无粘结后张预应力混凝土管的应用前景和经济效益

摘　要:无粘结后张预应力混凝土管是一种新型的排水管道,通过试验测试了管壁中预应力筋的作用效果及管道的抗水压能力。测试结果表明,无粘结后张预应力钢筋混凝土管可以满足设计水压要求,并且相对于同样尺寸和配筋量的普通钢筋混凝土管,可以大幅度提高对内水压的抵抗能力。论文代写与同样等级的三阶段成型预应力钢筋混凝土管相比,可以减少钢筋用量,简化施工工序,提高经济效益。它是一种很有应用前景和经济效益的新型管道。　　

关键词:无粘结后张预应力混凝土管 预应力损失 承压能力

Abstract:The unbonded post-tensioned prestressed concrete drain pipe is a newtype of product. Three specimenswere tested to study theeffective prestress strength around concrete drain pipe and the capacity to resist inside water pressure. The test results show that theprestressed concrete drain pipe hashigher capacityto resist insidewater pressure than a normal traditional concrete drain pipe ofthe same sizeand steel ratio. It can save steel bar, simplify construction procedure and cut the cost. This newtype of drain pipe, with a low cost, can bewidely used.

Keywords:unbonded post-tensioned　prestressed concrete tube　prestress loss　pressure-resistance capacity

0　引　言

城市给排水工程及火力发电厂需要使用大量的供排水管道。按照材料及结构形式,供排水管道主要有普通钢筋混凝土管、预应力钢筋混凝土管、钢管及钢衬混凝土管等几种[1]。管道承受的主要荷载为内水压力。在均匀的内压力作用下,管壁受拉,普通的钢筋混凝土管壁中由于钢筋和混凝土抗拉能力的差异,无法充分发挥钢筋的抗拉能力。预应力钢筋混凝土管可以充分发挥钢筋的作用。传统的预应力管制作工艺是管芯缠丝工艺,即所谓的三阶段管,但它制作工艺复杂,使用材料也较多。本文中的无粘结后张预应力混凝土管采用后张无粘结预应力技术,在管壁混凝土中配置无粘结预应力钢绞线,管壁上留槽以安装锚具,在浇筑混凝土完成后,张拉钢绞线,在混凝土管壁中施加预压应力,以抵抗工作状态下内水压及外荷载在管壁中产生的拉应力,提高管壁的抗裂能力。与传统的管芯缠丝工艺相比,这种新工艺可以减少钢筋用量,简化施工工序,提高经济效益。

1　试验研究为了研究这种新型供排水管的受力性能和可靠性,共对3个试件进行了试验。3个试件的混凝土管外形尺寸完全相同,但试件3与试件1、试件2的钢绞线布置形式不同。试件1、试件2中除最上及最下1根钢绞线为环绕一圈半外,其他钢绞线均环绕两圈,相邻钢绞线距离为200 mm。管壁开槽以安装锚具,一端张拉,张拉端与锚固端开槽在管壁同侧。试件3中钢绞线均环绕四圈半,相邻钢绞线距离为178 mm。管壁开槽以安装锚具,两端张拉,张拉端与锚固端开槽位置沿环向相距90°。试件的尺寸及配筋形式如图1(侧剖面)所示。

1·1　钢绞线的预应力损失及混凝土管壁表面环向预应力分布测试对试件1、试件2、试件3分别进行试验。在混凝土管壁内、外表面分别沿环向布置电阻应变片,测量在钢绞线张拉过程中混凝土的应变;在被张拉的钢绞线两端布置测力传感器,测量钢绞线张拉端和锚固端的实际拉力,以间接量测钢绞线的预应力损失。试验过程中,钢绞线张拉至0·75fytk,其中fytk为钢绞线的标准抗拉强度。

测试结果表明,混凝土管壁的应力沿环向分布基本均匀,内壁应力大于外壁,管壁应力随张拉力的增加呈线性增长,说明钢绞线对管壁产生了有效的分布均匀的预压应力。根据管壁中的实测环向压应力数值,可以推算出钢绞线的有效应力及预应力损失,见表1。张拉钢绞线过程中,锚固端的拉力随张拉端增长但小于张拉端的拉力,其差值即为预应力的损失。以上3个试件的测试结果总结如表1所示。

1·2　水压试验水压试验采用试件3进行。在混凝土管壁外表面沿环向布置电阻应变片,在混凝土管内加水压,通

过管壁外表面上的应变片来量测混凝土管壁的拉应变及应力。水压自0起增加至0·75 MPa,在0·2、0·4 MPa处分别停留3 min,在0·6 MPa处停留20 min。试验中,在0·6 MPa以前,管壁没有出现开裂、渗水现象,应变与荷载呈线性关系,应变不随时间发展。在0·6MPa处停留过程中,管壁外表面上局部出现渗水现象,但仍符合中华人民共和国国家标准《预应力混凝土输水管(管芯缠丝工艺)》(GB5696-94)的要求。应变随时间略有发展。荷载加到0·72 MPa时,管壁局部出现潮片。加载过程中,测点所在位置一直未出现开裂渗水现象。加载过程中,应变与荷载一直保持良好的线性关系,混凝土的变形没有表现出塑性发展。卸载后应变迅速减小为0,混凝土的变形得到了完全的恢复,说明混凝土尚处于弹性受拉状态。管壁中混凝土预压应力的平均实测值为4~5MPa,C40混凝土的抗拉强度为1·8MPa,所以管壁的抗拉强度提高到5·8~6·8 MPa。实测最大应变值为163×10-6,C40混凝土的弹性模量E=32 500 MPa,拉应力为5·3 MPa,经计算没有超出混凝土管壁的抗拉强度。试验中出现开裂的部位在管壁上部离测点较远的一处位置。如果管壁混凝土质量均匀,第一处开裂的位置是随机出现的,第二处开裂位置应该在第一条裂缝位置的对面。但开裂发生后,维持0·75MPa的水压一段时间,并没有再出现开裂。这说明,出现开裂可能是混凝土浇筑时存在的缺陷及后来的损伤所致,或者是该处钢绞线的张拉不充分,预压力没有起到应有的作用所引起的。根据测试结果,如果管壁的混凝土质量及钢绞线预拉力均能与测点所在处相同,试验的无粘结预应力混凝土水管能够承受0·75 MPa的抗裂压力。

2　理论分析根据试验结果,对于试件1、试件2,控制应力取0·75fytk,全部钢绞线张拉完成时,混凝土管壁的平均有效预压应力可以达到4·0~4·5 MPa。对于试件3,控制应力取0·75fytk,全部钢绞线张拉完成时,混凝土管壁的平均有效预压应力可以达到4~5 MPa。钢绞线缠绕两圈半时,可以一端张拉;缠绕四圈半时,应两端张拉,钢绞线的预应力损失在30%以内。用有限元分析程序Algor12模拟分析单根钢绞线预拉力作用下混凝土管壁中的应力分布。采用线弹性模型、三维板单元进行计算,计算模型如图2所示。根据试验结果,近似地把预应力筋的作用转化成均布环向线荷载加在模型中部,环向荷载为单位荷载。以荷载作用线上环向应力为1,则纵向距离作用线200 mm处,环向应力为0·7;距离作用线400mm处,环向应力为0·5。根据有限元分析计算结果,在一根钢绞线作用下,压应力在管壁中沿环向均匀分布,在其纵向上下各400 mm高的范围内都有影响。这样,当相邻钢绞线距离在200 mm以内时,可以保证整个管壁上压应力都是均匀分布的。

相对于普通钢筋混凝土水管,预应力混凝土管可以大幅度提高对内水压的抵抗能力。以本试验中的试件3为例,按照薄壁模型计算,设内水压为p,管径为r,壁厚为d。在均匀内水压p作用下,管壁中的拉应力为:σ=prd　　混凝土强度等级为C40,取抗拉强度为1·8MPa,d=180 mm,r=1 190 mm,则普通钢筋混凝土管可以抵抗的内水压为:p= 1·8×1801 190= 0·27 MPa　　对于预应力混凝土管,按照本试验测定,设管壁中均匀分布的预压应力为4·5 MPa,则混凝土管可以抵抗的拉应力为6·3 MPa,可以抵抗的内水压为:p= 6·3×1801 190= 0·95 MPa　　实测结果表明,试件3能够承受0·75 MPa的内水压力,可见施加了预应力之后,可以大幅度提高管道对水压的抵抗能力。

3　结　论

1)无粘结后张预应力钢筋混凝土管可以满足使用要求,并且相对于同样尺寸和配筋量的普通钢筋混凝土管,可以大幅度提高对内水压的抵抗能力。2)与同样等级的三阶段成型预应力钢筋混凝土管相比,它可以减少钢筋用量,简化施工工序,提高经济效益。3)相对于钢管,它可以节省钢材用量,降低造价,提高耐久性。4)这是一种很有应用前景的新型管道。但是,在钢绞线的预应力损失计算、锚固端附近混凝土管壁应力分布不均匀等方面,有待进一步研究。

参考文献

1　汤发益,黄秉楠,蔡旭贤.小型水电站预应力混凝土管.北京:水利出版社,1982