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北美給水排水管道介紹-混凝土管(Concrete Pipe)

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北美給水排水管道介紹-混凝土管(Concrete Pipe)

發布日期:2019-01-13 作者: 點擊:

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1. 混凝土管(Concrete Pipe)


給水排水管道使用的水泥管主要包括以下種類:

· 整體現澆水泥管

· 非鋼筋混凝土管

· 鋼筋混凝土管

· 鋼筋混凝土鋼筒管

· 鋼筋纏繞鋼筒混凝土管(BWP)

· 預應力鋼筒混凝土管(PCCP)


堅固的結構,壽命長,附著在黑色金屬上的混凝土或水泥砂漿具有天然的防腐作用,使用范圍廣。


整體現澆水泥管   這種管在現場制作,管徑范圍為300-3000mm,也包括水頭達4.5m的整體非鋼筋混凝土管,有些業主使用丙綸纖維做混凝土的加強材料。

預澆非鋼筋混凝土管  這種管用于低壓管道,通常壓力低于0.075MPa,管子包括混凝土管壁和接口。

鋼筋混凝土管  這種管包括附著在混凝土管壁上的鋼筋籠,抵抗內壓和外壓。接口可以與混凝土管為一整體,或采用鋼制接口環。鋼筋混凝土管最高壓力為0.38MPa。

鋼筋混凝土鋼筒管  開發這種管是為了適應比鋼筋混凝土管更高的內壓,它包括一個附帶鋼制接口環的鋼筒,在鋼筒上有鋼筋籠,鋼筒內側有一到兩層加筋層,或在外側設有加筋籠,混凝土澆筑加筋層形成管壁。

鋼筋纏繞鋼筒混凝土管  這種管是一種復合設計,管子的基本元素是一個兩端焊有鋼質接口環的鋼筒,鋼筒離心澆筑水泥砂漿襯里,然后鋼筋在一定的張力下連續螺旋纏繞在鋼筒外壁上,用高速噴漿在鋼筋上形成砂漿外涂層。

預應力混凝土管  包括兩種預應力混凝土管:混凝土管芯襯里鋼筒(襯里鋼筒管)和管芯埋置鋼筒(埋置鋼筒管)。

襯里鋼筒管  這種管有一個焊接鋼筒,兩端連接鋼制接口環,然后鋼筒離心襯里致密的混凝土形成管芯,高強預應力鋼絲在控制的張力下直接螺旋纏繞在鋼筒上,高強鋼絲和鋼筒用機械噴涂方法,由水泥砂漿涂層保護。鋼筒襯里的混凝土通常采用離心澆筑,或徑向壓抹的方法。

埋置鋼筒管  這種管有一個焊接鋼筒,兩端連接鋼制接口環,埋置在一個混凝土管芯里。高強預應力鋼絲在控制的張力下一層或多層纏繞在包含鋼筒的混凝土管芯外面,高強鋼絲由水泥砂漿外涂保護,埋置鋼筒的混凝土通常在立式鋼模中澆筑。

詳細的斷面圖和接口詳圖參看美國水工協會(AWWA)手冊M9。

技術參數和行業標準

用于生產混凝土管的美國混凝土學會(ACI),AWWA和美國試驗和材料學會(ASTM)的各種標準如下:

· ACI 346 現澆非鋼筋混凝土管

· ASTM C14用于下水,暴雨排水非鋼筋混凝土管和涵管

· ASTM C118灌溉,排水用非鋼筋混凝土管

· ASTM C505灌溉用帶橡膠密封圈接口的非鋼筋混凝土管

· ASTM C985涵洞,暴雨排水和下水用非鋼筋混凝土管

· ASTM C76涵洞,暴雨排水和下水用鋼筋混凝土管

· ASTM C361低壓鋼筋混凝土管

· ASTM C302非鋼筒鋼筋混凝土管

· AWWA C300鋼筒鋼筋混凝土管

· AWWA C303鋼筋纏繞鋼筒混凝土管(BWP)

· AWWA C301預應力鋼筒混凝土管(PCCP)

尺寸范圍

給水排水用預澆混凝土管現有尺寸從直徑100mm開始,其它種類的混凝土管,如鋼筒埋置混凝土管已經生產出直徑6m以上的尺寸。AWWA C300和C302標準中最大直徑達3660mm。

標準生產長度

混凝土壓力管的標準長度通常在2.4-12m范圍,ASTM C118標準低壓灌溉和排水管,根據不同管徑長度范圍為750-1220mm。具體標準生產長度參照之前提到的標準和生產廠的技術附件。

允許內壓和安全系數

非鋼筋混凝土管的允許內壓取決于裂縫擴展的經驗數據,非鋼筋混凝土管不能用于高壓場合,按照ASTM C505標準生產的非鋼筋混凝土管推薦的壓力范圍在0(重力流)到9m水頭。安全系數與混凝土許用應力有關,通常采用企口縫連接。橡膠圈,膠泥,砂漿和包扎帶通常被用于接口的密封。

鋼筋混凝土管和整體現澆混凝土管按照組合荷載設計,包括內壓,恒荷載和活荷載。按照AWWA C302生產的鋼筋混凝土管的最大允許內壓是0.38MPa,ASTM C361標準生產的管最大允許內壓為0.38MPa,安全系數與混凝土和預應力鋼筋許用應力相關。

鋼筋纏繞鋼筒混凝土管最高壓力為2.76MPa,真對不同項目管道設計成能夠承受特殊荷載,建議的安全系數為2.0。

埋置鋼筒管和襯里鋼筒管按照組合應力設計,包括瞬時壓力和活荷載。PCCP管可以設計工作壓力超過2.76MPa,其安全系數與混凝土和鋼材的許用應力相關。

承受外荷載能力

剛性管道設計考慮將外荷載通過管壁傳遞到管底基礎。當管周荷載,包括管外水壓,均勻分布時管子是最堅固的;當管頂線或點荷載,到管底也是線或點反作用力,此時的管子是最弱的。

雖然大部分混凝土管被認為是剛性管,但是當進行外荷載分析計算時,AWWA M9建議將鋼筋纏繞鋼筒管看作是半剛性管,因為當它變形時,承受外荷載能力不僅來自于管自身的強度,而且還有管周土的支撐。

埋深范圍從1.5m到最深,對于一些加強鋼筋混凝土厚壁管,可達30m。參照前面所列的標準,確定在外荷載下的最大和最小埋深要求。

制管材料描述

非鋼筋混凝土管材料內容包括骨料,水泥,水和一定比例的添加劑。鋼筋混凝土管和鋼筒管材料內容還包括鋼筋或鋼網,以及鋼筒所用的鋼材。

內外防腐保護

混凝土管有很多種噴涂和內襯保護。如果水中有腐蝕介質或廢水中有硫化氫等危害,管道內壁有時采用PVC,環氧,涂膠內襯以防止沖刷的危險。

混凝土管也可外涂保護,以減小腐蝕土壤對管道的損害。AWWA手冊M9有一章是腐蝕環境下的設計要求,內容包括高氯,高硫酸,酸性條件和雜散電流干擾環境下的各種保護方法。

接口

管道接口對于任何管材來說都是薄弱環節。好的柔性連接能夠適應管道溫度變化和干濕交替產生的縱向位移,以及有時發生沉降時豎向調整。為了防止管子拔出,壓力管道靠近管件和閥門的接口有時需設計成限制性連接。

混凝土管有多種形式的接口,包括企口縫,混凝土承插和鋼制承插環連接。一些相對壓力較低的混凝土管在接縫處填充膠合物以減少泄漏和滲漏,而對高壓的混凝土管通常設計成膠圈密封。ACI混凝土管手冊中第五章有各種管道接口的詳圖,以及承插連接和密封材料。

放置密封圈的溝槽其形狀用于定位膠圈,而不要求承載管子的重量,當管子安裝對中后,膠圈被壓縮在溝槽里,形成一個水密封接口。根據生產廠,膠圈可以是不同形狀,通常在施工現場安裝。

一些鋼筒管要求在接縫處留有外灌漿間隙,在現場用編織帶裹住接口,用鋼帶固定,水泥漿從一側倒入,并從另一側流出,完成后編織帶仍將保留在接縫處。

鋼制接口內通常用水泥砂漿填充管端的間隙(或者叫勾縫)。

鋼筒管的限制性接口可以采用許多方法和裝置,包括焊接,法蘭連接,卡具,卡套螺栓,卡環式連接。AWWA手冊M9有一章節是關于管件和附件的設計。

管件

低壓混凝土管可以按照一定角度將一根管切割成兩段,然后旋轉包裹混凝土制作彎管,其它形狀的管件,如三通,也可按照此法制作。高壓混凝土管需要用鋼管件制作彎頭,通常在鋼制管件上外涂和內襯混凝土或水泥砂漿。

開孔方法

開孔鞍座通常用來在現有混凝土管道上開孔,出水口可以旋進或法蘭連接。AWWA手冊M9有一章節是關于開孔步驟和兩種鞍座,一種是用帶纏繞管道,另一種是用一種附件與混凝土鋼筋連接。

水阻系數

壓力混凝土管設計中,確定水力損失最常用的方法是海澄-威廉(Hazen William)公式,美國混凝土管協會(ACPA)出版的混凝土管手冊和AWWA手冊M9建議管徑400-1200mm的粗糙度系數C為140;管徑1350-2700mm為145;管徑2850mm以上為150。

對于水流未充滿的管道,通常用曼寧(Manning)等式來計算水阻。ACPA的混凝土管手冊建議混凝土管即使實驗室試驗數據n為0.009-0.010,更準確的設計取值為0.012-0.013。對于壓力管道,AWWA手冊M9建議當流速1m/s時n值選用0.011;當流速1.5m/s時n取值為0.010。

波速(水利瞬變研究)

AWWA手冊M9第三章詳細討論了波速和水利瞬變,列出了各種不同類型和等級的混凝土管計算的瞬間波速值900-1220m/s。

允許泄漏率

有鋼筒和無鋼筒管的允許泄露率是不同的。鋼筋和非鋼筋混凝土管沒有鋼筒,根據AWWA手冊M9建議24h每km管道的允許泄漏率為2.3L/mm管徑;對于鋼筒混凝土管,建議24h每km管道的允許泄漏率為1L/mm管徑。

修補方法

碾壓和沖擊會導致接口損壞,承插口開裂,也可能由于不當的安裝,地質沉降和隆起,或者超載。接口損壞需更換整根管子,低壓管道的接口漏水有時可以在接口處注漿來修復。

沒有防腐的鋼筒管也可能導致管道失效,如果沒有及時發現,腐蝕會完全破壞鋼筒,鋼筋和鋼絲,腐蝕需要大面積修復,甚至更換整段管子。

管子制作和安裝時發生的損傷通??梢孕迯?。低壓管道的修復方法通常是混凝土環,環形修理夾具。對于高壓鋼筒混凝土管道,根據孔的尺寸來確定修補方法??讖酱笥?m時需更換整節管子,或者在孔上鋼板包裹焊接,鋼板帶兩側的鋼筋與鋼筒焊接在一起。

水中化合物容許含量

地下水質,輸送的水質和土壤類型是確定混凝土管是否適合特定安裝的重要依據。氯化物和硫化物將與膠結材料發生反應,會腐蝕混凝土管。減小氯化物和硫化物作用的方法是在混凝土混合時使用粉煤灰,二型和五型水泥,或者另加襯里和涂層。

下水管道由于水流未充滿,會產生硫化氫氣體,管道可以采用內防腐襯里加以保護。

安裝,回填和保護的要求

管道性能不僅取決于管道設計本身,而且與管溝開挖和回填有很大關系。這些工作包括更換基礎(如果需要),鋪設墊層,管側埋置材料的回填和壓縮。

墊層包角定義為支撐管道豎向分布荷載的角度,剛性管設計的墊層包角為90o。做好墊層和埋置是獲得良好管道性能的根本保證。埋置要求從管底向上壓縮土回填到管徑的37%,為了保證90o的墊層包角,需做好管腰部以下回填材料的壓縮,其腰部是管底到管水平中線到管溝區域。

對柔性管周土壤的要求更嚴,例如鋼筋纏繞鋼筒混凝土管。對于柔性管道要達到設計強度和保證管圓度,管側土需對管壁提供足夠支撐,抵抗豎向荷載,要求管徑70%高度的管周土有較高的壓縮率,在長期管頂荷載和活荷載下提供支撐,防止變形超限。

特殊考慮

在干濕交替的土壤中易產生高濃度氯離子和游離氧,這些元素會損害管道,有必要增設防止措施,或陰極保護系統。

使用壽命

正確安裝的混凝土管其使用壽命可以長達100年,或更長。美國陸軍工程兵團建議預澆混凝土管的壽命為70-100年。鋼筒管或預應力鋼筋的腐蝕通常會引起管道的失效,對于可能腐蝕的土壤建議采用陰極保護系統以防止管道過早失效。




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