本發(fā)明涉及壓力管道，具體涉及一種t型加勁環(huán)鋼筒混凝土管及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、目前大口徑水管主要以鋼管和pccp（預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管）為主，其中pccp以其高效的結(jié)構(gòu)設(shè)計和較低的價格廣泛應(yīng)用于高壓供水管道工程。

2、但是，近年來隨著pccp斷絲引起的爆管案例激增，人們認(rèn)識到pccp在安全性方面的不足。壓力管道的設(shè)計首先需要考慮內(nèi)壓工況下結(jié)構(gòu)具有足夠的強度，此外，管道的服役環(huán)境大都是埋于地下，車載和覆土等產(chǎn)生的外壓工況也不可忽略。尤其對于大口徑管道，由于徑厚比大，高內(nèi)外壓作用破壞性強，設(shè)計難度大，且口徑大于4米的管道沒有成熟的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，需自主研發(fā)。而目前大口徑壓力管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計多依據(jù)經(jīng)驗通過增設(shè)加強筋等方式提高管道的抗壓強度，沒有系統(tǒng)考慮內(nèi)、外壓工況下應(yīng)力在管壁內(nèi)的分布形式，不能高效利用材料的承載能力。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對大口徑壓力管道的徑厚比大，高內(nèi)外壓作用破壞性強的技術(shù)問題，對大口徑壓力管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計急需系統(tǒng)的方法，本發(fā)明提供一種t型加勁環(huán)鋼筒混凝土管及其設(shè)計方法。

2、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了t型加勁環(huán)鋼筒混凝土管，如圖1所示，管體部分從外到內(nèi)依次為外鋼筒、混凝土層和內(nèi)鋼筒；還包括固定于所述內(nèi)鋼筒表面上的至少兩條t型加勁環(huán)，沿管道周向延伸，所述t型加勁環(huán)包括橫截面較寬的頭部和與所述頭部垂直連接的橫截面較窄的延長部，所述t型加勁環(huán)橫截面較寬的頭部底面垂直固定于內(nèi)鋼筒表面，所述至少兩條t型加勁環(huán)之間設(shè)定沿軸向固定間距；

3、所述混凝土層密實填充于內(nèi)鋼筒、t型加勁環(huán)以及外鋼筒之間，用于提供額外的抗壓能力和耐久性；其中，所述混凝土層填充的最小厚度大于t型加勁環(huán)的頭部底面到延長部末端底面的垂直高度，以斷開內(nèi)鋼筒和外鋼筒的連接。

4、優(yōu)選地，所述延長部與頭部相連接位置的寬度t1與延長部與頭部相連接的位置到頭部底面之間的垂直距離t3長度相等，延長部末端底面寬度t2與頭部左右外緣外側(cè)邊的高度t4長度相等；t型加勁環(huán)的頭部底面寬度d大于等于延長部末端到頭部底面的垂直高度h；

5、優(yōu)選地，所述t型加勁環(huán)的延長部與頭部相連接位置的寬度t1為11~13mm，延長部末端底面寬度t2為5.5~6.5mm，延長部與頭部相連接的位置到頭部底面之間的垂直距離t3為11~13mm，頭部左右外緣外側(cè)邊的高度t4為5.5~6.5mm。

6、優(yōu)選地，所述t型加勁環(huán)鋼筒混凝土管的管筒內(nèi)徑為d，其取值范圍是1500~4600mm。

7、優(yōu)選地，所述t型加勁環(huán)鋼筒混凝土管的管壁當(dāng)量厚度為t，所述內(nèi)鋼筒厚度為t的45%~55%；所述外鋼筒厚度為t的18%~22%。

8、優(yōu)選地，所述t型加勁環(huán)沿軸向固定間距為dt，其取值范圍為230~270mm。

9、優(yōu)選地，采用滿焊方式將所述t型加勁環(huán)焊接在所述內(nèi)鋼筒表面上。

10、優(yōu)選地，所述外鋼筒表面設(shè)置有u型波紋。

11、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了t型加勁環(huán)鋼筒混凝土管的設(shè)計方法，包括以下步驟：

12、步驟一、計算內(nèi)壓工況下管壁的當(dāng)量厚度；

13、步驟二、設(shè)計鋼材沿徑向的分布形式；

14、步驟三、確定內(nèi)外鋼筒間混凝土的填充厚度；

15、步驟四、對結(jié)構(gòu)進(jìn)行強度校核和優(yōu)化設(shè)計。

16、進(jìn)一步的，所述步驟一具體為：

17、建立所述t型加勁環(huán)鋼筒混凝土管的均勻管筒結(jié)構(gòu)模型，如圖2~4所示，管筒內(nèi)徑為d，管壁的當(dāng)量厚度為t，分析管筒在內(nèi)壓p作用下環(huán)向的平均拉應(yīng)力；取管筒的dx微段，沿直徑方向切開暴露出管壁截面，沿管筒壁法向列靜力平衡方程：

18、。

19、計算可得環(huán)向平均拉應(yīng)力與內(nèi)壓p成正比，其中，比例系數(shù)為徑厚比d/2t，

20、。

21、根據(jù)所選鋼材料的屈服應(yīng)力，選取安全系數(shù)n，令環(huán)向平均拉應(yīng)力等于材料的許用應(yīng)力，所述許用應(yīng)力為屈服應(yīng)力與安全系數(shù)的比值：

22、。

23、計算得到內(nèi)壓工況下管壁的當(dāng)量厚度t：

24、。

25、優(yōu)選地，所述安全系數(shù)n的取值范圍是1.8~2.2。

26、優(yōu)選地，所述內(nèi)壓p為0.6~1.2mpa。

27、優(yōu)選地，所選鋼材料的材質(zhì)為q235b、q355b或q420b鋼材，相應(yīng)的屈服應(yīng)力為235mpa、355mpa或420mpa。

28、所述步驟二設(shè)計鋼材沿徑向的分布形式包括：

29、根據(jù)滿應(yīng)力準(zhǔn)則，在內(nèi)壓工況下，均勻管筒結(jié)構(gòu)模型中環(huán)向拉應(yīng)力隨管筒半徑的變化在厚度方向的分布為：

30、。

31、可得，環(huán)向拉應(yīng)力在管筒內(nèi)壁處最大，管筒外壁處最小，由內(nèi)到外非線性減??；為增強所述t型加勁環(huán)鋼筒混凝土管結(jié)構(gòu)抵抗內(nèi)壓的能力，將抗拉材料布置在管壁內(nèi)側(cè)；

32、在外壓工況下，均勻管筒結(jié)構(gòu)模型取管筒的dx微段，沿直徑方向切開，可簡化為在外壓力f、管壁約束內(nèi)力和地基支撐作用下的半環(huán)形曲梁彎曲模型，所述模型的最大彎曲應(yīng)力隨管筒壁總厚度ttotal的增加呈平方倍數(shù)減小，為增強所述t型加勁環(huán)鋼筒混凝土管結(jié)構(gòu)抵抗外壓的能力，增加所述t型加勁環(huán)鋼筒混凝土管的管壁厚度，且將抗拉壓材料布置在管壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)，

33、；

34、t型加勁環(huán)延長部末端到頭部底面的垂直高度h為：

35、，

36、其中，d為所述t型加勁環(huán)的頭部底面寬度，h為延長部末端到頭部底面的垂直高度，t1為延長部與頭部相連接位置的寬度，t2為延長部末端底面寬度，t3為延長部與頭部相連接的位置到頭部底面之間的垂直距離，t4為頭部左右外緣外側(cè)邊的高度，dt為t型加勁環(huán)沿軸向固定間距，t為管壁的當(dāng)量厚度。

37、綜合考慮所述t型加勁環(huán)鋼筒混凝土管受內(nèi)、外壓的工況，將所述t型加勁環(huán)鋼筒混凝土管設(shè)計為厚壁內(nèi)鋼筒和薄壁外鋼筒。

38、所述步驟三，確定內(nèi)外鋼筒間混凝土的填充厚度包括：管壁當(dāng)量厚度t、混凝土總厚度ttotal-t，鋼與混凝土材料的平均強度極限為：

39、，

40、，

41、其中，為所選鋼材的屈服極限，為所選混凝土的抗拉強度，令鋼與混凝土材料的平均強度極限等于所述均勻管筒結(jié)構(gòu)模型最大彎曲應(yīng)力，得到混凝土的總厚度為ttotal-t。

42、所述步驟四對結(jié)構(gòu)進(jìn)行強度校核和優(yōu)化設(shè)計包括：確定所述t型加勁環(huán)的間距和尺寸以及混凝土層的厚度對結(jié)構(gòu)強度的影響，建立所述t型加勁環(huán)鋼筒混凝土管的模型，校核所設(shè)計的t型加勁環(huán)鋼筒混凝土管結(jié)構(gòu)在內(nèi)、外壓工況下的強度，對所述t型加勁環(huán)鋼筒混凝土管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

43、技術(shù)效果：

44、本發(fā)明t型加勁環(huán)鋼筒混凝土管及其設(shè)計方法為大口徑壓力管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了系統(tǒng)的方法，首先通過分析內(nèi)壓工況下管筒壁的環(huán)向拉應(yīng)力，計算出管壁的當(dāng)量厚度，確定滿足內(nèi)壓工況的鋼材用量；進(jìn)而分析內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力和外壓產(chǎn)生的橫截面內(nèi)彎曲應(yīng)力的分布規(guī)律，確定鋼筒混凝土管結(jié)構(gòu)形式為內(nèi)鋼筒、外鋼筒、內(nèi)鋼筒外側(cè)設(shè)有t型加勁環(huán)、內(nèi)外鋼筒間填充混凝土，采用該方法設(shè)計了1.5-4.6米口徑管道。

45、通過厚壁內(nèi)鋼筒、t型加勁環(huán)、薄壁外鋼筒的結(jié)構(gòu)形式，使鋼材的用量由內(nèi)到外逐漸減少，充分發(fā)揮鋼材的抗拉性能，增強管道的抗內(nèi)壓能力。在內(nèi)外鋼筒間填充足夠厚度的混凝土，充分發(fā)揮混凝土的抗壓性能，增強管道的抗外壓能力。設(shè)計外鋼筒、混凝土、內(nèi)鋼筒的三明治結(jié)構(gòu)，利用混凝土隔離內(nèi)外鋼筒，切斷管內(nèi)液體和外部土壤之間的電化學(xué)回路，阻斷了鋼筒的電化學(xué)腐蝕。通過本發(fā)明，實現(xiàn)了大徑厚比壓力管道的“鋼筒承受內(nèi)壓、混凝土承受外壓”的設(shè)計，解決了大口徑壓力管道的徑厚比大，高內(nèi)外壓作用破壞性強的技術(shù)問題，確保了壓力管道的承載能力，降低成本并提高安全性。