基于钢筒混凝土管的设计安全性分析

  为了提高钢筒混凝土管的设计安全性能与质量可靠性，本文通过对钢筒混凝土的设计的规范与准则，设计管的材料的选择安全性与设备生产钢筒管的技术要求内容进行分析，对钢筒混凝土管的设计安全性提供了一定的经验与方法。
    钢筒混凝土管是由钢筒、钢丝以及砂装等材料进行组成形成一种具有良好的性能的管材。该管材通过在外表面进行多层钢丝的缠绕后，并对其进行砂浆喷射后，形成具有抗压、抗渗透能力以及耐腐蚀等优点的管材。在钢筒混凝土管的设计环节中，必须结合所适应的环境的特点来，防止钢筒混凝土管发生断丝和裂缝等问题，保证其结构的安全性与可靠性，在工程应用领域具有重要的研究价值与理论意义。
    钢筒混凝土管设计分析
    对于预应力钢筒混凝土管的设计国内采用的是CECS 140:2011设计规范，规范的制定根据结合排水管道结构设计规范和混凝土结构设计标准规范来完成对整个钢筒混凝土管的设计要求规定。在钢筒管道结构设计的过程中，正常使用极限状态以及承载能力极限状态两种方法可以对管道的结构可靠性来判别。
    1.1.预应力钢筒混凝土管进行承载力外压试验，通过数值模拟来反映裂缝对钢筒管的影响。在承载实验中，根据断丝的实验分析，管道瞬间出现贯通裂缝的部位位于管顶、管底以及管腰砂浆保护层处。对于钢筒管进行断丝的数值模拟后，得到极限状态下断丝数量越多则施加的内水压越小；伴随着内水压的变大，造成断丝区的屈服强度与应变与极限越来遇到，更接近材料的屈服极限。当出现断丝后，很容易产生局部突起以及渗透和爆裂问题，因此为了防止断丝，设计在最大检验内压力的作用下，预应力钢筒混凝土管不应该出现长度大于300mm ，宽大不应大于0.25mm的裂缝，否者重新设计。
    1.2.对钢筒混凝土管的尺寸公差设计符合GB / T19685—2005的设计要求，承插口处理的椭圆度满足其偏差值大小不大于6mm。
    1.3.设计过程中，通过研究承插口接头砂浆实验进行减水剂、矿物掺合料等成分对灌缝砂浆的影响规律，根据规律进行钢筒管耐久性影响分析，得到最优的灌缝砂浆配合比，提高产品的整体性能。
    1.4.通过一定时间内进行内水压承载实验分析预应力钢筒的破坏特征，根据特征与压力的大小，利用数值模拟方法进行测量钢丝松弛的应变值大小，得到不同压力下承载能力与松弛量的大小。
    钢筒混凝土管设计选择安全性
    在整个钢筒混凝土管的设计与生产环节，为了能够保证得到质量可靠的钢筒管，一方面要从设计方面考虑，优化设计方法与结构，保证钢筒管道从设计到原材料的选择符合整体结构与规范要求。
    2.1.混凝土选择
    对于混凝土和砂浆的选择根据CECS 140:2011规定，选择配置良好的砂，保证混凝土的砂料的细度模数大小为2.5左右，且保证符合国家关于建筑用砂 标准。且粗骨料的配置不能大于混凝土内外管道的厚度的0.4。在设计中，保证混凝土的强度等级不小于40MP，且其余的例如弹性模量与塑性变形等参数按照GB 50010规定执行。混凝土中的含碱量不大于215 kg/m3，管芯脱模大小达到缠丝强度，塌落度的大小位于[5,8mm]之间，保证混凝土聚会很好的缠丝强度、低温保养、脱模强度、表面光滑等指标。
    2.2.承插口设计
    最为管材设计的关键件是承插口的设计，合理的设计不仅可以保证管线的封闭性，当地基出现微小的变形量时，能够转动余量使得适应期变化，安装对接比较方便。可以采用位于两胶圈中间空隙处安置一个水压密封检验孔的承插口。
    2.3.预应力钢丝锚固结构设计
    钢筒混凝土管的预应力钢丝需要满足GB50010的设计要求，不能高于设计中钢丝的标准尺寸，一般选择7mm左右，且选择的冷拉钢丝，保证钢丝的弹性模量和强度大小满足设计规范要求。在钢筒的设计与制造之前，需要进行预应力钢丝的脆弱性与灵敏度的测试，保证具有良好的可靠性。
    缠丝的质量与阴极的保护能力与钢丝的锚固相互关联，设计过程中必须考虑到钢丝锚固的结构，该结构满足钢筒混凝土管的基本需求外，保证锚固的准确性，使得导电扁钢与钢丝之间的电连续，实现有效的阴极保护能力。如图3所示，是一种采用双层钢丝锚固设计图，将钢丝锚固与阴极保护有效地结合起来。
    2.4.改造钢筒管的生产设备与工艺规程
    在生产过程中，对钢筒管的相关的设备，例如无动力倾管机、DN4 000 PCCP专用伸缩式气动吊具、补偿平衡式缠丝机以及砂浆保护层同步刮平装置等设备进行更新与改进。
    对于钢筒混凝土管水泥砂浆层的保护，采取辊射工艺，保证管芯混凝土与辊射法采用的水泥参数相同，对砂浆保护层的强度进行控制采取规范AWWA C301。工艺生产中，试验试块在抗压强度为47MP下的多个试块在一个月龄内的强度大小的确定。
    利用机械化自动喷涂工艺对钢筒混凝土管进行外币防腐涂层喷涂，该工艺可以利用抗腐蚀介质与绝缘介质使的钢筒混凝土管具有该性能，该方法且喷涂均匀，具有很好的粘合力，在混凝土表面与初凝的砂浆直接喷涂，大大提高了喷涂的可靠性与效率。

    钢筒混凝土管应用越来越广泛，在设计与生产环节，进行全面的质量安全性控制，可以有效的提高设计的水平与生产的质量。对钢筒混凝土钢筒设计环节有效的控制，严格控制生产质量，保证钢筒管埋深后具有良好的设计安全性能。