钢筋混凝土管道设计建议外文翻译资料

 2022-08-27 10:23:15

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钢筋混凝土管道设计建议

Ece Erdogmus, M.ASCE1; Brian N. Skourup2; and Maher Tadros, M.ASCE3

摘 要

目前，钢筋混凝土管道的设计方法有两种: 间接设计法和直接设计法。然而，设计人员可能没有很好地理解间接设计步骤的改变和直接设计法的正确应用。这篇文章的目的是向设计人员介绍这两种方法的简明历史和主要概念，以促进这两种方法在钢筋混凝土管道中的正确应用。本文介绍了间接设计法的发展，重点讨论了垫层系数的变化，垫层系数是指三边支承试验中管道强度与在安装条件下管道强度之比有关的常数。同时介绍了标准安装和直接设计法的发展，并对两种方法的设计结果进行了比较。本文对钢筋混凝土管的设计和垫层系数的合理应用提出了建议。直接设计法是一种较好的钢筋混凝土管设计方法。

DOI 10.1061/(ASCE)PS。1949-1204.0000039

CE数据库主题词 管道设计；埋地管道；混凝土管道；钢筋混凝土；涵洞；污水管道。

关键词 管道设计；埋地管道；混凝土管道；涵洞；刚性管道；污水管道；设计改进。

引 言

目前，埋地钢筋混凝土管(RCP)有两种设计方法：间接设计法和直接设计法。直接设计法采用了先进的结构分析技术、现代钢筋混凝土设计概念和土壤特性，与传统的间接设计法的经验性质形成了鲜明的对比。然而，作者预计，只要规范和支持材料问世，设计师将继续使用间接设计法。不幸的是，构成间接设计法基础的一些概念目前还没有得到很好的理解或正确的使用。其中一个概念是垫层系数。

在三边承重(TEB)实验中，垫层系数与管道在安装状态下的强度有关，垫层系数的选择对设计结果有很大影响。在这种情况下，因为TEB加载条件与安装条件有很大的不同，并且真实的垫层系数关系很复杂，因此很难计算出准确的垫层系数。

间接设计法是在1910-1930年间发展起来的。随着工程实践、技术和施工方法的改变，垫层系数的公式也进行了修改，以反映实际进展，同时在钢筋混凝土管道装置中提供了更多的经济性和性能。然而，对间接设计程序的修改并没有被咨询工程师普遍采用。存在多种版本的间接设计实践规范和设计辅助工具，在缺乏统一的当前设计过程的情况下，顾问选择合适的设计方法已成为一项困难的任务。直接设计法的发展始于20世纪70年代，一直延续至今。同时建立了精确的管土相互作用模型，并设计了一个计算机程序来进行钢筋混凝土管道的分析和设计。

一份简明的新出版物对于设计师理解现有的方法及其局限性是有必要的。本文对相关文献进行了全面的回顾，并记录了垫层系数的演变过程。讨论了安装类型的含义以及垫层系数的选择和使用。从而为工程实践人员更有效、更规范地使用一般设计方法，特别是间接设计垫层系数提供了指导。提出了直接设计法作为钢筋混凝土管道设计的一种优越方法。

_____________________________________________________________________

1大学建筑工程助理教授。 内布拉斯加州，203C彼得·凯维特研究所，1110南67圣，奥马哈，NE68182-0681（相应作者）。 电子邮件：eerdogmus@mail.unomaha.edu

2设计工程师，Leslie E.Robertson Associates，R.L.L。P.30Broad St.，47th Floor，New York，NY10004-2304。

3Charles J.Vranek大学土木工程杰出教授。内布拉斯加州，205E彼得·凯维特研究所，1110S67圣，奥马哈，NE68182-0681。

注：这份手稿于2007年7月23日提交；2009年7月29日批准；2010年1月15日在线出版。 讨论期开放至2010年7月1日；个别论文必须单独提交讨论。本文是《管道系统工程与实践学报》Vol. 1, No. 1, 2010年2月1日。copy;ASCE，IS SN1949- 190/2010/1（1）/25/8/$25.00。

混凝土管道设计方法综述

在过去的一个世纪里，钢筋混凝土管道主要是采用半经验技术设计的，并且多年来表现出良好的性能。在本节中，将按时间顺序简要介绍现有的埋地混凝土管道设计方法的发展。

从1910年开始，安森·马斯顿(Anson Marston)根据当时对土力学的理解，提出了一种计算埋地管道上方土荷载的方法。20世纪20年代末，爱荷华州立大学进行了一项研究项目，目的是利用马斯顿的理论确定路堤装置性管道在土压力作用下的支撑强度。这项研究的结果由M·G·斯潘格勒（M.G.Spangler）（1933）在一篇综合性的论文中给出，文中给出了垫层系数的一般方程。他的工作包括对四种标准垫层类型的定义，这些标准垫层类型与马斯顿之前定义的类型相似。读者可参考文献[American Concrete Pipe Association（ACPA）1993，2000]了解历史上的垫层类型的详细信息。Marston和Spangler的作品构成了目前用于RCP的间接设计方法的基础。

地面

地基或路基

（现有土壤或压实填土）

底部

拱腋

下侧

管底

垫层

弹簧线

管顶

顶点

回填土

图1.标准安装术语[经《混凝土管道技术手册》（ACPA）许可改编]

根据间接设计法，管道所需的支撑强度是土压力大小及其在管道周围分布的

函数。支撑强度由TEB实验结果得出。所需强度是根据总荷载、垫层系数和安全系数定义的。ASTMC76(ASTM2005)中给出了与所需强度相对应的壁厚、混凝土强度和钢筋要求。

间接设计法在过去是一种被普遍接受的方法，然而，随着对土壤特性的认识的发展和结构分析技术的进步，混凝土管道的设计有了很大的改进，这些改进在间接设计法中没有得到反映。在20世纪70年代，ACPA制定了一个长期研究计划，目的是评估混凝土管土壤装置的性能，并改进设计实践。在这项研究中，对混凝土管道的结构性能和土壤结构相互作用进行了研究。作为这项研究计划的结果，介绍了新的标准安装类型和Heger土压力分布( 图.1-4) ，这与Marston 和Spangler最初开发的有很大不同。另外，四个新的标准装置在1993年ASCE标准：“标准装置中埋地预制混凝土管道直接设计规程(SIDD)”(ASCE 1998)中纳入了Heger土压力分布和直接设计程序。这些装置和Heger压力分布将在下一节中详细讨论。

地面

地基

下侧

拱腋

垫层

回填土

中间垫层松散放置的未压实垫层，类型4除外

外垫层材料，两边压实，与拱腋要求相同

图2.标准路堤安装[经《混凝土管道技术手册》（ACPA）许可改编]

根据直接设计法，与间接设计法一样，管道所需的支撑强度是管道上方土压力大小和管道周围压力分布的函数。混凝土管所需强度是由管壁中的弯矩、推力和剪切的影响确定的。壁厚、混凝土强度和钢筋设计是根据ACPA长期研究计划中开发的强度和裂缝宽度限制使用合理的程序进行评估的。

目前，RCP的设计既有间接设计法，也有直接设计法，而且两种方法都有相互联系的元素。现代标准装置是为了消除传统装置的局限性而开发的，并被纳入直接设计法中，也被用于具有可接受性能的间接设计方中。在间接设计法中，由Heger土压力分布产生的竖向拱度系数(如图4所示)也被应用于土压力的计算。另一方面，根据原用于间接设计的TEB试验结果，对直接设计法中RCP强度和裂缝宽度限值的预测进行了合理的评价。

图3. 标准沟槽安装[经《混凝土管道技术手册》(ACPA)许可改编]

按要求开挖路线

外垫层材料，两边压实，与拱腋要求相同

中间垫层松散放置的未压实垫层，类型4除外

地基

垫层

拱腋

下侧

回填土-SW,ML,OR CL

地面

图4. Heger土压力分布[经《混凝土管道技术手册》(ACPA)许可改编]

垫层系数的研究进展

RCP设计的间接设计法始于20世纪初在爱荷华州立大学进行的研究。ACPA出版的混凝土管道技术手册包含了这项工作的简明历史（ACPA 1993）。研究的两个目标是确定埋地管道上的荷载和管道的支撑强度。安森·马斯顿(Anson Marston)开发了一种计算埋地管道上方土荷载的方法。Marston建议，管道的支撑强度应根据指定的垫层材料所提供的载荷和支撑类型来确定。因此，为了便于计算管道的支撑强度，马斯顿在理论和实验工作的基础上提出了四种安装条件。这些安装类型被命名为“等级”，并根据垫层的质量从D到A进行评级，如下所示，按质量递增的顺序列出(ACPA 1993)。

  • D级: 呈现为坚硬平底。
  • C级：60°-90°成型弧形上的底部支撑与通常小心放置的土壤一起使用，以提供相当于90°的底部支撑.
  • B级：底部支撑在至少90°的成型圆弧上，管道周围由完全压实的土壤包围，至少在弹簧线上方15°。
  • A级：在管道下部周围浇筑混凝土。

20世纪30年代，斯潘格勒通过在爱荷华州立大学进行的研究，提出了垫层系数的概念。他的研究成果发表在题为“刚性管涵的支撑强度”(Spangler 1933年)的报告中。 Spangler得出结论，垫层系数是管道与垫层材料之间接触宽度和接触质量的函数。垫层系数可以表示为现场条件下导致管壁开裂的垂直荷载与TEB试验中导致管道开裂的垂直荷载的比值。TEB测试将在下一节中说明。Spangler指出，在实验过程中，第一道裂纹在管道的内底处产生。

表1. 传统垫层系数

垫层等级

路堤, Bfe

窄沟, Bft

B

2.5–2.9

1.9

C

1.7–2.3

1.5

D

1.1–1.3

1.1

注：资料来源：《混凝土管道技术手册》(ACPA)。

根据间接设计法，管道所需的支撑强度是基于垫层系数、总荷载和安全系数，如公式（1）所示。将支撑强度表示为D荷载，以分类与管径无关的强度。垫层系数与所需的D荷载成反比

（1）

垫层系数定义为现场荷载条件下管道的支撑强度（W）与TEB试验中类似管道的支撑强度之比。由于混凝土开裂是管壁拉伸应力的函数，因此可以证明（Spangler 1933；ACPA 1991），垫层系数也可以表示为TEB试验和现场条件下的力矩比。基本的层理因子关系式如式（2）所示

（2）

向土压力产生的弯矩有利于管道的支撑强度的提高，表1列出了一系列典型路堤条件和沟渠条件下的传统垫层系数。对于路堤条件(图2)，垫层系数还取决于侧向压力的大小和该压力作用于管道的垂直高度部分。路堤垫层系数BFE表示适用于预期遇到的大多数安装条件的一系列系数。侧向压力在管壁中产生弯矩，而弯矩与垂直土压力产生的弯矩相反。因此，侧因为对于给定的安装，较大的垫层系数对应较小的所需D荷载。沟槽垫层系数BFT基于试验装置的实验结果，代表了各自垫层等级的保守值。沟渠条件下垫层系数的最早公式忽略了任何有利的侧向土压力，然而，随后的公式认识到，假定沟渠条件下的侧向压力具有一定的益处是合理的。

三边承重实验

TEB实验(图5)是爱荷华州立大学开发的一种简单、廉价用来确定管道的最低强度条件的方法(Pekworth和Hendrickson，1964)。通常采用TEB实验性能作为混凝土管道的质量控制标准。

在TEB荷载作用下，内侧弯矩的方程式可以用所施加的荷载和管道半径[公式(3)](Spangler 1933；ACPA 1991)来表示。这一结果在后来的文献中被用来表示作为反转力矩比率的垫层系数（ACPA 1991、1996、2000）

（3）

支撑

负载

轴承条

刚性钢

外加荷载

负载

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