钢筋混凝土管设计建议外文翻译资料

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钢筋混凝土管设计建议

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

摘要

目前，钢筋混凝土管道的设计方法有两种方法：间接设计法和直接设计法。 然而，对间接设计步骤的改变和直接设计方法的正确应用可能没有被设计师很好地理解。 这项研究的目的就是向设计师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。 间接设计方法的发展重点是层理因子的变化，这是一个常量，它将管道在三边承载试验中的强度与管道在安装条件下的强度联系起来。 介绍了标准装置和直接设计方法的发展，最后对两种方法的设计结果进行了比较。 提出了钢筋混凝土管设计的建议和合理应用层理因子系数。 直接设计方法被推广为钢筋混凝土管设计的一种优越方法。

DOI：10.1061/(ASCE)PS。 1949-1204.0000039

CE数据库主题标题：管道设计；埋管；混凝土管道；钢筋混凝土；涵洞；污水管道。

作者关键词：管道设计；埋管；混凝土管道；涵洞；刚性管道；污水管道；设计改进。

导言

埋地钢筋混凝土管设计目前存在两种设计方法：间接设计方法和直接设计方法。 直接设计方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，与传统的间接设计方法的经验性质形成了鲜明的对比。 然而，作者预计，设计师将继续使用间接设计方法，只要规格和支持材料 出版。 不幸的是，构成间接设计方法基础的一些概念今天 没有得到很好的理解或正确的使用。 其中一个概念是层理因素。

层理因素将管道在三边承载（TEB）试验中的强度与管道在安装条件下的强度联系起来，层理因素的选择强烈影响设计结果。 虽然是这样，但由于TEB加载条件与安装条件有很大的不同，并且真实的层理因子关系复杂，因此很难计算 出准确的层理因子。

间接设计方法是在1910-1930年间发展起来的。 工程实践技术和方法的变化

建筑已导致在制定层理因子方面的修改，以反映实际进展，同时在RCP装置中提供更多的经济和性能。 然而，对间接设计程序的修改并没有被设计工程师普遍采用。 间接设计实践的几个版本的规范和设计辅助已经存在，在没有统一的当前设计程序的情况下，顾问选择合适的设计方法已经成为一项困难的任务。直接设计方法的发展始于20世纪70年代，一直延续到现在。开发了准确的管道油相互作用模型，然后设计了一个计算机程序来进行RCP的分析和设计。

一个简明的新出版物是必要的设计师了解可用的方法及其局限性。 本文对相关文献进行了深入的回顾，并记录了层理因子的演变。 讨论了安装类型的含义以及层理因子的选择和使用。 因此，向职业工程师提供指导，以便更有效和标准化地使用一般和间接设计层理因子的设计方 法。 直接设计方法被推广为RCP设计的一种优越方法。

混凝土管设计方法综述

在过去的一个世纪里，RCP主要是用半经验技术设计的，多 年来表现出良好的性能。 在本节中，简要介绍了埋地混凝 土管的现有设计方法的发展，并按时间顺序进行了介绍。

从1910年开始，安森·马斯顿根据当时对土力学的认识， 提出了一种计算埋管上方土荷载的方法。 20世纪20年代末，爱荷华州立大学进行了一个研究项目，目的是确定路堤安装中埋置刚性管道在受土时的支撑强度

图1.标准安装术语[经混凝土管道技术手册(ACPA)许可 改编)]

压 力 ， 使 用 马 斯 顿 的 理 论 。 本 研 究 的 结 果 是 在 M.G.Spangler（1933）的一篇综合论文中给出的，其中给出 了层理因子的一般方程。 他的工作包括定义四种标准层理因子类型，类似于Marston先前定义的类型。 读者可参考文 献[美国混凝土管道协会（ACPA)1993，2000]，以了解历史床 上用品类型的详细信息。 马斯顿和斯潘格勒的作品构成了 目前用于RCP的间接设计方法的基础。

图2.标准路堤安装【经混凝土管道技术手册（ACPA）许可改编】

根据间接设计方法，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试验结果得到。 所需的强度是根据总负荷、层理因子和安全系数来定义的。 壁厚、混凝土强度和与所需强度相应的加固要求在 ASTMC76(ASTM2005）中给出。

图3.标准沟槽安装【经工程师许可修改混凝土管道技术手册（ACPA）】

间接设计方法在过去一直是一个普遍接受的程序；然而，在理解土壤性质方面的发展以及结构分析技术的进步导致了 混凝土管道设计的重大改进，而这些改进并没有反映在间接 设计方法中。 在20世纪70年代，ACPA建立了一个长期的研 究计划，目的是评估混凝土管土装置的性能，并改进设计实 践。 在本研究中，对混凝土管道的结构行为和土－结构相互 作用进行了研究。 由于这项研究计划，新的标准安装类型 和 黑 格 土 压 力 分 布 ( 图 。 建 议 1-4) ， 这 与 Marston 和 Spangler最初开发的不同。 连续地，四个新的标准装置， Heger土压力分布和直接设计程序被纳入1993年ASCE标准， 题为“标准安装中埋地预制混凝土管直接设计的ASCE标准实 践（SIDD)”ASCE，1998年）。 这些装置和黑格压力分布将 在后面的一节中详细讨论。

图4.黑格尔土压力分布[经混凝土管道技术手册（ACPA）许可改编]

根据直接设计方法，与间接设计方法一样，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。 混凝土管道所需的强度是由管壁中的弯矩、推力和剪力的影 响决定的。 采用基于强度和裂缝宽度限制的合理程序对墙 体厚度、混凝土强度和钢筋设计进行了评价在ACPA远程研究计划中开发。 目前，RCP的设计采用间接设计和直接设计两种方法，两 种方法都有与另一种方法相关的元素。 现代标准装置，其中为了消除历史装置的局限性而开发的，并将其纳入直接设计 方法，也用于性能可接受的间接设计方法。 垂直起拱因 子，如图所示。 在间接设计方法中，将黑格土压力分布所 产生的土压力也应用于土压力的计算。另一方面，基于TEB 试验的结果，建立了直接设计方法中用于预测RCP强度和裂 纹宽度极限的合理评价，这原本是为了间接设计。

层理因子的发展

RCP设计的间接设计方法始于研究 二十世纪初在爱荷华州大学表演。 的 f 泰布 m领域 由ACPA出版的混凝土管道技术手册载有这项工作的简明历史 (ACPA，1993年。 研究的两个目标是确定埋管上的载荷和 管道的支撑强度。 Anson Marston开发了一种计算埋管上方 下载的方法。 马斯顿建议管道的支撑强度应根据指定的铺 垫材料给出的荷载和支撑类型来确定。 因此，为了便于计 算管道的支撑强度，Marston在理论和实验工作的基础上开 发了四种安装条件。 这些安装类型被命名为“类”，并根 据层理的质量从D到A进行评级，如下所示，以提高质量 (ACPA，1993年。

bull; 丁类：硬平底假定。

bull; 丙类：底部支撑超过60°-90°的形状弧被假定与土壤放 置于普通小心，以给予相当于90°的底部支撑。

bull; 乙类：底部支撑超过至少90°的形状弧形，管道周围是完 全压实的土壤，至少超过弹簧线15°。

bull; 甲类：管道下部四周放置混凝土。 斯潘格勒通过重新研 究发展了层理因子的概念－ 上世纪30年代在爱荷华州大学进行的搜索。 他的工作结果 发 表 在 一 份 题 为 “ 刚 性 管 涵 的 支 撑 强 度 ” 的 报 告 中 (Spangler1933)。 斯潘格勒的结论是，层理因子是管道与层理接触宽度和接触质量的函数。 层理因素可以 表示为在TEB试验中引起管壁开裂的垂直荷载与引起管道开 裂的垂直荷载之比。 将在下一节中解释TEB测试。 斯潘格 勒指出，在实验过程中，第一次裂纹发生在管道的倒置处。

根据间接设计方法，管道所需的支撑强度是基于层理因 素、总荷载和安全系数，如Eq所示。 （1）。 支撑强度表 示为D负载，以独立于管径进行强度分类。 层理因子与所需 D负荷成反比

d_负荷 =

层理因子定义为在TEB试验中，在现场加载条件（W）下管道 的支撑强度与类似管道的支撑强度之比。 因为混凝土开裂 是管壁拉应力的函数，所以可以

表1.传统的层理因子

表1.传统的层理因子

注：资料来源：混凝土管道技术手册

显示Spangler1933；ACPA1991)，层理因子也可以表示为 TEB测试和场条件下的矩比。 基本的层理因子关系用方程表 示。

表1列出了一系列典型路堤条件和沟槽条件的传统层理因 素。 用于路堤条件（图2)，层理因素也取决于侧压力的 大小和该压力作用的管道垂直高度的部分。 路堤顺层因 素，B铁代表一系列适合于预期的大多数安装条件的因素是遇 到了。 侧压引起弯矩在管道墙，其作用与产生的弯矩相反 从垂直土壤压力。 侧土产生的力矩pres－因此，肯定有利于 支撑强度的提高管道，因为较大的层理因子对应于给定安装 所需的较小的D负载。 沟槽顺层因素，Bfe, 曾经基于 测试装置的实验结果，并表示各自层理类的保守值。 的 最早制定的沟槽条件的层理因素忽略了任何有益的侧压 力，然而，随后的公式认识到，假设一些是合理的本－在沟 槽条件下，从横向压力出发。

磨损试验

测试（图5）是在爱荷华州大学开发的，作为一种简单而廉 价 的 方 法 来 确 定 管 道 的 最 低 强 度 条 件 (Peckworth 和 Hendrickson，1964年）。 将TEB试验性能作为混凝土管的质 量控制标准是常用的做法。

在TEB载荷下，仰拱时刻的方程可以用施加的载荷和管道 半径来表示[Eq（3）](Spangler1933；ACPA1991)。 该结果用于将层理因 子表示为反演矩的比值ACPA1991，1996，2000)

（3）

图5.TEB试验和相关管道荷载（B.Skourup）

在TEB试验中，管壁中的加载条件比安装条件下预期的加 载要严重得多。 试验中施加在管道顶部和底部的垂直载荷 是集中载荷，而安装条件下的载荷将分布在管道的某些部分 上。 与拱形形状相似，点荷载比均匀分布的荷载在圆管中 引起更大的应力和挠度，而安装的管道很少经历集中荷载。 此外，请注意，随着管道直径的增加，壁厚与直径的比值减 小， TEB试验 成为管 道更严 重的加载 条件（Peckworth和 Hendrickson1964)。 对于直径较大的管道，剪切应力将在 TEB试验中控制管道强度，而剪切或弯曲极限状态可以控制 现场ACPA1993中的管道强度）。 通常，挠曲将控制较低的填 充高度，而剪切将控制较高的填充高度。 这是一个重要的 考虑因素，因为层理因素从根本上定义为TEB负荷与现场负 荷的比值，在管壁中造成同样的影响。 如果TEB试验中的控 制极限状态与现场的极限状态不对应，则层理因子关系是支 撑强度的错误指示。 此外，在剪切控制TEB试验和现场条件 的情况下，层理因子作为仰拱弯矩比得公式与TEB试验和安 装条件中管道的实际行为不一致。 因此，对于这种情况， 使用基于矩的层理因素是不合适的。

调整以解释横向压力

爱荷华州立大学开发得最早的沟槽层理因子是从试验装置中 经验得出的，没有使用侧填，因此没有注意到侧向土压力效 应。 考虑到施加在管道顶部上方与管道相邻的原位土上方 的管道两侧的主动侧压力，开发了路堤层理因子（ACPA， 1993)。 混凝土管道信息#12(ACPA1991）是一份ACPA出版 物，介绍了层理因子概念的改进，其中考虑了沟槽和路堤安 装的侧压力。 现代建筑设备可以提供高水平的回填压实， 导致被动侧土压力，这是在设计RCP时应该考虑的。 施加在 管道上的侧向压力会在管壁中产生弯矩，与垂直荷载产生的 弯矩相反，从而降低管壁内的总弯矩。 侧压力还在发生最 大弯矩的管道壁产生轴向推力分量，这通常是在管道倒置 处。 与拱相似，管壁轴向力的影响在设计上是显著的。 混 凝土拱结构的承载能力依赖于这种轴向压缩。 当载荷效应 产生轴向力和挠曲的组合时

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