承插式rpc薄壁橢圓截面管及其施工方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種承插式RPC薄壁橢圓截面管及其施工方法，所述承插式RPC薄壁橢圓截面管包括管主體和分別設(shè)在管主體兩端的承口段、插口段；所述管主體的橫截面呈橢圓環(huán)形，該橢圓環(huán)形分為頂弧段、底弧段以及位于在頂弧段和底弧段之間的兩段側(cè)弧段四個(gè)部分；本發(fā)明將RPC材料引入排水管設(shè)計(jì)；同時(shí)橢圓截面管內(nèi)寬、內(nèi)高在滿足過水面積等于1200mm直徑的圓管過水面積的前提下，通過穩(wěn)定性和力學(xué)驗(yàn)算，不斷優(yōu)化，最終確定的內(nèi)寬、內(nèi)高尺寸，使得本發(fā)明中的橢圓截面管相比其他尺寸橢圓截面管穩(wěn)定性、抗震性更好，承載力更強(qiáng)。
【專利說(shuō)明】
承插式RPC薄壁楠圓截面管及其施工方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及排水管材設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種承插式RPC薄壁楠圓截面管及其制 作方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)排水管材建設(shè)還有很大發(fā)展空間，《2014年全國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)公報(bào)》顯示，2014年 末我國(guó)人均排水管材的長(zhǎng)度為1.075米，而同期德國(guó)人均排水管材長(zhǎng)度已達(dá)到了5.44米;同 時(shí)，一些大城市老城區(qū)的排水管材修建較早，排水速率較慢，并且部分已經(jīng)接近使用年限， 從而使得排水管的排水能力很是有限。鑒于上述問題，各大城市一旦出現(xiàn)強(qiáng)降雨天氣，排水 系統(tǒng)往往就會(huì)因負(fù)擔(dān)過重而發(fā)生內(nèi)潰，進(jìn)而對(duì)居民出行和城市全面發(fā)展帶來(lái)極大影響。
[0003] 排水管在應(yīng)用過程中的可靠性主要由=方面決定:①管材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括混凝± 強(qiáng)度、管壁厚度、配筋設(shè)計(jì)、管材形狀等;②使用工況，如覆±深度、±質(zhì)結(jié)構(gòu)、地面動(dòng)載及靜 載分布;③施工質(zhì)量，主要設(shè)及管材埋設(shè)時(shí)管基對(duì)管材兩側(cè)的支撐。目前，我國(guó)普遍使用的 排水管大多為圓截面鋼筋混凝±管，一般條件下鋪設(shè)普通圓管時(shí)施工人員先在圓管兩側(cè)誘 筑弧形基礎(chǔ)，W此確保管材在使用過程中的可靠性，因此在基坑開挖時(shí)要為誘筑基礎(chǔ)所支 模板增加開挖溝槽寬度、預(yù)留支模空間，誘筑混凝上后還要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，運(yùn)樣不僅會(huì)占用大量 人力、物力，也會(huì)延長(zhǎng)工程工期。從生產(chǎn)過程上說(shuō)，一方面用傳統(tǒng)混凝±材料制成的排水管 需要配筋，耗能高、污染大，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的離屯、、懸漉工藝生產(chǎn)效率低，所制管道易于發(fā)生 內(nèi)外分層、強(qiáng)度不合格等問題。W前有學(xué)者提出過楠圓截面管道，如曹生龍的外觀設(shè)計(jì)一 《鋼筋混凝±楠圓管涵》專利號(hào)201030116482X，但是仍局限于傳統(tǒng)材料且為平口管，所W仍 然存在排水管排水速率緩慢、使用壽命短、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、不便于現(xiàn)場(chǎng)施工、能耗高、抗震性 能差、占用地下空間大W及剛性接口密封性差、容易被破壞的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明設(shè)及一種承插式RPC薄壁楠圓截面管的制作方法，要解決傳統(tǒng)排水管排水 速率緩慢、使用壽命短、抗震性能差、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、不便于現(xiàn)場(chǎng)施工、能耗高W及占用地下 空間大的技術(shù)問題。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。
[0006] -種承插式RPC薄壁楠圓截面管，包括管主體和分別設(shè)在管主體兩端的承口段、插 口段，其特征在于:所述管主體的橫截面呈楠圓環(huán)形，該楠圓環(huán)形分為頂弧段、底弧段W及 位于在頂弧段和底弧段之間的兩段側(cè)弧段四個(gè)部分。
[0007] 所述頂弧段的內(nèi)邊緣為圓弧，該圓弧所在的內(nèi)頂圓半徑為391 mm~392mm，內(nèi)頂圓 半弧夾角為56°~57°。
[000引所述側(cè)弧段的內(nèi)邊緣為圓弧，該圓弧所在的內(nèi)側(cè)圓半徑為1037 mm~1038mm，內(nèi) 側(cè)圓弧夾角為67°~68°。
[0009]所述底弧段的內(nèi)邊緣為圓弧，該圓弧所在的內(nèi)底圓半徑為391 mm~392mm，內(nèi)底圓 半弧夾角為56°~57%所述底弧段的外側(cè)面設(shè)有通長(zhǎng)管基。
[0010] 優(yōu)選的，所述頂弧段的外邊緣為圓弧，該圓弧所在的外頂圓半徑為446 mm~447 mm，外頂圓半弧夾角為55°~56°。
[0011] 所述側(cè)弧段的外邊緣為圓弧，該圓弧所在的外側(cè)圓半徑為1085 mm~1086 mm，外 側(cè)圓弧夾角為69°~70°。
[0012] 所述管基底部寬度為不小于400mm~450mm，管基厚度不小于60mm~70mm。
[0013] 優(yōu)選的，所述管主體與承口段之間還連接有一段管壁厚度呈線性遞增的過渡段； 所述過渡段的內(nèi)表面與管主體的內(nèi)表面平齊。
[0014] 優(yōu)選的，所述插口段內(nèi)表面與管主體內(nèi)表面平齊，并且插口段外表面呈階梯形，所 述承口段內(nèi)表面與插口段外表面相配合，并且承口段與插口段的接頭通過橡膠圈密封。
[0015] 優(yōu)選的，所述插口段為二段階梯、=段階梯、四段階梯或五段階梯。
[0016] -種承插式RPC薄壁楠圓截面管的制作方法，其特征在于，包括步驟如下： 步驟1:首先根據(jù)設(shè)計(jì)楠圓截面管的過水面積等于直徑為1200mm圓管過水面積的原則， 初步確定楠圓截面管的內(nèi)寬，內(nèi)高，并對(duì)初步確定內(nèi)寬，內(nèi)高的楠圓截面管的進(jìn)行穩(wěn)定性和 力學(xué)驗(yàn)算，不斷優(yōu)化、調(diào)整。
[0017] 步驟2:根據(jù)楠圓截面管材的內(nèi)寬、內(nèi)高W及過水面積S，對(duì)管斷面內(nèi)輪廓線參數(shù)進(jìn) 行計(jì)算;然后利用有限元軟件Midas FEA分析對(duì)管材進(jìn)行受力分析，在滿足經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性 的前提下確定管斷面壁厚;然后再根據(jù)已經(jīng)確定好的內(nèi)寬、內(nèi)高及管斷面壁厚得到楠圓截 面管材的外寬、外高W及過水面積S，最后對(duì)管斷面外輪廓線參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
[0018] 步驟3:管基一體設(shè)計(jì);楠圓截面管管基設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)的確定，先根據(jù)承載要求和 經(jīng)濟(jì)性原則對(duì)楠圓截面管管基底部寬度，管基厚度的確定;然后根據(jù)基底部寬度、管基厚度 算出管基對(duì)應(yīng)的圓弧夾角W及管基傾斜角。
[0019] 步驟4:管道接口設(shè)計(jì);根據(jù)柔性接口設(shè)計(jì)要求，對(duì)楠圓管接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0020] 步驟5:管道的制備;根據(jù)上述1-4步驟中設(shè)計(jì)的幾何外形參數(shù)進(jìn)行管道的制備。
[0021] 優(yōu)選的，步驟2中所述的管斷面內(nèi)輪廓線設(shè)計(jì)具體步驟為， 步驟a:將楠圓形截面分為內(nèi)頂弧段、內(nèi)底弧段W及兩段內(nèi)側(cè)弧段。
[0022] 步驟b:根據(jù)其幾何關(guān)系計(jì)算楠圓頂弧所在的內(nèi)頂圓半徑、內(nèi)頂圓半弧夾角、內(nèi)側(cè) 弧段所在的內(nèi)側(cè)圓半徑、內(nèi)側(cè)圓弧夾角、內(nèi)頂圓圓屯、距內(nèi)底圓底部距離;其中計(jì)算如下，
hl=h-rlO
[0023] 步驟C:根據(jù)步驟a中所得的參數(shù)，得到內(nèi)頂弧段、內(nèi)底弧段W及兩段內(nèi)側(cè)弧段尺寸 細(xì)部圖。
[0024]步驟d:根據(jù)內(nèi)頂弧段、內(nèi)底弧段W及兩段內(nèi)側(cè)弧段尺寸計(jì)算管材等效過水面積； 其中計(jì)算如下，截面面積為S，內(nèi)頂弧段與內(nèi)底弧段對(duì)應(yīng)扇形面積均為SI,內(nèi)側(cè)弧段對(duì) 應(yīng)扇形面積為S2， 則有 S=2S1+2S2，
[00巧]步驟e:由S=JT . (R/2)2,得對(duì)應(yīng)普通圓管直徑R，對(duì)比相同過水端面面積的普通圓 管與楠圓形截面管的差異。
[0026] 優(yōu)選的，步驟2中所述管斷面壁厚的確定，具體方法為:根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，初步選定一 個(gè)斷面壁厚;然后根據(jù)承載要求和經(jīng)濟(jì)性原則，對(duì)管進(jìn)行受力分析，調(diào)節(jié)壁厚;直到恰好有 一個(gè)最薄壁厚能滿足1200mm圓管的=級(jí)裂縫載荷，此壁厚即為所選壁厚。
[0027] 步驟2中所述管斷面外輪廓線設(shè)計(jì)具體步驟為， 步驟A:將楠圓形外輪廓線截面分為外頂弧段、外底弧段W及兩段外側(cè)弧段。
[0028] 步驟B:根據(jù)其幾何關(guān)系計(jì)算楠圓外頂弧段所在的外頂圓半徑、外頂圓半弧夾角、 外側(cè)弧段所在的外側(cè)圓半徑、外側(cè)圓弧夾角;其中計(jì)算如下，
[0029] 優(yōu)選的，步驟4之后，還包括： 建模及受力分析;利用軟件建立承插式RPC薄壁楠圓截面管模型，對(duì)建好的模型依次施 加裂縫荷載、破壞荷載，并進(jìn)行受力分析，具體包括步驟如下， a:模型的建立;采用RPC材料為基本材料，不配筋，結(jié)合外觀尺寸設(shè)計(jì)的管幾何外形參 數(shù)W及管長(zhǎng)度，進(jìn)行管模型的建立； b:對(duì)a中建立的模型進(jìn)行線彈性分析;利用有限元軟件對(duì)管在對(duì)應(yīng)的管裂縫載荷下結(jié) 構(gòu)處于線彈性階段進(jìn)行分析，得出管處于線彈性階段時(shí)受到的最大拉應(yīng)力和管的抗拉強(qiáng) 度； C:對(duì)a中建立的模型進(jìn)行總應(yīng)變裂縫分析;利用有限元軟件對(duì)管進(jìn)行單軸受壓應(yīng)力一 應(yīng)變、單軸拉伸應(yīng)力一應(yīng)變、W及在對(duì)應(yīng)的管破壞載荷下對(duì)模型進(jìn)行非線性彈性受力分析； 得出管在破壞載荷下垂直下壓時(shí)，模型受到的最大拉應(yīng)力； d:比較b中的到的最大拉應(yīng)力和C的到的最大拉應(yīng)力，確定管的抗拉強(qiáng)度，然后對(duì)RPC材 料的配比作出調(diào)整。
[0030] 所述建模及受力分析之后，再進(jìn)行RPC材料配比的調(diào)整；即根據(jù)上述受力分析的結(jié) 果，對(duì)RPC材料配比進(jìn)行調(diào)整，使材料的受力性能滿足設(shè)計(jì)要求。
[0031] 優(yōu)選的，所述的管道的制備包括步驟如下， A:所用RPC材料的制備;RPC材料的原料包括水泥、娃灰、石英砂、減水劑、鋼纖維，根據(jù)d 中得到的配比，進(jìn)行RPC材料的制備。
[0032] B:所用模具的制備;根據(jù)設(shè)計(jì)的管幾何外形參數(shù)，制備模具。
[0033] C:施工承插式RPC薄壁楠圓截面管;采用忍模振動(dòng)法進(jìn)行承插式RPC薄壁楠圓截面 管制備，施工過程分為原料攬拌、誘筑成型、蒸汽養(yǎng)護(hù)S個(gè)步驟;至此，承插式RPC薄壁楠圓 截面管的制備完畢。
[0034] 與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有W下特點(diǎn)和有益效果。
[0035] 1、本發(fā)明中楠圓截面管內(nèi)寬、內(nèi)高在滿足過水面積等于1200mm直徑的圓管過水面 積的前提下，通過穩(wěn)定性和力學(xué)驗(yàn)算，不斷優(yōu)化，最終確定的內(nèi)寬、內(nèi)高尺寸使得本發(fā)明中 的楠圓截面管相比其他尺寸楠圓截面管穩(wěn)定性、抗震性更好，承載力更強(qiáng)。
[0036] 2本發(fā)明中承插式RPC薄壁楠圓截面管內(nèi)輪廓線的由4段圓弧組成，各段圓弧尺寸 的選取，使得楠圓管道在滿足平均過水率與等面積普通圓管相當(dāng)?shù)那疤嵯?，減小底弧半徑、 提高過水速率，W及增加了管道自清潔功能。
[0037] 3、本發(fā)明中的管斷面壁厚尺寸及管基尺寸的確定，使得楠圓截面管在滿足抗震性 及承載力、穩(wěn)定性的情況下，管截面厚度、管基厚度及管基底部寬度尺寸大大減小，從而使 得所用材料減少，產(chǎn)品成本更為經(jīng)濟(jì)，同時(shí)也更加環(huán)保。
[003引4、本發(fā)明將RPC材料引入排水管設(shè)計(jì)；同時(shí)W楠圓為截面形狀，相對(duì)普通圓管更 窄，壁厚大大減少，更加節(jié)約地下空間；本發(fā)明所設(shè)計(jì)的接口，采用承插式接口 W橡膠圈相 連接，屬于柔性接口，抗震性能更好;管道的管基一體設(shè)計(jì)與普通圓管相比不需要鋪設(shè)時(shí)誘 筑管基，減少了溝槽開±方開挖量W及支模養(yǎng)護(hù)，不僅使得施工更加方便，同時(shí)也增強(qiáng)了管 道自身的強(qiáng)度和承載力。
[0039] 5、本發(fā)明承插式RPC薄壁楠圓截面管與普通平口管不同，管道間通過承插口相連， 并用橡膠圈加 W密封，運(yùn)種柔性接口相對(duì)平口管密封性更好，同時(shí)允許管道間有一定的轉(zhuǎn) 角，具備更好的抗震性能。
[0040] 6、本發(fā)明性能優(yōu)良。承插式RPC薄壁楠圓截面管所用材料為RPC材料(Reactive Powder Concrete),新型材料的引進(jìn)不僅使得管道壁厚大幅減小，從而更加節(jié)約地下空間； 同時(shí)，管道的裂縫載荷、破壞載荷能達(dá)到普通管道m(xù)級(jí)管的水平;管道的抗腐蝕和抗凍水平 也遠(yuǎn)高于普通管道;管道的平均過水效率與普通圓管相當(dāng)，當(dāng)水位較低時(shí)過水效率高于圓 管，具有自清潔功能。
[0041] 7、本發(fā)明采用RPC材料，在保證超高抗壓強(qiáng)度（ieOMpa)的同時(shí)還具備相當(dāng)?shù)目拐?強(qiáng)度(20Mpa)。另外，由于RPC材料是超細(xì)粒聚密水泥與纖維復(fù)合增強(qiáng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，所 W不僅強(qiáng)度高還具備較高的初性，抗腐蝕與凍融循環(huán)性能，同時(shí)所用水泥的減少也具備一 定的環(huán)保意義。
[0042] 8、本發(fā)明設(shè)計(jì)排水管材采用忍模振搗成型工藝，W活性粉末混凝±(RPC)為原料， 采用楠圓截面，管材間W承插口相互連接，因此在保證過水效率的同時(shí)具有高耐久的特點(diǎn)， 從生產(chǎn)的角度上能耗較低、滿足城市排水方面的需求;同時(shí)，為生產(chǎn)RPC薄壁楠圓截面管道， 本發(fā)明特制一套模具，采用忍模震動(dòng)的生產(chǎn)工藝，與傳統(tǒng)的離屯、、懸漉工藝比脫模更快，生 產(chǎn)效率更高，同時(shí)也更加文明、環(huán)保。
[0043] 9、本發(fā)明中承插式RPC薄壁楠圓截面管壁厚只有圓管的一半，從而節(jié)約了地下空 間及原材料，比傳統(tǒng)的排水管更加環(huán)保;另外，同時(shí)不需普通管道的配筋，因而承插式RPC薄 壁楠圓截面管在節(jié)能環(huán)保方面具有重要意義。
【附圖說(shuō)明】
[0044] 圖1本發(fā)明中的管道側(cè)面示意圖。
[0045] 圖2本發(fā)明中的管主體橫截面示意圖。
[0046] 圖3本發(fā)明中的管主體的細(xì)部尺寸示意圖。
[0047] 圖4本發(fā)明中的管主體的尺寸示意圖。
[004引圖5本發(fā)明中的管道接口示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049] 如圖1-5所示，運(yùn)種承插式RPC薄壁楠圓截面管，包括管主體4和分別設(shè)在管主體4 兩端的承口段5、插口段6; 所述管主體4的橫截面呈楠圓環(huán)形，該楠圓環(huán)形分為頂弧段1、底弧段2W及位于在頂弧 段1和底弧段2之間的兩段側(cè)弧段3四個(gè)部分。
[0050] 所述頂弧段1的內(nèi)邊緣為圓弧即內(nèi)頂弧段，該圓弧所在的內(nèi)頂圓半徑rl為 391.44mm，內(nèi)頂圓半弧夾角a為56.2928°。
[0051] 所述側(cè)弧段3的內(nèi)邊緣為圓弧即內(nèi)側(cè)弧段，該圓弧所在的內(nèi)側(cè)圓半徑r2為 1037.85mm，內(nèi)側(cè)圓弧夾角0為67.41°。
[0052] 所述底弧段2的內(nèi)邊緣為圓弧即內(nèi)底弧段，該圓弧所在的內(nèi)底圓半徑為391.44mm， 內(nèi)底圓半弧夾角丫為56.2928%所述底弧段2的外側(cè)面設(shè)有通長(zhǎng)管基8。
[0053] 本實(shí)施例中，所述頂弧段1的外邊緣為圓弧即外頂弧段，該圓弧所在的外頂圓半徑 4'為446.62臟，外頂圓半弧夾角〇2為55.32°。
[0054] 所述側(cè)弧段3的外邊緣為圓弧即外側(cè)弧段，該圓弧所在的外側(cè)圓半徑為 1085.61 mm，外側(cè)圓弧夾角的為69.35°。
[0055] 所述管基8底部寬度L為400 mm，管基對(duì)應(yīng)的圓弧的圓屯、角為S為68%管基厚度H為 70mm;管基傾斜角0為57°。
[0056] 本實(shí)施例中，所述管主體4與承口段5之間還連接有一段管壁厚度呈線性遞增的過 渡段7;所述過渡段7的內(nèi)表面與管主體4的內(nèi)表面平齊。
[0057] 本實(shí)施例中，所述插口段6內(nèi)表面與管主體4內(nèi)表面平齊，并且插口段6外表面呈階 梯形，所述承口段5內(nèi)表面與插口段6,并且承口段5與插口段6的接頭通過橡膠圈密封。
[0058] 本實(shí)施例中，所述插口段6為二段階梯、=段階梯、四段階梯或五段階梯。
[0059] 運(yùn)種承插式RPC薄壁楠圓截面管的制作方法，包括步驟如下： 步驟1:首先根據(jù)設(shè)計(jì)楠圓截面管的過水面積等于直徑為1200mm圓管過水面積的原則， 初步確定楠圓截面管的內(nèi)寬b，內(nèi)高h(yuǎn)，并對(duì)初步確定內(nèi)寬b，內(nèi)高h(yuǎn)的楠圓截面管的進(jìn)行穩(wěn)定 性和力學(xué)驗(yàn)算，不斷優(yōu)化、調(diào)整。
[0060] 步驟2:根據(jù)楠圓截面管材的內(nèi)寬b、內(nèi)高h(yuǎn)W及過水面積S，對(duì)管斷面內(nèi)輪廓線參數(shù) 進(jìn)行計(jì)算;然后利用有限元軟件Midas FEA分析對(duì)管材進(jìn)行受力分析，在滿足經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定 性的前提下，確定管斷面壁厚d;然后再根據(jù)已經(jīng)確定好的內(nèi)寬b、內(nèi)高h(yuǎn)及管斷面壁厚d得到 楠圓截面管材的外寬b，、外高h(yuǎn)，W及過水面積S，最后對(duì)管斷面外輪廓線參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
[0061] 步驟3:管基一體設(shè)計(jì);楠圓截面管管基8設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)的確定，先根據(jù)承載要求對(duì) 楠圓截面管管基底部寬度L，管基厚度H的確定;然后根據(jù)基底部寬度L、管基厚度H算出管基 對(duì)應(yīng)的圓弧夾角SW及管基傾斜角0。
[0062] 步驟4:管道接口設(shè)計(jì)；根據(jù)柔性接口設(shè)計(jì)要求，對(duì)楠圓管接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。承插式 RPC楠圓管接口細(xì)部設(shè)計(jì)參考了《混凝±和鋼筋混凝±排水管XGB/T11836-2009)中的柔性 接頭B型承插口管接頭，管間采用彈性膠圈密封，屬于柔性接口，運(yùn)樣允許接口在一定范圍 內(nèi)伸縮而保證密封性，避免污水滲漏對(duì)環(huán)境造成污染，同時(shí)對(duì)地基的適應(yīng)性較強(qiáng)，抗震性能 好，參照?qǐng)A管接口尺寸對(duì)承插式RPC楠圓管接口進(jìn)行確定。
[0063] 步驟5:管道的制備;根據(jù)上述1-4步驟中設(shè)計(jì)的幾何外形參數(shù)進(jìn)行管道的制備。
[0064] 本實(shí)施例中，楠圓截面管材的內(nèi)寬b、內(nèi)高h(yuǎn)分別為1000、1500mm，過水面積約為 1.175m2(相當(dāng)于內(nèi)徑1200mm普通圓管），長(zhǎng)度為2000mm，步驟1中所述的管斷面內(nèi)輪廓線設(shè) 計(jì)具體步驟為， 步驟a:將楠圓形截面分為內(nèi)頂弧段、內(nèi)底弧段W及兩段內(nèi)側(cè)弧段。
[0065] 步驟b:根據(jù)其幾何關(guān)系計(jì)算楠圓頂弧所在的內(nèi)頂圓半徑rl、內(nèi)頂圓半弧夾角a、內(nèi) 側(cè)弧段所在的內(nèi)側(cè)圓半徑r2、內(nèi)側(cè)圓弧夾角0、內(nèi)頂圓圓屯、距內(nèi)底圓底部距離h 1;其中計(jì)算 如下，
hi二h-rlc
[0066] 步驟C:根據(jù)步驟a中所得的參數(shù)，得到內(nèi)頂弧段、內(nèi)底弧段W及兩段內(nèi)側(cè)弧段尺寸 細(xì)部圖。
[0067] 步驟d:根據(jù)內(nèi)頂弧段、內(nèi)底弧段W及兩段內(nèi)側(cè)弧段尺寸計(jì)算管材等效過水面積； 其中計(jì)算如下，截面面積為S，內(nèi)頂弧段與內(nèi)底弧段對(duì)應(yīng)扇形面積均為Sl，內(nèi)側(cè)弧段對(duì) 應(yīng)扇形面積為S2， 則有 S=2S1+2S2，
[0068] 步驟e:由S=JT . (R/2)2,得對(duì)應(yīng)普通圓管直徑R，對(duì)比相同過水端面面積的普通圓 管與楠圓形截面管的差異。
[0069] 本實(shí)施例中，步驟2中所述管斷面壁厚d的確定，管壁厚設(shè)計(jì)為:根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，初 步選定一個(gè)斷面壁厚，在滿足管材承載要求使用條件的前提下，薄壁應(yīng)具有具備經(jīng)濟(jì)性，和 帶來(lái)施工作業(yè)時(shí)的簡(jiǎn)易性。經(jīng)有限元軟件Midas FEA分析，對(duì)管進(jìn)行受力分析，調(diào)節(jié)壁厚;直 到恰好有一個(gè)最薄壁厚能滿足1200mm圓管的=級(jí)裂縫載荷，此壁厚即為所選壁厚;本實(shí)施 例中，將管材壁厚設(shè)計(jì)為等壁厚60mm，管材斷面外輪廓線的寬度、高度分別為b，=1120mm，h， =1620 mm。
[0070] 步驟2中所述管斷面外輪廓線設(shè)計(jì)具體步驟為， 步驟A:將楠圓形外輪廓線截面分為外頂弧段、外底弧段W及兩段外側(cè)弧段。
[0071] 步驟B:根據(jù)其幾何關(guān)系計(jì)算楠圓外頂弧段所在的外頂圓半徑rl'、外頂圓半弧夾 角曰2、外側(cè)弧段所在的外側(cè)圓半徑r2'、外側(cè)圓弧夾角的;其中計(jì)算如下，
[0072] 本實(shí)施例中，步驟4之后，還包括 建模及受力分析;利用軟件建立承插式RPC薄壁楠圓截面管模型，對(duì)建好的模型依次施 加裂縫荷載、破壞荷載，并進(jìn)行受力分析，具體包括步驟如下， a:模型的建立;采用RPC材料為基本材料，不配筋，結(jié)合外觀尺寸設(shè)計(jì)管幾何外形參數(shù) W及管長(zhǎng)度，進(jìn)行管模型的建立。
[0073] b:對(duì)a中建立的模型進(jìn)行線彈性分析;利用有限元軟件對(duì)管在對(duì)應(yīng)的管裂縫載荷 下結(jié)構(gòu)處于線彈性階段進(jìn)行分析，得出管處于線彈性階段時(shí)受到的最大拉應(yīng)力和管的抗拉 強(qiáng)度。
[0074] C:對(duì)a中建立的模型進(jìn)行總應(yīng)變裂縫分析;利用有限元軟件對(duì)管進(jìn)行單軸受壓應(yīng) 力一應(yīng)變、單軸拉伸應(yīng)力一應(yīng)變、W及在對(duì)應(yīng)的管破壞載荷下對(duì)模型進(jìn)行非線性彈性受力 分析;得出管在破壞載荷下垂直下壓時(shí)，模型受到的最大拉應(yīng)力。
[0075] d:比較b中的到的最大拉應(yīng)力和C的到的最大拉應(yīng)力，確定管的抗拉強(qiáng)度，然后對(duì) RPC材料的配比作出調(diào)整。
[0076] 所述建模及受力分析之后，再進(jìn)行RPC材料配比的調(diào)整；即根據(jù)上述受力分析的結(jié) 果，對(duì)RPC材料配比進(jìn)行調(diào)整，使材料的受力性能滿足設(shè)計(jì)要求。
[0077] 本實(shí)施例中，所述的管道的制備包括步驟如下， A:所用RPC材料的制備;RPC材料的原料包括水泥、娃灰、石英砂、減水劑、鋼纖維，根據(jù)d 中得到的配比，進(jìn)行RPC材料的制備;具體如下： 與高強(qiáng)混凝±相比，RPC在保持高強(qiáng)度的同時(shí)還具有良好的初性和耐久性，優(yōu)選原材料 是實(shí)現(xiàn)RPC優(yōu)異性能的基礎(chǔ)。發(fā)明選用原料包括水泥、娃灰、石英砂、減水劑、鋼纖維，下文詳 細(xì)介紹各組分性能指標(biāo)。
[007引 （1)水泥 本發(fā)明選用水泥為北京金隅水泥廠生產(chǎn)的42.5#普通娃酸鹽水泥，水泥細(xì)度為 3500cm2/g，初凝時(shí)間為ieOmim，終凝為220min，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為28%，燒失量為0.5，水泥 熟料礦物組成(石膏滲量約為3.0%)和實(shí)測(cè)水泥基本性能如下表所示。
[0079] 水泥熟料礦物組成
(2)礦粉 礦粉是工廠在提純娃或娃鐵合金時(shí)產(chǎn)生的一種的副產(chǎn)品，為灰白色細(xì)粉，其密度為 2.22g/cm3,平均粒徑小于lum，比表面積為1.43X105cm2/g。本配比所用礦粉的化學(xué)組分及 粒度檢測(cè)結(jié)果如下表所示： 礦粉組分檢測(cè)結(jié)果
礦粉粒度檢測(cè)結(jié)果
(3)石英砂 選用滄州錯(cuò)蠢石英砂，粒徑范圍為0-125mm，石英砂按粒徑可分為粗砂、中砂和細(xì)砂。為 滿足RPC對(duì)骨料級(jí)配的要求，所選石英砂粒徑在160um到1250um之間，W此與水泥顆粒SOum 到lOOum粒徑相區(qū)分。不同粒徑石英砂的表觀密度和堆積密度如下表所示。
[0080]石英砂密度分析 ^八風(fēng)豕刑
RPC材料是基于最大密實(shí)度理論發(fā)展而來(lái)，為了保證材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)的水灰比一般較低， 因此需要滲入一定量的減水劑使其便于振搗成型。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用的減水劑有新型 非糞系高性能減水劑AN-3000、糞系高性能減水劑(PNS)、可溶性樹脂型高效減水劑(DFS-2) 等。本發(fā)明采用自配的AN-3000型減水劑，該型減水劑為深褐色粘稠液體，減水率能達(dá)到 30%，化內(nèi)塌的落度損失幾乎可W忽略，對(duì)大多數(shù)品牌的水泥具有良好的適應(yīng)性。
[0081 ] (5)鋼纖維 選擇上海哈瑞克斯公司生產(chǎn)的鋼纖維，纖維表面鍛銅，長(zhǎng)度約為13mm，直徑在0.22mm左 右，抗拉強(qiáng)度達(dá)到2800Mpa。
[0082] 結(jié)合上文敘述，本課題制備承插式RPC楠圓截面管材所配制的RPC160配比如下表 所示。
[0083] RPC160 配比
B:所用模具的制備;根據(jù)設(shè)計(jì)的管幾何外形參數(shù)，制備模具;本發(fā)明所設(shè)計(jì)的管材截面 是由4段圓弧組成的楠圓，無(wú)法采用現(xiàn)有模具進(jìn)行管材制備，因此制造一組新型模具，模具 由Q335鋼板焊接組成，包括外模、內(nèi)模、模蓋、底模。內(nèi)模為四段弧形鋼板一體成型，管內(nèi)設(shè) 有兩道橫撐桿可調(diào)節(jié)內(nèi)模松緊，W便于拆模;管材內(nèi)、外模具之間設(shè)有四個(gè)鋼制卡扣用于控 制二者間隙，防止內(nèi)、外模具在喂料、振搗時(shí)發(fā)生相對(duì)位移而使楠圓截面管壁厚不一。管材 底模依靠螺栓與外模、內(nèi)模相連接，設(shè)計(jì)目的在于控制承口成型精度，防止漏漿。
[0084] C:施工承插式RPC薄壁楠圓截面管;采用忍模振動(dòng)法進(jìn)行承插式RPC薄壁楠圓截面 管制備，施工過程分為原料攬拌、誘筑成型、蒸汽養(yǎng)護(hù)=個(gè)步驟;具體如下： RPC原料攬拌，RPC原料攬拌工藝和設(shè)備與普通混凝±類似，其工藝核屯、在于鋼纖維在 混凝±中均勻分散，保證鋼纖維在RPC中發(fā)揮增強(qiáng)、增初、阻礙裂縫擴(kuò)展等作用。本發(fā)明對(duì)于 RPC原料的攬拌選擇先干后濕攬拌工藝，攬拌設(shè)備使用的是JSlOOO強(qiáng)制式攬拌機(jī)，具體參數(shù) 如下表所示。
[0085] JSlOOO巧攬拌化參數(shù)
根據(jù)管材尺寸參數(shù)計(jì)算出所用RPC約為60化(出料），據(jù)此估算進(jìn)料為1000 L左右。RPC原 材料攬拌首先根據(jù)設(shè)計(jì)配比稱量好各種原料用量，先將石英砂、鋼纖維放入攬拌機(jī)中攬拌 3min使二者充分混合;再加入膠凝材料(娃灰、水泥)繼續(xù)干拌2min使上述各RPC固體原料組 分?jǐn)埌杈鶆?將水和外加劑充分混合，倒入攬拌好的滲合料中攬拌6min即可測(cè)定其塌落度、 出料。為了防止鋼纖維團(tuán)聚，RPC原料攬拌時(shí)要注意如下幾點(diǎn):①攬拌前對(duì)鋼纖維進(jìn)行外觀 檢驗(yàn)，篩除結(jié)團(tuán)的鋼纖維;②選用大功率攬拌機(jī)，確保原料攬拌充分;③若采用先干后濕工 藝攬拌在鋼纖維攬拌均勻前禁止水分進(jìn)入。
[0086] RPC誘筑成型，本發(fā)明所用模具質(zhì)量約為4000kg，每立方米R(shí)PC質(zhì)量為2517kg，如此 質(zhì)量難W在振動(dòng)臺(tái)完成振搗，因此成型階段用龍口吊將攬拌均勻的RPC材料直接誘入模具 中，誘筑過程中采用振搗棒與附著式振搗器結(jié)合振搗的方式使RPC在模具中均勻分布，振搗 直至RPC表面出漿為止。RPC管材成型同時(shí)，預(yù)留150 X 150 X 150mm、150 X 150 X 600mm試塊各 3組(每組3個(gè)），采用與管材相同的成型工藝，將成型后的RPC管材表面鋪設(shè)塑料薄膜放入蒸 養(yǎng)坑中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。
[0087] 蒸氣養(yǎng)護(hù)，蒸養(yǎng)工藝要求:①管材在振搗成型后覆膜靜?；藭r(shí)要求環(huán)境溫度在 20°C W上，相對(duì)濕度不低于60%;②隨后在40°C下，恒溫蒸汽養(yǎng)護(hù)2地，隨后在與環(huán)境溫差小 于20°C脫模，此過程中升溫速度要求低于12°C/h，降溫速度不大于15°CA;③RPC管材脫模 后，在80°C繼續(xù)恒溫蒸養(yǎng)4她(升降溫度要求參考上一步驟），隨后在與外界溫差小于20°C條 件下出蒸養(yǎng)井，自然條件下灑水覆膜7天結(jié)束養(yǎng)護(hù)，完成承插式RPC楠圓截面管材制備。
[0088]至此，承插式RPC薄壁楠圓截面管的制備完畢。 本說(shuō)明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)型式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍 不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員 根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種承插式RPC薄壁橢圓截面管，包括管主體(4)和分別設(shè)在管主體(4)兩端的承口 段(5)、插口段(6)，其特征在于： 所述管主體(4)的橫截面呈橢圓環(huán)形，該橢圓環(huán)形分為頂弧段（1)、底弧段(2)以及位于 在頂弧段(1)和底弧段(2)之間的兩段側(cè)弧段(3)四個(gè)部分； 所述頂弧段（1)的內(nèi)邊緣為圓弧，該圓弧所在的內(nèi)頂圓半徑(ri)為39 Imm~392mm，內(nèi)頂 圓半弧夾角(α)為56°~57° ; 所述側(cè)弧段(3)的內(nèi)邊緣為圓弧，該圓弧所在的內(nèi)側(cè)圓半徑0-2)為1037mm~1038mm，內(nèi) 側(cè)圓弧夾角(β)為67°~68° ; 所述底弧段(2)的內(nèi)邊緣為圓弧，該圓弧所在的內(nèi)底圓半徑為39 Imm~392mm，內(nèi)底圓半 弧夾角（γ )為56°~57° ;所述底弧段(2)的外側(cè)面設(shè)有通長(zhǎng)管基(8)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種承插式RPC薄壁橢圓截面管，其特征在于： 所述頂弧段（1)的外邊緣為圓弧，該圓弧所在的外頂圓半徑(ri'）為446mm~447mm，外頂 圓半弧夾角(〇2)為55°~56° ; 所述側(cè)弧段(3)的外邊緣為圓弧，該圓弧所在的外側(cè)圓半徑(? '）為1085mm~1086mm，外 側(cè)圓弧夾角(&)為69°~70° ; 所述管基(8)底部寬度(L)為400mm~450mm，管基厚度(H)為60mm~70mm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種承插式RPC薄壁橢圓截面管，其特征在于:所述管主體(4) 與承口段(5)之間還連接有一段管壁厚度呈線性遞增的過渡段(7);所述過渡段(7)的內(nèi)表 面與管主體(4)的內(nèi)表面平齊。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種承插式RPC薄壁橢圓截面管，其特征在于:所述插口段(6) 內(nèi)表面與管主體(4)內(nèi)表面平齊，并且插口段(6)外表面呈階梯形，所述承口段(5)內(nèi)表面與 插口段(6)外表面相配合，并且承口段(5)與插口段(6)的接頭通過橡膠圈密封。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種承插式RPC薄壁橢圓截面管，其特征在于:所述插口段(6) 為二段階梯、三段階梯、四段階梯或五段階梯。6. -種權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的承插式RPC薄壁橢圓截面管的施工方法，其特征 在于，包括步驟如下： 步驟1:首先根據(jù)設(shè)計(jì)橢圓截面管的過水面積等于直徑為1200mm圓管過水面積的原則， 初步確定橢圓截面管的內(nèi)寬(b)，內(nèi)高(h)，并對(duì)初步確定內(nèi)寬(b)，內(nèi)高(h)的橢圓截面管的 進(jìn)行穩(wěn)定性和力學(xué)驗(yàn)算，不斷優(yōu)化、調(diào)整； 步驟2:根據(jù)橢圓截面管材的內(nèi)寬(b)、內(nèi)高(h)以及過水面積s，對(duì)管斷面內(nèi)輪廓線參數(shù) 進(jìn)行計(jì)算;然后利用有限元軟件Midas FEA分析對(duì)管材進(jìn)行受力分析，在滿足經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定 性的前提下，確定管斷面壁厚(d);然后再根據(jù)已經(jīng)確定好的內(nèi)寬(b)、內(nèi)高(h)及管斷面壁 厚(d)得到橢圓截面管材的外寬(b，）、外高(h，）以及過水面積S，最后對(duì)管斷面外輪廓線參 數(shù)進(jìn)行計(jì)算； 步驟3:管基一體設(shè)計(jì);橢圓截面管管基(8)設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)的確定，先根據(jù)承載要求和經(jīng) 濟(jì)性原則對(duì)橢圓截面管管基底部寬度(L)，管基厚度(H)的確定;然后根據(jù)基底部寬度(L)、 管基厚度(H)算出管基對(duì)應(yīng)的圓弧夾角(δ)以及管基傾斜角（Θ); 步驟4:管道接口設(shè)計(jì);根據(jù)柔性接口設(shè)計(jì)要求，對(duì)橢圓管接口進(jìn)行設(shè)計(jì)； 步驟5:管道的制備;根據(jù)上述1-4步驟中設(shè)計(jì)的幾何外形參數(shù)進(jìn)行管道的制備。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的承插式RPC薄壁橢圓截面管的施工方法，其特征在于:步驟2中 所述的管斷面內(nèi)輪廓線設(shè)計(jì)具體步驟為， 步驟a:將橢圓形截面分為內(nèi)頂弧段、內(nèi)底弧段以及兩段內(nèi)側(cè)弧段； 步驟b:根據(jù)其幾何關(guān)系計(jì)算橢圓頂弧所在的內(nèi)頂圓半徑(n)、內(nèi)頂圓半弧夾角(α)、內(nèi) 側(cè)弧段所在的內(nèi)側(cè)圓半徑(r2)、內(nèi)側(cè)圓弧夾角(β)、內(nèi)頂圓圓心距內(nèi)底圓底部距離(h〇;其中 計(jì)算如下，hi = h_ri; 步驟C:根據(jù)步驟a中所得的參數(shù)，得到內(nèi)頂弧段、內(nèi)底弧段以及兩段內(nèi)側(cè)弧段尺寸細(xì)部 圖； 步驟d:根據(jù)內(nèi)頂弧段、內(nèi)底弧段以及兩段內(nèi)側(cè)弧段尺寸計(jì)算管材等效過水面積;其中 計(jì)算如下，截面面積為S，內(nèi)頂弧段與內(nèi)底弧段對(duì)應(yīng)扇形面積均為S1，內(nèi)側(cè)弧段對(duì)應(yīng)扇形面 積為S2，步驟e:由S = Ji · (R/2)2，得對(duì)應(yīng)普通圓管直徑R，對(duì)比相同過水端面面積的普通圓管與 橢圓形截面管的差異。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的承插式RPC薄壁橢圓截面管的施工方法，其特征在于： 步驟2中所述管斷面壁厚(d)的確定，具體方法為:根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，初步選定一個(gè)斷面壁 厚;然后根據(jù)承載要求和經(jīng)濟(jì)性原則，對(duì)管進(jìn)行受力分析，調(diào)節(jié)壁厚;直到恰好有一個(gè)最薄 壁厚能滿足1200mm圓管的三級(jí)裂縫載荷，此壁厚即為所選壁厚； 步驟2中所述管斷面外輪廓線設(shè)計(jì)具體步驟為， 步驟A:將橢圓形外輪廓線截面分為外頂弧段、外底弧段以及兩段外側(cè)弧段； 步驟B:根據(jù)其幾何關(guān)系計(jì)算橢圓外頂弧段所在的外頂圓半徑(n'）、外頂圓半弧夾角 (仍）、外側(cè)弧段所亦的外側(cè)_半徑(^'）、外側(cè)_弧賽#(89)，其中計(jì)算如下，9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的承插式RPC薄壁橢圓截面管的施工方法，其特征在于:步驟4之 后，還包括： 建模及受力分析;利用軟件建立承插式RPC薄壁橢圓截面管模型，對(duì)建好的模型依次施 加裂縫荷載、破壞荷載，并進(jìn)行受力分析，具體包括步驟如下， a:模型的建立;采用RPC材料為基本材料，不配筋，結(jié)合外觀尺寸設(shè)計(jì)的管幾何外形參 數(shù)以及管長(zhǎng)度，進(jìn)行管模型的建立； b:對(duì)a中建立的模型進(jìn)行線彈性分析;利用有限元軟件對(duì)管在對(duì)應(yīng)的管裂縫載荷下結(jié) 構(gòu)處于線彈性階段進(jìn)行分析，得出管處于線彈性階段時(shí)受到的最大拉應(yīng)力和管的抗拉強(qiáng) 度； c:對(duì)a中建立的模型進(jìn)行總應(yīng)變裂縫分析;利用有限元軟件對(duì)管進(jìn)行單軸受壓應(yīng)力一 應(yīng)變、單軸拉伸應(yīng)力一應(yīng)變、以及在對(duì)應(yīng)的管破壞載荷下對(duì)模型進(jìn)行非線性彈性受力分析； 得出管在破壞載荷下垂直下壓時(shí)，模型受到的最大拉應(yīng)力； d:比較b中的到的最大拉應(yīng)力和c的到的最大拉應(yīng)力，確定管的抗拉強(qiáng)度，然后對(duì)RPC材 料的配比作出調(diào)整； 所述建模及受力分析之后，再進(jìn)行RPC材料配比的調(diào)整；即根據(jù)上述受力分析的結(jié)果， 對(duì)RPC材料配比進(jìn)行調(diào)整，使材料的受力性能滿足設(shè)計(jì)要求。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的承插式RPC薄壁橢圓截面管的施工方法，其特征在于:所述的 管道的制備包括步驟如下， A:所用RPC材料的制備；，根據(jù)d中得到的配比，進(jìn)行RPC材料的制備； B:所用模具的制備;根據(jù)設(shè)計(jì)的管幾何外形參數(shù)，制備模具； C:施工承插式RPC薄壁橢圓截面管;采用芯模振動(dòng)法進(jìn)行承插式RPC薄壁橢圓截面管制 備，施工過程分為原料攪拌、澆筑成型、蒸汽養(yǎng)護(hù)三個(gè)步驟;至此，承插式RPC薄壁橢圓截面 管的制備完畢。
【文檔編號(hào)】E03F3/04GK106013393SQ201610446368
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月20日
【發(fā)明人】王騰, 劉婧, 王貫明, 張?zhí)彰? 王歡
【申請(qǐng)人】北京市市政工程研究院