徐惠娟 阙小平

新疆国统管道股份有限公司 乌鲁木齐831407

引言

PCCP是一种在我国市政、水利行业给排水工程中应用较为广泛的混凝土压力管道。截止2019年，PCCP在我国的使用量已超过18000km，管径最大达4m，管线最大工作压力达2.0MPa。随着埋地PCCP输水管道的大量应用，需要一种适合用于顶管施工的配套管材，在城市输水管线顶进施工中，预应力钢筒混凝土顶管（JPCCP）在近年逐渐开始应用于实际工程。JPCCP的管体基本结构与PCCP相同，主要区别在于使用模具浇筑成型的混凝土保护层代替PCCP采用辊射工艺成型的砂浆保护层，这是为了满足顶管工艺所需的管外壁光滑以利于减阻的技术要求。JPCCP的混凝土保护层厚度较厚（一般不小于80mm），其中配置了构造抗裂钢筋；保护层混凝土强度等级一般与管芯相同，采用模具立式浇筑成型工艺，具有光滑平顺的外壁。

JPCCP在国内目前尚无单独的产品行业或国家标准，JPCCP应用较多的个别省市已颁布了相关的地方标准。目前JPCCP产品设计方法主要有以下几种：1）直接使用PCCP设计方法［1］，将JPCCP混凝土保护层仍按抗压强度为45MPa的砂浆考虑，设计厚度按预定值输入，算出管体预应力筋配筋量作为结构配筋，在保护层中直接按构造配置普通钢筋；2）按PCCP结构设计标准计算预应力配筋＋排水管标准验算保护层配筋，按PCCP结构设计方法计算预应力筋配筋量，再按钢筋混凝土管设计方法验算JPCCP保护层钢筋在空管状态的承载力，获得保护层钢筋配筋量［2，3］；3）采用数值模拟分析方法进行设计，并通过实体试验验证设计结果［4，5］。本文将结合JPCCP结构特点，对3种设计方法进行分析，希望对JPCCP管材的设计和应用有所帮助。

1 JPCCP的结构特点

JPCCP的管体结构示意见图1。

图1 JPCCP管体结构示意Fig.1 Structure of JPCCP

由图1可知，JPCCP的管体结构特点如下：

（1）管芯部分结构在不计内层钢筋笼的情况下（有的JPCCP在设计中并未考虑在管芯内层混凝土中配置钢筋），与PCCP管芯相同；即由管芯内层混凝土、防渗钢筒、管芯外层混凝土组成；

（2）管芯外表面缠绕预应力钢丝，建立管芯混凝土环向预压应力，与PCCP管芯相同；

（3）由带钢筋笼的混凝土层作为预应力钢筋保护层，混凝土强度等级一般与管芯相同，保护层由立式振捣工艺成型，为管材提供了光滑的外表面，有利于减少顶进阻力；为了便于工艺操作，该层厚度一般不小于80mm；

（4）管体的受顶面由管芯外层混凝土和混凝土保护层共同组成，钢筒和管芯内壁混凝土不受顶力作用。在此，不讨论JPCCP的接口和其他构造。

2 目前常用的JPCCP结构设计方法简析

2.1 直接使用PCCP设计方法

该方法将JPCCP结构完全等同于PCCP结构，即不考虑管体中普通钢筋（钢筋笼）的结构受力作用；并将混凝土保护层视为等同于PCCP砂浆保护层进行计算；保护层钢筋笼按构造配筋。之所以如此考虑，主要有以下几种原因：

（1）尚无规范对JPCCP的结构设计原则和方法做出明确规定，无“法”可依。由于JPCCP是由PCCP改良而来，结构变化不大，自然按PCCP的结构设计方法进行设计；

（2）PCCP结构计算时，设计者在保护层参数设置时往往分别将JPCCP实际保护层厚度和PCCP最小保护层厚度（净厚度25mm）代入计算，根据所得的配筋取较大值。由于对计算结果的这种偏安全选择，以及因实际JPCCP保护层为设置了钢筋笼的混凝土，其开裂条件远优于PCCP辊射砂浆保护层的设计假设，所以该方法的设计结果较为保守，这也是设计人员愿意采用PCCP标准和程序进行JPCCP计算的主要原因。

但上述设计方法存在一些问题，主要有：

（1）设计假设与实际结构不符，JPCCP保护层是混凝土而非砂浆，其弹性模量和开裂性能均不相同，取用砂浆的性能参数与实际不符，计算指标与实际构件性能表现将产生差异。

（2）计算结果过于保守，计算中如选用按PCCP最小保护层厚度计算所得的配筋（往往配筋量较大），虽看起来更加安全，但此厚度并非JPCCP实际保护层厚度，如此取值有违常理。如果仅为选择一种更加安全的计算结果而“强行”增加结构配筋，除了在逻辑上存在漏洞外，还增加了不必要的生产成本。

（3）不便于有效解决双层缠丝的问题，当较大口径的JPCCP（如DN2800以上）遇到较高工况时（如工压1.0MPa，覆土厚度10m以上），如按PCCP结构设计方法进行计算，可能会遇到双层缠丝需求（图2），这对于JPCCP来说存在一些困难：1）如采用立式浇筑工艺浇筑第1层钢丝保护层，则意味着管材的生产将进行3次混凝土成型，要满足此项结构和工艺要求，可能导致管壁总厚度不可避免会设计的过厚，生产工艺过于复杂，生产效率低，且模具投入较大，成本过高；2）如按PCCP双层缠丝时第1层钢丝保护层的做法采用辊射工艺成型，则产品结构和材料组成与设计假定不符。

图2 JPCCP双层缠丝不同工艺结构管体截面示意Fig.2 Cross section indication of JPCCP double layer winding process tube structure

2.2 按PCCP结构设计标准计算预应力配筋＋排水管标准验算保护层配筋

该方法除了直接采用PCCP标准和程序计算外，还假设管体在“空管＋覆土”的工况下按钢筋混凝土管（一般按CECS143标准方法计算）设计方法进行管侧截面外壁（保护层）普通钢筋配筋验算。该方法存在的问题除了2.1节所述之外，单独以钢筋混凝土管假设进行保护层普通钢筋配筋验算缺乏充分的理论依据。

（1）按PCCP标准和程序计算时，已按不同的内压和外荷载工况组合进行了各种极限状态下的计算，管材通过计算已满足了结构和材料的各项应力应变指标，计算中虽将保护层假设为不配筋的砂浆，但已按此假设满足了开裂控制指标，无需另行验算。

（2）如按PCCP标准进行结构计算，则应按GB/T19685标准［6］规定计算管材抗裂内、外压荷载，无需另按钢筋混凝土管外压荷载验算保护层配筋。

（3）如将保护层配筋按抗裂构造筋考虑，则仅需按混凝土结构设计标准［7］的相关原则确定最小配筋率即可；如再按钢筋混凝土管进行保护层配筋验算，并无必要，且可能增加成本。

2.3 采用结构分析软件设计

少数设计人员采用了专业的结构分析软件进行JPCCP结构设计，虽然数值分析方法可以依靠结构分析专业软件进行复杂结构的结构分析，但在管材设计几乎均由管材生产企业负责的现实环境下，该方法在应用的普及性方面存在短板；且工程结构设计中，结构分析软件应经考核和验证，软件分析所得结果应经校核和验证方可用于工程设计。从以上角度看，数值分析的设计方法在实际的JPCCP工程设计应用时存在局限性，更适合用于对各种设计结果的分析和验证。

2.4 几种常用JPCCP结构设计方法的算例对比

为了便于对比以上几种JPCCP结构设计方法的差异，本节采用同一JPCCP设计算例分别进行说明。算例条件为：管径DN3600mm，工作压力0.6MPa，设计压力0.9MPa，覆土深度10m（按顶管土荷载考虑），管基为120°土弧包角，管芯厚度280mm，保护层厚度80mm，混凝土强度（含保护层）C50，预应力钢丝采用φ7@1570mm，保护层钢筋采用HRB400；其他条件统一按标准规定取值。

当采用PCCP结构设计方法进行配筋计算时，为了便于对比和验证，分别采用CECS140：2011标准和SL702—2015标准计算；当按钢筋混凝土管进行保护层配筋计算时，按CECS143：2002计算。各种方法的计算结果见表1。

表1 DN3600JPCCP P0.6/H10算例计算结果汇总Tab.1 DN3600JPCCP P0.6/H10calculation results summary

3 结语

本文结合JPCCP的结构特点，对目前常用的几种JPCCP结构设计方法进行了介绍和分析，并列举算例进行对比，可以看出JPCCP结构设计方法还需要进一步完善，特别是需重点解决设计假设的合理性、设计结果的安全性以及有效解决双层缠丝管材的结构、工艺、成本等问题。