本發(fā)明涉及管道一種水域盾構(gòu)隧道穿越管道的GFRP抗漂浮設(shè)計方法，屬于管道工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，隧道內(nèi)管道抗漂浮管卡和連接件通常采用普通鋼構(gòu)件加防腐措施(如犧牲陽極和膏狀物包覆的聯(lián)合防護(hù)方案)或者是不銹鋼構(gòu)件。對于普通鋼構(gòu)件的管卡，無論采用何種防腐措施，除了防腐施工自身質(zhì)量難以保證外，管卡運(yùn)輸、安裝施工都難免會對防腐結(jié)構(gòu)造成損傷。對于犧牲陽極保護(hù)，對規(guī)則形狀的管卡有一定的防護(hù)作用，但對于非規(guī)則構(gòu)件，如螺栓、鉸接結(jié)構(gòu)等連接部件，其與主結(jié)構(gòu)件之間的接觸電阻較大，其表面電流分布不均，犧牲陽極無法對其進(jìn)行有效的保護(hù)作用，其防護(hù)效果不好。同時，采用膏狀物包敷螺栓等連接件，也存在密封不嚴(yán)誘發(fā)縫隙腐蝕。

而對于不銹鋼構(gòu)件方案，除投資高外，其使用條件也受到一定限制。以海底隧道穿越為例，由于海水中高濃度氯鹽的存在，不銹鋼連接構(gòu)件的腐蝕更加難以控制，傳統(tǒng)的不銹鋼單一防腐措施很難達(dá)到腐蝕控制效果。

由于管道支墩采用普通碳鋼鋼筋，不銹鋼錨固件與碳鋼鋼筋連接，兩者存在因電位差導(dǎo)致的電偶腐蝕問題，這將大大加速鋼筋腐蝕速度。這種電偶腐蝕可能造成鋼筋銹蝕而管道支墩及其他錨固設(shè)施失效。

而GFRP是以高分子樹脂為基體，以玻璃纖維為增強(qiáng)體復(fù)合而成的復(fù)合材料，具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕等優(yōu)良特性，可作為鋼筋、鋼錨桿及鋼質(zhì)錨固件的替代材料等在國內(nèi)煤炭、交通、市政領(lǐng)域有著一定的應(yīng)用，形成了《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》GB50608-2010等標(biāo)準(zhǔn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決鋼質(zhì)管卡與連接件存在的腐蝕和防護(hù)難題，本發(fā)明的目的在于提供一種無腐蝕的水域盾構(gòu)隧道穿越管道的GFRP抗漂浮設(shè)計方法，為以后滿足使用要求的管道工程抗漂浮提供設(shè)計和計算方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種水域盾構(gòu)隧道穿越管道的GFRP抗漂浮設(shè)計方法，包括以下步驟：

步驟1，根據(jù)水域盾構(gòu)隧道穿越管道充水運(yùn)營工況計算管道的延米漂浮設(shè)計荷載q；

步驟2，根據(jù)管道材料特性、輸送介質(zhì)特性及管道運(yùn)營環(huán)境條件確定管道跨距L；

步驟3，根據(jù)步驟1確定的管道延米漂浮設(shè)計荷載q及步驟2確定的管道跨距L，確定抗漂浮錨固件的抗漂浮設(shè)計荷載Q，其中抗漂浮錨固件包括鋪底混凝土配重層，管道通過管卡固定在鋪底混凝土配重層上，所述管卡沿管道的兩側(cè)分別設(shè)有與GFRP錨固螺桿相對應(yīng)的螺栓孔；

步驟4，根據(jù)步驟3中的抗漂浮錨固件的抗漂浮設(shè)計荷載Q和鋪底混凝土配重層高度h，確定鋪底混凝土配重層長度L₁；

步驟5，對鋪底混凝土配重層進(jìn)行配筋計算與設(shè)計；

步驟6，確定GFRP錨固螺桿的數(shù)量n；

步驟7，根據(jù)步驟6確定的單側(cè)GFRP錨固螺桿數(shù)量n/2，結(jié)合GFRP錨固螺桿施工空間要求，確定管卡的長度B；根據(jù)抗漂浮錨固件的抗漂浮設(shè)計荷載Q和GFRP錨固螺桿的抗拉設(shè)計強(qiáng)度f_u計算確定管卡厚度b；根據(jù)單個GFRP錨固螺桿拉力N和GFRP錨固螺桿的抗剪設(shè)計強(qiáng)度f_v計算確定管卡底板厚度a；

步驟8，完成水域盾構(gòu)隧道穿越管道的GFRP抗漂浮設(shè)計。

進(jìn)一步的，步驟1中的管道的延米漂浮設(shè)計荷載q根據(jù)下式計算：

式中，q為管道延米漂浮設(shè)計荷載，k為抗漂浮穩(wěn)定系數(shù)，OD為管道外直徑(m)，ID為管道內(nèi)徑(m)，ρ_w為水密度(kg/m³)，ρ_g為輸送介質(zhì)密度(kg/m³)，G_p為管道延米重量(N/m)。

進(jìn)一步的，步驟3中抗漂浮錨固件的抗漂浮設(shè)計荷載Q根據(jù)下式計算得到：Q＝qL。

進(jìn)一步的，步驟4中確定鋪底混凝土配重層長度L₁包括以下步驟：

步驟4.1，確定鋪底混凝土配重層的延米配重G_h：

式中，R_t為盾構(gòu)隧道內(nèi)直徑(m)，h為鋪底混凝土配重層高度(m)，L₁為鋪底混凝土配重層長度(m)，ρ_h為鋪底混凝土配重層密度(kg/m³)，ρ_w為水密度(kg/m³)；

步驟4.2，確定鋪底混凝土配重層長度L₁：

進(jìn)一步的，步驟5中對鋪底混凝土配重層進(jìn)行配筋計算與設(shè)計包括以下步驟：

步驟5.1，確定GFRP錨固螺桿的抗拉設(shè)計強(qiáng)度f_u：

式中，f_k為GFRP錨固螺桿的抗拉設(shè)計強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，γ_s為GFRP材料的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值保證率，γ₁為GFRP材料的分項(xiàng)系數(shù)，γ_e為GFRP材料的環(huán)境影響系數(shù)；

步驟5.2，確定鋪底混凝土配重層頂部GFRP受拉鋼筋面積A_s：

式中，A_s為鋪底混凝土配重層頂部GFRP受拉鋼筋面積(m²)，G_h為鋪底混凝土配重層的延米配重(N/m)，L₁為鋪底混凝土配重層長度(m)，h為鋪底混凝土配重層高度(m)，a_s為鋪底混凝土配重層頂部GFRP受拉鋼筋保護(hù)層厚度(m)。

進(jìn)一步的，步驟6中確定GFRP錨固螺桿的數(shù)量n包括以下步驟：

步驟6.1，設(shè)定GFRP錨固螺桿的數(shù)量n，根據(jù)GFRP錨固螺桿的數(shù)量n確定單個GFRP錨固螺桿拉力N和GFRP錨固螺桿公稱外徑d：

步驟6.2，由GFRP錨固螺桿公稱外徑d根據(jù)下式計算確定GFRP錨固螺桿在鋪底混凝土配重層內(nèi)的最小錨固長度L_a：

驗(yàn)證鋪底混凝土配重層最短側(cè)錨固空間是否滿足最小錨固長度L_a；

步驟6.3，當(dāng)鋪底混凝土配重層最短側(cè)錨固空間滿足最小錨固長度L_a時，所設(shè)定的GFRP錨固螺桿的數(shù)量n滿足要求；當(dāng)所述GFRP錨固螺桿的錨固長度L_a因空間受限無法滿足時，則在所述GFRP錨固螺桿底部加設(shè)墩頭或雙螺母，GFRP墩頭錨固螺桿的最小錨固力N_L、GFRP墩頭錨固螺桿的數(shù)量n、GFRP墩頭錨固螺桿的墩頭高度h_L分別為：

式中，L_a為GFRP錨固螺桿在鋪底混凝土配重層內(nèi)的最小錨固長度(m)，f_u為GFRP錨固螺桿的抗拉設(shè)計強(qiáng)度，k₁為GFRP錨固螺桿設(shè)計安全系數(shù)，k₂為GFRP錨固螺桿設(shè)計抗拔安全系數(shù)，f_t為鋪底混凝土配重層的軸心抗拉設(shè)計強(qiáng)度，D為GFRP墩頭錨固螺桿的墩頭外徑，h_L為GFRP墩頭錨固螺桿的墩頭高度，f_v為GFRP錨固螺桿的抗剪設(shè)計強(qiáng)度。

進(jìn)一步的，GFRP墩頭錨固螺桿的墩頭外徑D為1.7d。

進(jìn)一步的，步驟7中所述GFRP錨固螺桿施工空間要求為GFRP錨固螺桿中心間距不小于2.5d，GFRP錨固螺桿中心距管卡的邊緣不小于1.5d。

進(jìn)一步的，管卡厚度b和管卡底板厚度a分別根據(jù)下式計算得到：

f_u為GFRP錨固螺桿的抗拉設(shè)計強(qiáng)度，f_v為GFRP錨固螺桿的抗剪設(shè)計強(qiáng)度。

進(jìn)一步的，所述GFRP錨固螺桿沿管道的兩側(cè)布置，且每側(cè)GFRP錨固螺桿的個數(shù)為奇數(shù)。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明針對管道工程水域盾構(gòu)隧道穿越管道提出了無腐蝕的GFRP抗漂浮設(shè)計方案，為今后GFRP抗漂浮體系在水域盾構(gòu)隧道穿越管道工程的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述水域盾構(gòu)隧道穿越管道的GFRP抗漂浮裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明所述GFRP緊固件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3a和圖3b分別為GFRP管卡參數(shù)示意圖；

圖4為本發(fā)明所述GFRP管支座結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1-GFRP管卡，2-GFRP管支座，3-GFRP緊固件，4-GFRP螺帽，5-GFRP螺桿，6-GFRP端頭，7-管道。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實(shí)施例

某輸氣管道工程管道外直徑OD為1219mm，管道內(nèi)直徑ID為1182mm，管道延米重量G_p為5370N/m，介質(zhì)密度為70kg/m³。盾構(gòu)隧道直徑為3.08m，隧道充水運(yùn)營，根據(jù)運(yùn)營條件要求，管道設(shè)計跨徑L為30m，管道支墩及鋪底配重層采用C30鋼筋混凝土，鋪底混凝土配重層最大厚度h為0.7m。

一種水域盾構(gòu)隧道穿越管道的GFRP抗漂浮設(shè)計方法，基于水域盾構(gòu)隧道GFRP穿越管道的抗漂浮裝置，如圖1所示，盾構(gòu)隧道內(nèi)側(cè)底部設(shè)有鋪底混凝土配重層，所述鋪底混凝土配重層上方設(shè)有GFRP管支座2，所述GFRP管支座2為與所述管道7相對應(yīng)的弧形支座，管道7放置于所述GFRP管支座2上，且所述管道7的外周通過GFRP管卡1固定，所述GFRP管卡1底部設(shè)有管卡底板，所述GFRP緊固件3沿GFRP管卡1兩側(cè)均勻布置，GFRP緊固件3依次穿過管卡底板和鋪底混凝土配重層以固定所述GFRP管卡1，所述GFRP緊固件3即為GFRP錨固螺桿。如圖2所示，GFRP緊固件3包括GFRP螺帽4、GFRP螺桿5和GFRP端頭6，所述GFRP螺桿5和GFRP端頭6分別伸入鋪底混凝土配重層中，所述GFRP螺帽4位于管卡底板上方。

所述水域盾構(gòu)隧道GFRP穿越管道的抗漂浮設(shè)計方法包括鋪底混凝土配重土設(shè)計、管卡設(shè)計和GFRP錨固螺桿設(shè)計，具體的，包括以下步驟：

步驟1，根據(jù)水域盾構(gòu)隧道穿越管道充水運(yùn)營工況計算管道的延米漂浮設(shè)計荷載q：

式中，q為管道延米漂浮設(shè)計荷載；k為抗漂浮穩(wěn)定系數(shù)，可取1.15；OD為油氣管道外直徑(含防腐層)，取1.219m；ID為油氣管道內(nèi)徑，取1.182m；ρ_w為水密度，取1000kg/m³；ρ_g為輸送介質(zhì)密度，取70kg/m³；G_p為管道延米重量5370N/m。

計算得到q＝1.15(11443.2-753.1-5370)＝6118N/m。

步驟2，根據(jù)管道材料特性、輸送介質(zhì)特性及管道運(yùn)營環(huán)境條件確定管道跨距L；

本步驟為管道跨度的基本計算步驟，可采用相關(guān)規(guī)定及方法計算，本實(shí)施例中選取L為30m。

步驟3，根據(jù)步驟1確定的管道延米漂浮設(shè)計荷載q及步驟2確定的管道跨距L，確定抗漂浮錨固件的抗漂浮設(shè)計荷載Q：

Q＝qL＝6118×30＝183540N

其中抗漂浮錨固件包括鋪底混凝土配重層，管道通過管卡固定在鋪底混凝土配重層上，所述管卡沿管道的兩側(cè)分別設(shè)有與GFRP錨固螺桿相對應(yīng)的螺栓孔，所述管卡的材料同為GFRP。

步驟4，根據(jù)步驟3中的抗漂浮錨固件的抗漂浮設(shè)計荷載Q和鋪底混凝土配重層高度h，確定鋪底混凝土配重層長度L₁，具體包括以下步驟：

步驟4.1，確定鋪底混凝土配重層的延米配重G_h：

式中，R_t為盾構(gòu)隧道內(nèi)直徑(m)，h為鋪底混凝土配重層高度(m)，L₁為鋪底混凝土配重層長度(m)，ρ_h為鋪底混凝土配重層密度(kg/m³)，ρ_w為水密度(kg/m³)；

步驟4.2，確定鋪底混凝土配重層長度L₁：

步驟5，對鋪底混凝土配重層進(jìn)行配筋計算與設(shè)計，具體包括以下步驟：

步驟5.1，確定GFRP錨固螺桿的抗拉設(shè)計強(qiáng)度f_u：

式中，f_k為GFRP錨固螺桿的抗拉設(shè)計強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取550MPa；γ_s為GFRP材料的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值保證率，取0.95；γ₁為GFRP材料的分項(xiàng)系數(shù)，取1.4；γ_e為GFRP材料的環(huán)境影響系數(shù)，取1.6；

步驟5.2，確定鋪底混凝土配重層頂部GFRP受拉鋼筋面積A_s：

式中，A_s為鋪底混凝土配重層頂部GFRP受拉鋼筋的最小面積(m²)，G_h為鋪底混凝土配重層的延米配重(N/m)，L₁為鋪底混凝土配重層長度(m)，h為鋪底混凝土配重層高度(m)，a_s為鋪底混凝土配重層頂部GFRP受拉鋼筋保護(hù)層厚度(m)，一般為30-50mm。

步驟6，確定GFRP錨固螺桿的數(shù)量n，具體包括以下步驟：

步驟6.1，所述GFRP錨固螺桿沿管道的兩側(cè)布置，且每側(cè)GFRP錨固螺桿的個數(shù)為奇數(shù)，假定每側(cè)設(shè)3個GFRP錨固螺桿，兩側(cè)共布設(shè)6個GFRP錨固螺栓，根據(jù)GFRP錨固螺桿的數(shù)量n，確定單個GFRP錨固螺桿拉力N和GFRP錨固螺桿公稱外徑d：

參考《玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋基坑工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》DGJ32/TJ162-2014的有關(guān)規(guī)定，錨桿桿體為全螺紋式，桿體肋高1.4±0.2mm，螺距10±0.3mm；GFRP錨固螺桿桿體外徑應(yīng)為15.83+(1.4±0.2)x2＝18.63±0.4，故可選d＝20mm的GFRP錨固螺桿。

步驟6.2，根據(jù)GFRP錨固螺桿公稱外徑d計算確定GFRP錨固螺桿在鋪底混凝土配重層內(nèi)的錨固長度L_a，驗(yàn)證L_a是否同時滿足下式：

L_a≥20d＝0.02×20＝0.4＝400mm，

鋪底混凝土配重層內(nèi)的最小錨固長度應(yīng)取477.7mm。

步驟6.3，本實(shí)施例中最短側(cè)錨固凈空間235mm，扣除端頭高度，暫按錨固長度L_a為0.2m計算，因此如自身錨固長度因空間受限無法滿足計算的錨固長度477mm的要求，則在所述GFRP錨固螺桿底部加設(shè)墩頭或雙螺母，墩頭外徑一般為1.7d。

GFRP墩頭錨固螺桿的最小錨固力N_L、GFRP墩頭錨固螺桿的數(shù)量n、GFRP墩頭錨固螺桿的墩頭高度h_L分別為：

故取n＝10，單側(cè)5個GFRP墩頭錨固螺桿。

式中，L_a為GFRP錨固螺桿在鋪底混凝土配重層內(nèi)的最小錨固長度(m)，f_u為GFRP錨固螺桿的抗拉設(shè)計強(qiáng)度，k₁為GFRP錨固螺桿設(shè)計安全系數(shù)可取1.5，k₂為GFRP錨固螺桿設(shè)計抗拔安全系數(shù)，可取1.4，f_t為鋪底混凝土配重層的軸心抗拉設(shè)計強(qiáng)度，D為GFRP墩頭錨固螺桿的墩頭外徑，一般為1.7d，h_L為GFRP墩頭錨固螺桿的墩頭高度，f_v為GFRP錨固螺桿的抗剪設(shè)計強(qiáng)度。

步驟7，根據(jù)步驟6確定的單側(cè)GFRP錨固螺桿數(shù)量n/2，結(jié)合GFRP錨固螺桿施工空間要求(GFRP錨固螺桿中心間距d₂不小于2.5d，GFRP錨固螺桿中心距管卡的邊緣d₁不小于1.5d)，確定管卡的長度B；根據(jù)抗漂浮錨固件的抗漂浮設(shè)計荷載Q和GFRP錨固螺桿的抗拉設(shè)計強(qiáng)度f_u計算確定管卡厚度b；根據(jù)單個GFRP錨固螺桿拉力N和GFRP錨固螺桿的抗剪設(shè)計強(qiáng)度f_v計算確定管卡底板厚度a：

根據(jù)GFRP錨固螺桿布置要求，管卡最小長度為：

B＝4x2.5d+2x1.5d＝13d＝13x0.02＝0.26m；

f_u為GFRP錨固螺桿的抗拉設(shè)計強(qiáng)度，f_v為GFRP錨固螺桿的抗剪設(shè)計強(qiáng)度。

設(shè)計時可根據(jù)材料加工要求對計算所得的a、b值進(jìn)行放大調(diào)整。

步驟8，完成水域盾構(gòu)隧道穿越管道的GFRP抗漂浮設(shè)計。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。