择不饱和聚酯树脂、聚脲树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、沥青、防水卷材中的一种。

本发明中竹复合综合管廊可通过多个管体之间的相互连接形成，单个管体的长度可设置为3～8米。竹复管的内表面应光滑平整，无对使用性能有影响的龟裂、分层、杂质、贫胶区、气泡等现象；管端应平齐；边棱应无毛刺；外表面无明显缺陷。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种竹复合综合管廊，其特征在于，该管廊包括管体，所述管体沿管径方向由内到外依次包括内衬层、结构层和外防护层；其中，

此外，该管体的内径不少于2000mm，刚度等级至少为5000N/m²；

并且，对于所述结构层，所述竹篾满足：径向拉伸强度为60MPa～100MPa；竹纤维含量为35％～45％；含水率为8％～12％；

所述生物基填料的粒径为60目～80目，且纤维素含量≥40％；

并且，该竹复合综合管廊整体的抗压强度≥50MPa ；

对于所述内衬层，所述竹纤维无纺布满足：竹纤维含量：≥98％；面密度：40～50g/m²；拉伸断裂强力：纵向≥120N；横向≥30N；含水率：8～15％；25℃下的水浸透速率：≤12s；

所述结构层中的所述原材料还包括网格布，该网格布缠绕在所述竹篾的外部；所述网格布满足：面密度：30～40g/m²；拉伸断裂强力：纵向≥200N；纬向≥150N；断裂伸长率：≤5％；耐酸强力保留率：≥90％。

2.如权利要求1所述竹复合综合管廊，其特征在于，所述竹篾为竹篾帘，该竹篾帘由多条竹篾片通过编制线连接形成，其中各竹篾片在竹篾片宽度方向上平行等距间隔排列，且所述竹篾帘包括轴向竹篾帘和环向竹篾帘，其中所述轴向竹篾帘的长度方向与其中的竹篾片宽度方向一致，所述环向竹篾帘的长度方向与其中的竹篾片长度方向一致；此外，所述环向竹篾带的抗拉强度为1400N～1600N，所述轴向竹篾带的抗拉强度为180N～220N。

3.如权利要求1所述竹复合综合管廊，其特征在于，所述内衬层的厚度为4.5mm～5.5mm。

4.如权利要求1所述竹复合综合管廊，其特征在于，在所述内衬层上还设置有内防水层，当所述管体水平放置时，该内防水层覆盖高度小于预先设定高度值的所述内衬层的表面。

5.如权利要求1所述竹复合综合管廊，其特征在于，该竹复合综合管廊中还设置有内嵌式支撑构件，该支撑构件嵌装在所述管体的内部，包括多个结构相同的支撑单元，其中：

6.如权利要求5所述竹复合综合管廊，其特征在于，所述承重钢环的厚度为10～20mm，宽度为200～400mm，其为由若干弧形组件两两通过弧形连接板连接成具有两个开口端的可涨紧的环形连接件，所述两个开口端通过紧固件连接,所述弧形连接板中至少有一个设置有长形紧固孔。

7.如权利要求6所述竹复合综合管廊，其特征在于，所述管体的内表面设置有与所述承重钢环相匹配的环向凹槽，使该承重钢环能够涨紧并嵌在该环向凹槽内从而附着在所述管体内表面。

8.如权利要求7所述竹复合综合管廊，其特征在于，所述水平支撑梁下方设置有两根底柱，底柱与水平支撑梁之间设置有加强梁。