地面式钢衬钢筋混凝土管道温度作用机理与取消伸缩节研究

杨经会

冯建武

刘曜

伍鹤皋

胡蕾

谢颖涵

1 引言

水电站钢衬钢筋混凝土管道有坝下游面钢衬钢筋混凝土管（简称坝后背管）和地面式钢衬钢筋混凝土管两种布置型式，其中地面式钢衬钢筋混凝土管一般布置在山坡的岩基之上。上述两种管道的工作原理和结构分析方法基本相同，均由钢管与外包钢筋混凝土联合承载，允许外包混凝土开裂，从而充分利用钢管和钢筋较高的抗拉强度。国内外许多水电站的压力管道利用这种特性，来达到减少或避免使用厚钢板、提高管道的整体安全度和降低造价的目的。

坝后背管已经广泛应用于国内外多座水电站引水钢管中，如国内的东江、五强溪、李家峡、三峡等水电站，以及苏联的契尔盖、克拉斯诺雅尔斯克、萨扬舒申斯克等水电站。地面式压力管道一般应用在输水建筑物中，如引水式电站的压力管道、用于长距离调水的管道等。在压力管道HD值较高时，传统的明钢管结构必须克服厚钢板在选材、卷板和焊接等方面的技术难题，为保证钢管安全还必须采用特殊的防爆、边坡处理措施，难度大且稳定性差。地面式钢衬钢筋混凝土管可以避免上述不利因素，提高管道的整体安全性，因此云南省依萨河水电站压力管道末端长281.31m的特高压管段（设计内压1000m以上）采用了钢衬钢筋混凝土地面管。另外，我国在公伯峡、积石峡等岸边式水电站引水管道（直径分别为8m和11.5m）中，也采用了地面式钢衬钢筋混凝土管道布置形式，解决了大直径地面明钢管在钢材选择、支墩设计方面的技术困难。随着坝后背管设计和施工技术的不断进步，地面式钢衬钢筋混凝土管在基本结构设计包括钢管厚度、钢筋配置、混凝土厚度及裂缝宽度控制等方面也可以参考坝后背管的经验和方法，但仍存在一些特殊的问题。

温度作用对水电站压力钢管的影响一直是学术界和工程界关心的问题，在压力钢管沿线一般需采取一定的措施适应温度产生的变形。对于地面式管道，为减小温度和地基不均匀沉降的影响，明钢管一般在两镇墩之间的管段采用伸缩节将管道断开，然后沿线布置滑动式支墩，通过支承环承受管身和水重的法向分量。当明钢管纵坡较陡时，为了安装方便，伸缩节一般置于管段上镇墩下游侧，此时伸缩节可以适应钢管轴向的滑动和小幅的转动。对于地面式钢衬钢筋混凝土管，其结构受力机理和地面明钢管有所差别，在温度荷载作用下是否需要设伸缩节，管道如何适应温度变化，目前均缺乏相应的研究成果和技术资料。因此本文以地面式钢衬钢筋混凝土管为研究对象，采用数值模拟的方法探讨不同条件下温度作用对地面式钢衬钢筋混凝土管的影响和取消伸缩节的可行性。

2 基本资料

某水电站工程主要由首部枢纽和引水发电系统组成，引水隧洞后接压力钢管，压力钢管上游700m左右为地下埋管，后接明管段。经技术和工程量比较后，该明管段拟选用地面式钢衬钢筋混凝土管道布置形式。由于该钢管末端 HD值高达1700m²左右，计算时，选取明管段最后两镇墩之间的一段压力钢管作为研究对象，有限元模型见图1。计算模型由引水钢管、外包混凝土、镇墩和地基组成，管道断面网格见图2。压力钢管直径2m，外包混凝土厚0.5m，钢管厚34mm（包含锈蚀厚度），配置钢筋两层Φ32＠167，内水压力最大达8.6MPa。计算时考虑的荷载主要有结构自重、内水压力（静水压力+水击压力）、温度作用（±20℃），另外考虑以下假定和条件。

（1）由于镇墩对钢管相当于固定约束，两个镇墩间的管道在结构受力方面可以视为与上、下游管道独立，因此计算时仅以两个镇墩之间的管道为对象进行分析。

（2）钢管外包混凝土应用塑性损伤模型描述混凝土材料的软化和刚度退化特征，追踪管道可能的裂缝分布形态和发展过程。

（3）不考虑钢管与外包混凝土之间的初始缝隙，视为对外包钢筋混凝土受力最不利情况。

（4）假定结构承受的温度作用是均匀的，即管道沿线的温度作用大小是相同的。

3 温度作用影响效果

3.1 温度作用对混凝土受力的影响

由于钢衬钢筋混凝土管允许混凝土开裂，从而使内水压力全部由钢管和钢筋承担，所以外包混凝土中一般均会出现径向裂缝，以坝后背管为研究对象的成果也证明了这一点。因此，为排除内水压力的影响，首先仅考虑温度作用讨论了温度作用对混凝土受力的影响，相当于管道的放空状态。

计算结果表明，在温降作用下，管道混凝土收缩，由于受到两端镇墩和地基的约束作用，所以在管轴线方向会产生拉应力。当轴向拉应力超过混凝土的抗拉强度标准值后，混凝土将产生环向裂缝，反映在数值计算模型上混凝土单元出现环向损伤，损伤值的范围和大小可用以表示裂缝的开展和大小。图3为不同温降作用下管道混凝土损伤值，温降作用下靠近镇墩的底部混凝土首先出现损伤，温降作用从-5℃增大到-20℃过程中，损伤在轴线方向的范围由两端部逐渐向管道中间扩展，直至扩展至全线损伤。当温降作用增大到-20℃时，管道混凝土沿线几乎全部损伤，损伤值由端部向中间逐渐减小。说明温降作用首先会使镇墩附近出现环缝，随着温降作用的增大，环缝的范围沿管轴线向管道中部扩大。

在温升作用下，管道混凝土膨胀，同时受到两端镇墩和地基的约束作用，管轴线方向产生压应力。但由于混凝土抗压强度较大，所以一般不会出现受压破碎的情况。管道混凝土沿线全部受压，其中端部混凝土受压较严重，压应力较大，主要由于端部受镇墩的约束作用较强。随着温升作用的增大，混凝土压应力数值也随之增大，两者之间基本呈线性变化规律。

3.2 温度作用对钢管和钢筋受力的影响

在讨论温度作用对钢管和钢筋受力的影响时，以正常运行（自重+内水压力）为基础，分别叠加温升（+20℃）和温降（-20℃）作用。不同温度作用下各特征断面顶部钢管和钢筋应力见表2。

从表2中可以看出，钢管环向应力受温度的影响较小，温升作用下，钢管与外包混凝土一起向外膨胀，钢管的膨胀量略大于混凝土，因此会受到混凝土的约束作用，使环向拉应力略有减小。相反，温降作用下，钢管与外包混凝土一起收缩，钢管的收缩量略大于混凝土，混凝土的约束作用使钢管环向拉应力略有增大。但总体来看，温度作用对钢管环向应力的影响相比内水压力造成的环向应力来说只有不到5%，并不起控制作用。

但是，钢管和钢筋轴向应力受温度的影响明显，呈现为温升作用使钢衬轴向拉应力减小，对于钢筋则出现轴向压应力，温降作用使钢衬和钢筋轴向拉应力增大的规律，原因与上述环向应力的变化机理相似。尤其是对于轴向钢筋，正常运行时轴向钢筋应力非常小，应力几乎全部由温度作用产生。

3.3 温度作用对建基面受力的影响

各特征断面底部建基面应力平均值见表3，其中法向应力正值表示拉应力，负值表示压应力；剪切应力正值表示沿管轴线指向下游，即管道受到沿管轴线指向下游的剪切力，负值则方向相反。

正常运行时，受自重和水重的作用，管道结构底部建基面的法向应力均为压应力。在内水压力作用下管道径向向外变形，使得底部的混凝土向上挤压弯曲变形，因此管道建基面局部会出现拉应力。温降作用使混凝土收缩从而减弱上述局部变形的影响，温升作用使混凝土继续膨胀增强了局部变形的影响。因此温降作用使建基面的法向压应力增大，温升作用则使建基面出现很小的拉应力。总体来看，管道底部建基面受自重和水重的压力作用，温升作用对建基面的受力是不利的，容易出现拉应力，建议适当布置插筋。

管道受自重和水重的作用向下滑动，因此受到地基沿轴向向上的剪切力的作用，且从上游至下游逐渐减小。温降作用下管道在两端受到镇墩的轴向拉力，上游和下游的管道底部建基面剪切应力方向相反，靠近上游的管道受到的剪切力方向指向下游，而靠近下游的管道受到的剪切力方向指向上游；类似的是，温升作用下管道在两端受到镇墩的轴向压力作用，靠近上游的管道受到的剪切力方向指向上游，靠近下游的管道受到的剪切力方向指向下游，数值上比正常运行工况均有所增大。

4 设置伸缩节时温度作用影响效果的讨论

4.1 温度作用对管道受力的影响

温度作用对地面式钢衬钢筋混凝土管道的受力影响明显，尤其是在轴线方向上，钢管、钢筋以及外包混凝土的应力均会受到影响，原因都和温度作用变形受到外部约束有关。一般情况下，地面式明钢管为适应温度应力会设置伸缩节，对于钢衬钢筋混凝土管，由于结构传力机理的变化，是否需要设置伸缩节首先应从结构受力变形的角度分析。因此本文假定在钢衬钢筋混凝土管道中间位置设置一伸缩节，伸缩节范围内外包混凝土也取消，成为明管状态，在此基础上讨论钢管、混凝土和钢筋的受力变形情况。

在温降作用下，混凝土损伤值的发展规律与不设伸缩节时类似。在上下游端部出现损伤，随着温降作用的增大，损伤范围由端部向管道中间扩展。由于管道中间设置的伸缩节属于柔性约束，伸缩节附近的混凝土在温度作用下变形时受到的约束较弱，因此在相同的温降作用下，与不设伸缩节时相比，靠近伸缩节附近的管道混凝土并没有出现损伤，或损伤值较小。与上下游镇墩连接的端部混凝土的损伤值并未减小，与不设伸缩节时非常接近。由于钢衬钢筋混凝土管沿线每个微管段单元都可看成两端受到固定约束的作用，伸缩节只能放松中间管段的强约束作用，而对于远离伸缩节的管段并不起作用。伸缩节的设置只能避免或减小其附近管道混凝土的环缝，作用效果有限，对温度作用下管道混凝土环缝的出现和开展并不起控制作用。

表4为管道中间设置伸缩节后在不同温升作用下各特征断面顶部混凝土轴向压应力，管道混凝土沿线除伸缩节附近外全部受压，管道中间约束的放松并没有对端部的混凝土受力造成影响，端部混凝土的压应力和不设伸缩节时基本完全相同。伸缩节附近混凝土应力值很小，说明伸缩节只能减弱伸缩节附近管段温升膨胀时受到的约束，从而不产生或只产生较小的压应力，但对于远离伸缩节的管段，压应力仍然存在并且和不设伸缩节时基本相同。

在讨论温度作用对钢管和钢筋受力的影响时，是以正常运行（自重+内水压力）为基础，分别叠加温升（+20℃）和温降（-20℃）作用。不同温度作用下各特征断面顶部钢管和钢筋应力见表5。从表5中可以看出，除伸缩节附近的断面外，无论是温升还是温降作用下，各个断面钢管和钢筋的应力数值都和不设伸缩节时非常接近。对于伸缩节附近断面（3号上游侧、3号下游侧断面），顶部轴向钢筋的压应力略有增大，原因在于内水压力作用下管道四周向外膨胀，在泊松效应作用下，在伸缩节上游侧管道顶部向上游变形，而在伸缩节下游侧管道顶部向下游变形，导致管道顶部钢筋受压，但受温度的影响程度仍然较小。总体来看，地面式钢衬钢筋混凝土管道中设置伸缩节并不能减小钢管和钢筋的温度应力。

综合混凝土受力的情况，对于钢衬钢筋混凝土管道而言，钢管的受力和约束机理不同于明钢管，外包钢筋混凝土相对钢管等同于全程固定强约束，因此仅在局部设置伸缩节并不能适应温度产生的变形。

4.2 温度作用对建基面受力的影响

设置伸缩节后，管道结构建基面应力平均值见表6。正常运行时，在伸缩节两端（3号上游侧、3号下游侧断面）建基面出现拉应力，并在温降作用时加剧，温升作用时拉应力变为压应力。其他部位建基面均为压应力，并在温降作用时增大，温升作用时出现拉应力，规律与不设伸缩节时类似，说明设置伸缩节并不能从根本上消除温升作用的不利影响，反而容易在正常运行时伸缩节室附近建基面出现较大的拉应力，并在温降作用时加剧。

正常运行时，在伸缩节室的上游端部（3号上游侧断面），由于泊松效应上半段管道向上游收缩变形，管道底部受到的剪切应力方向指向下游；除此断面之外，管道底部的剪切应力方向均指向上游。温降作用时，由于上半段管道向上游进一步收缩变形，伸缩节室上游的管段受到的剪切应力方向指向下游，与此相反，伸缩节室下游的管段受到的剪切应力方向指向上游，故为负值。温升作用时则方向相反，该规律也与不设伸缩节时相同，但应力数值更大。

5 结语

地面式钢衬钢筋混凝土管受温度作用的影响主要体现在管道的轴线方向，无论是钢管、钢筋还是外包混凝土的受力都会造成较大的影响。外包混凝土在温降作用下可能首先在镇墩附近出现环缝，随温降荷载的增大逐渐向管道中间扩展；管道建基面容易在温升作用时出现受拉的不利情况，因此在设计配筋时必须考虑温度的作用，适当加强轴向钢筋的配置，避免环缝过大，同时适当布置一些插筋，避免建基面处结构与基础脱离。

针对地面式钢衬钢筋混凝土管，设置伸缩节后，从结构受力和变形的角度出发，只能使局部管段的温度影响减小，作用范围非常有限，并不能从根本上适应温度产生的变形；从管道及镇墩建基面受力的角度出发，设置伸缩节并不能明显改善建基面的受力状态，反而容易在伸缩节室附近的建基面出现较大的拉应力和剪应力，因此对于地基不均匀沉降较小的钢衬钢筋混凝土管道，建议取消伸缩节。

参考文献

［1］伍鹤皋，张伟，苏凯.坝后背管外包混凝土厚度研究［J］.水利学报，2006，37（9）：1085-1091.

［2］李扬，侯建国.钢衬钢筋混凝土管外包混凝土裂缝宽度计算公式安全度水平研究［J］.武汉理工大学学报，2012，34（7）：88-92.

［3］DL/T 5141—2001水电站压力钢管设计规范［S］.北京：中国电力出版社，2001.

［4］Jeeho Lee，Gregory L Fenves.Plastic-damage model for cyclic loading of concrete structures［J］.Journal of Engineering Mechanics-ASCE，1998，124（8）：892-900.

［5］石长征，伍鹤皋，苏凯.有限单元法和弹性中心法在坝后背管结构设计中的应用比较［J］.水利学报，2010，41（7）：856-861.