窦铁生：国内外PCCP设计方法对比分析

　　2013年8月17日，第二届全国预应力钢筒混凝土管（PCCP）行业发展高峰论坛在石家庄隆重召开。本次高峰论坛以"创新管理 提升质量 服务国家重点工程"为主题，围绕PCCP产品制造技术、生产管理、施工技术与工程管理等方面展开培训与研讨。中国水利水电科学研究院结构材料研究所副所长、教授级高级工程师窦铁生以《国内外PCCP设计方法对比分析》为题做报告。他围绕国内PCCP工程设计现状、设计原则和计算方法、国内外规范规定差异、PCCP的设计软件等方面进行介绍。

　　国外标准的发展

　　1893年，巴黎总工程师邦纳设计并生产了钢筒混凝土管，并将其使用于巴黎科隆贝的水管网铺设工程。

　　1939年，法国邦纳管道公司最早制造了PCCP，在巴黎郊区的某个工程中投入并使用。

　　1942年，美国罗克昭公司对PCCP的技术和理论做了深入的研究，开始研究发展PCCP。

　　1992年，美国ANSI和AWWA发布C301和C304标准。

　　2007年，对C301和C304进行修订，并把PCCP的相关参数计算方法引入AWWA M9。

　　国内标准的发展

　　20世纪八十年代末，引进相关标准和生产设备。

　　1996年，国家建材局颁布了《预应力钢筒混凝土管生产的行业标准》JC 625-1996。

　　2002年，颁布了《给水排水工程埋地管芯缠丝预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管管道结构设计规程》CECS 140:2002，并于2011年修订。

　　2005年，国家颁布了标准《预应力钢筒混凝土压力管》GB/T 19685-2005。

　　水利行业的PCCP规范正在编制过程中，预计2013年底能够颁布发行。

　　国内PCCP工程设计现状

　　预应力钢筒混凝土管（PCCP）在工程应用中，其结构设计计算一直是使用者最关心的问题。国内大部分工程设计人员是按照《ANSI/AWWA C301》和《ANSI/AWWAC304》这两个标准来设计和制造"预应力钢筒混凝土压力管（PCCP）"。但是AWWA C304、C301等标准是基于美国国内的原材料质量水平、试验方法、设计理念、生产水平等所制定，并引用了众多的美国相关标准。因此基于我国国情考虑，要做到完全采用AWWA标准是根本不可能的，往往造成不同工程具有不同质量标准、同一工程不同人员对有关问题的理解不能完全统一，其结果是管道制造质量水平参差不齐，可能造成工程隐患。也有工程采用中国工程建设标准化协会标准《给水排水工程埋管芯缠丝预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管管道结构设计规程》（CECS140：2011）。

　　设计原则和计算方法

　　1、ANSI/AWWA C304

　　2、按《SL191-2008》规定的计算方法

　　3、CECS140：2011

　　4、《预应力钢筒混凝土管道技术规范（送审稿）》

　　设计原则和计算方法1：ANSI/AWWA C304

　　ANSI/AWWA C304《预应力钢筒混凝土压力管设计标准》最初版本是ANSI/AWWA C304-92，中间经过ANSI/AWWA C304-1999版本进行了修订，目前国内外大多数工程都是以此版标准进行设计和制造的。本标准的最新版本是ANSI/AWWAC304-2007。（1）首先是代替ANSI/AWWA C301-84中给出的半经验设计方法A和工作应力设计方法B；（2）基于state-of-the-art（最先进技术）对混凝土和预应力混凝土结构进行设计和分析；（3）对PCCP的应力状态进行描述并充分考虑外荷载、管重和水重及内压的综合影响；（4）综合反映美国混凝土压力管工业40年的实践经验和经验数据；（5）在工作条件附加瞬时条件情况下避免可见裂缝的产生；（6）提出基于弹性极限状态和强度极限状态可行的安全系数。

　　为了保证PCCP在承受工作荷载、附加瞬时荷载及内压时的安全性和耐久性，ANSI/AWWA C304用于确定内压、外荷载、管重和管内水重允许组合条件的方法是极限状态设计准则。极限状态设计法，可以保证管子在可能发生可见裂缝的特殊情况下，管壁预压应力和强度有足够的安全余量。

　　三种极限状态设计准则：工作极限状态设计准则、弹性极限状态设计准则和强度极限状态设计准则。工作极限状态设计准则旨在消除（1）工作荷载和内压作用时管芯混凝土出现微裂缝（2）控制保护层砂浆出现微裂缝。该准则同样消除工作荷载、附加瞬时荷载和内压作用时管芯和保护层出现可见裂缝。该准则的具体目的为：1．管芯裂缝控制；2．管内径尺寸控制；3．保护层裂缝控制；4．管芯压缩控制；5．最大内压控制。在标准工作荷载下保证管道正常运行的情况。

　　弹性极限状态设计准则定义为工作荷载、附加瞬时荷载和内压组合条件下，也即假设预应力管在瞬时条件下欲开裂时，管件应具备足够弹性以防止发生破坏或预应力损失。该准则应满足如下目的：1．钢丝应力控制；2．薄钢筒应力控制。管道材料出现非线性拐点的特定情况。

　　强度极限状态设计准则定义为保证管件抵御预应力钢丝屈服；混凝土管芯在外荷载下开裂；钢丝在内压作用下断裂。将安全系数引入荷载和内压以形成强度极限状态。该准则作用如下：1．钢丝屈服强度控制；2．管芯抗压强度控制；3．开裂压力控制；4．保护层粘接强度控制。在极端荷载时保证管道安全运行的特定情况。

　　PCCP的极限状态设计法主要考虑内压、外荷载、管重及管内水重的综合影响，主要特点为：1．是一个基于混凝土结构方面技术发展水平和结构工程实践导出的方法；2．方法中采纳的参数均来自于预应力管及相应制管材料的实验结果；3．是经LCP和ECP组合荷载及三点法试验证明了的可行方法。

　　PCCP管道的设计以变形控制为基础，分别控制应力和应变。变形控制的覆盖面广，ANSI/AWWA C304核心是控制管芯混凝土和外部砂浆保护层的裂缝。

　　据美国结构工程师的研究，混凝土受拉应力应变过程可分为三个区域，即：未出现裂缝的初始状态区，该阶段未出现微裂缝；应变"软化"状态区，该阶段未出现可视裂缝；裂缝状态区。微裂缝是随机的、细微、短小且不连续的裂缝，只有借助显微镜才能看到。它们通常发生在骨料和胶凝材料的界面处。由于是非贯穿裂缝，故结构仍可承担拉应力。

　　当混凝土拉应力下降为0时，即进入裂缝状态。随着应变的增加，通常可以用肉眼直接看到。Kenllison将其量化为：微裂缝宽度为0.025mm；可见裂缝的起始宽度为0.05mm。为此AWWA/ANSI C304规范规定的裂缝宽度是极为严格的，这也是PCCP能够保持高保证率、长使用寿命的关键所在。[Page]

　　设计原则和计算方法2：按《SL191-2008》规定的计算方法

　　为了编制水利行业的PCCP规范，因为第一版规范草稿被规范审查委员会否定，要求按照《SL191-2008》重新编制。按极限状态方法设计，除对管道整体稳定验算外，均采用安全系数K设计表达式进行设计。

　　PCCP结构按承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。承载能力极限状态的管道结构验算包括：主要进行管道结构强度计算，抗浮稳定验算及管道敷设方向改变处的抗滑稳定性验算。正常使用极限状态的管道结构验算包括：保证管芯混凝土及砂浆保护层不出现裂缝并满足应力要求。该方法在进行PCCP结构内力分析时，只能按弹性体系计算，不考虑由非弹性变形所引起的塑性内力重分布，不考虑钢筒的力学作用，钢筒无法参与强度计算。在荷载计算、工况组合、内力分析以及截面计算等方面有差异。ANSI/AWWA C304规范共有14（13）种荷载组合，依据《SL191-2008》的方法有5种荷载组合。

　　对预应力钢筒混凝土的预应力损失，主要由钢丝预应力松驰和混凝土收缩徐变两项组成。依据《SL191-2008》PCCP的设计方法，给一个固定系数进行调整，不考虑湿度、时间以及混凝土性能的影响。也无法根据生产中使用的骨料和水泥的试验结果，对弹性模量设计值进行修正。

　　根据《水工混凝土结构设计规范》SL191-2008条文说明3.1.1规定：考虑到水工混凝土结构中，除材料强度和少数荷载采用实测统计资料外，不少荷载无法取得实测资料，难以体现真正概率意义上的荷载变异性，同时《水工建筑物荷载设计规范》（DL5077-1997）又对每一种荷载都给出了各自不同的荷载分项系数，使设计计算变得比较繁琐，此外，SL/T 191-96缺乏一个直观的总的安全度。

　　设计原则和计算方法3：CECS140-2011

　　CECS关于PCCP的设计规范《埋地预应力砼管和预应力钢筒砼管道结构设计规范》CECS140-2011，其PCCP结构计算原理依据《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332-2002中的计算方法，在荷载计算、工况组合、内力分析以及截面计算等方面与《ANSI/AWWA C304》有很大差异。

　　CECS140无法考虑混凝土管芯、预应力钢丝以及钢筒之间的联合作用，不考虑由非弹性变形所引起的塑性内力重分布，湿度、时间以及混凝土性能的影响也无法考虑。算出的钢丝面积比ANSI/AWWA 304大很多，甚至造成径厚比不合理。

　　设计原则和计算方法4：《预应力钢筒混凝土管道技术规范（送审稿）》中的设计方法

　　本规范结构计算部分主要参考ANSI/AWWA C304中的方法，同时充分考虑国内的实际情况，《预应力钢筒混凝土管道技术规范（送审稿）》中材料参数、荷载分类以及活荷载计算等均采用国内的相关标准。

　　PCCP结构计算部分采用ANSI/AWWAC304中三种极限状态设计准则：工作极限状态设计准则、弹性极限状态设计准则和强度极限状态设计准则。考虑内压、外荷载、管重及管内水重的综合影响，结构设计以变形控制为基础，分别控制应力和应变，核心是控制管芯混凝土和外部砂浆保护层的裂缝。

　　PCCP结构设计中，对各种与混凝土和砂浆变形有关的因素均进行了相应的考虑。特别是建立在混凝土等材料的长期性、耐久性研究基础上，对徐变和收缩变形的进行预测，保证了PCCP结构的使用寿命。

　　采用《水工混凝土结构设计规范》SL191-2008规定的荷载组合规定，分为永久荷载、可变荷载、偶然荷载。

　　国内外规范规定差异

　　在管径不同，其余条件相同的情况下，方法2钢筋面积计算结果最大，且比方法1差值都在10%以上，随着覆土厚度的增加，差值越来越大，甚至达到了30%；方法3的计算结果表示，在覆土达到5m、7m的厚度时，比方法1计算结果大10%以上；但方法4计算结果与方法1钢筋面积计算结果几乎相同，差值都控制在1%以内。

　　在同一管径条件下，方法2的钢筋面积计算结果随着覆土厚度增大与方法1的计算结果差别越大，主要体现在覆土厚度为5m和7m、9m，差值30%以上，随着管径的变化甚至达到60%以上。由于随着覆土深度的增加，上层回填土受到的向上的摩擦作用越发明显而使实际土荷载系数逐渐小于1.2，造成公式在深覆土情况下的计算结果过于保守，除了钢丝面积增大外，管芯厚度也相应增加，出现不合理的管芯厚度。