预制拼装钢-混凝土组合结构管道及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明公开了一种钢管及其制作方法，尤其涉及一种预制拼装钢一混凝土组合结构管道及其制作方法。
【背景技术】
[0002]现有的管道一般分为钢管、混凝土管、有机非金属管道、波纹钢管。当以上管道直径超过2.5米时，属于运输超限。钢管的直径一般最大也只能达到3米。国家标准的最大径口是2.4米，并且管壁很厚，要达到18mm?25mm厚度，造价高。混凝土管道的重量很大，是钢管的10倍左右，因此管底要打标准或基础要专项处理，并且每节长度只有2米左右，安装成管道后，接头太多，容易泄露。另外，混凝土管道是刚性的，所以容易开裂。有机非金属材质的管道，如塑料管道材料本身弹性模量的限制，管道口径不能太大，一般小于1.5米。特别是温度太敏感，低温则脆，温度稍高则软，不耐火。近年来有一种管壁是波纹状的大口径拼装式钢管。应用在公路涵洞和市政排水方面，反响不错，此钢管同时暴露出一些缺陷:(1)、管体内部有波纹，流阻大。所以设计时不得不加大一级管径；(2)、由于有波纹的存在，容易积淤，导致后期的清淤困难；(3)、内壁布满轴向和周向螺栓孔，渗漏是工程难题；(4)、螺栓及板片很容易被盗；(5)、周向接缝螺栓受剪力，是应力集中区域，是不安全因素；(6)、管体要热镀锌防腐，成本高且污染环境；(7)、管体内部波纹的迎水面易被冲刷、磨损及防腐层会脱落；(8)、管身柔性太大，易周向及轴向变形；(9)、周向及轴向接缝太多，密封性及管身整体强度降低；(10)、安装要求太高，很难达到设计要求；(11)、制作精度难把控。
[0003]因此，亟待解决上述技术难题。
【发明内容】
[0004]发明目的:本发明的第一目的是提供一种高强度、较好适应设备动载荷、易于拼装和运输的预制拼装钢一混凝土组合结构管道。
[0005]本发明的第二目的是提供该钢管的制作方法。
[0006]技术方案:本发明所述的管道，包括由带有弧度的单元板片沿周向拼装形成的管体；相邻单元板片通过侧边法兰连接，每个单元板片首尾两端均有与单元板片截面形状相吻合的端面法兰；同时，所述单元板片表面向外延伸形成弧度与单元板片一致的凸筋，该凸筋沿侧边法兰方向间隔设置，该单元板片与凸筋形成凹槽，并设有用于封堵该凹槽槽口的封堵钢带，凹槽和封堵钢带形成空心腔体，并且在该空心腔体内填充混凝土。
[0007]由于钢管内部常年暴露在外、易受恶劣环境的腐蚀，同时钢管常常被水流冲刷，所以在单元板片的内表面设有防止水流冲刷和腐蚀的金属内衬，优选的金属内衬设于管体内壁位于水位线以下的单元板片上。
[0008]本发明中的凸筋的截面为Ω形、凹槽型、波浪形、抛物线形或梯形；封堵钢带的截面为一字型、凹槽型或口字型。
[0009]本发明的管体可由表面带凸筋的主钢带环向卷绕形成管体，凸筋为环状结构并列绕设于管体的外表面；单元板片由管体裁剪形成任意片数，例如3片或4片不等。
[0010]本发明的管体还可由表面带凸筋的主钢带螺旋卷绕形成螺旋状的管体，凸筋以螺旋方式绕设于管体的外表面；单元板片由螺旋状管体裁剪形成任意片数，例如3片或4片不等。
[0011]本发明预制拼装钢-混凝土组合结构管道的制作方法，包括如下步骤:
[0012]A、预备主钢带和封堵钢带；
[0013]B、所述主钢带具有第一对边和第二对边，将主钢带弯折成带凸筋的钢带，该凸筋沿主钢带的第二对边间隔设置，并与主钢带形成凹槽；
[0014]C、封堵钢带贴合于主钢带下表面凹槽的槽口处，使凹槽和封堵钢带之间形成空心腔体，并形成复合型钢带；
[0015]D、将复合型钢带环向卷绕形成外壁带凸筋的管体，凸筋为环状结构并列绕设于管体的外表面，或将复合型钢带螺旋卷绕形成外壁带凸筋的螺旋状管体，凸筋以螺旋方式绕设于管体的外表面；
[0016]E、将管体切割成所需长度，并在其两端设置端面法兰；
[0017]F、纵向切割管体得到单元板片；
[0018]G、在单元板片的空心腔体内填充混凝土 ；
[0019]H、待混凝土凝固后，在单元板片两侧设置侧边法兰，得到无金属内衬的单元板片；
[0020]1、将单元板片沿周向拼装得到预制拼装钢-混凝土组合结构管道。
[0021]其中在步骤A中，还预备用于制作金属内衬的不锈钢板；步骤C中，在贴合了封堵钢带的主钢带下表面再贴合不锈钢板，形成复合型钢带；步骤D中将该复合型钢带卷绕形成内壁带金属内衬、外壁带凸筋的管体；按照步骤A-Η制作得到带金属内衬的单元板片；将带金属内衬的单元板片和无金属内衬的单元板片拼装得到水位线以下管体内壁上设有金属内衬的预制拼装钢-混凝土组合结构管道。
[0022]本发明预制拼装钢-混凝土组合结构管道的另一种制作方法包括如下步骤:
[0023]A、预备主钢板和封堵钢带；
[0024]B、所述主钢带具有第一对边和第二对边，将主钢带弯折成带凸筋的钢带，该凸筋沿主钢带的第二对边间隔设置，并与主钢带形成凹槽；
[0025]C、将表面带凸筋的主钢带的第一对边折弯形成端面法兰；
[0026]D、封堵钢带贴合于主钢带下表面凹槽的槽口处，使凹槽和封堵钢带之间形成空心腔体，并形成复合型钢带；
[0027]E、将复合型钢带弯曲成外表面带凸筋、两侧带端面法兰的弧形单元板片；凸筋为弧状结构并列设于单元板片的外表面；
[0028]F、在单元板片的空心腔体内填充混凝土 ；
[0029]G、待混凝土凝固后，在单元板片的第二对边上设置侧边法兰，得到无金属内衬的单元板片；
[0030]H、将单元板片沿周向拼装得到预制拼装钢-混凝土组合结构管道。
[0031]其中在步骤A中，还预备用于制作金属内衬的不锈钢板；步骤D中，在贴合了封堵钢带的主钢带下表面再贴合不锈钢板，形成复合型钢带；步骤E中将该复合型钢带卷绕形成内表面带金属内衬、外表面带凸筋的弧形单元板片；按照步骤A-G制作得到带金属内衬的单元板片；将带金属内衬的单元板片和无金属内衬的单元板片拼装得到水位线以下管体内壁上设有金属内衬的预制拼装钢-混凝土组合结构管道。
[0032]发明原理:本发明巧妙的利用了石拱桥工作原理、管土共同受力原理和混凝土钢管工作原理。石拱桥工作原理是将块状的石材排列成圆弧状的拱，拱圈与周围的结构物或土石结合成稳定的承重结构。管土共同受力原理是管道在埋置后，管道上部的荷载不是靠管道的刚性来承受的，而是靠管道与土石相互之间受力，相互作用，就形成了管土共同受力作用，垂直向下的荷载就会转化为管体管壁子午向的内压力。而混凝土钢管工作原理是在空心的钢管内充填混凝土，利用混凝土的承压能力和钢管对混凝土的包围作用，使钢管的竖向承压能力增加的结构构件。首先，利用石拱桥原理，将数片标准拼装片组装成圆管形或半圆管形。在管体周向回填土石之后，土石与管体之间相互受力，并将分片组装的管体结构稳定，管土共同受力效应形成，此时，管体上部垂直向下的动荷载与静荷载就转化为管体管壁内部周向内压力，即标准拼装片接触面的压力。这就要求管体管壁有很强的抗周向内压的能力，那么管壁的纵向截面就必须有较大的惯性矩，凸筋的存在成几何倍数的加大了这个惯性矩。而在空心腔体内浇满混凝土后，混凝土与包围它的钢板形成了截面为半圆形的圆环状钢管，即混凝土钢管。根据混凝土钢管理论，混凝土钢管式组合结构，注满混凝土的钢管中，混凝土代替管壁承受轴向压力，使该组合结构承受轴向压力的能力成倍数提高。这个组合结构是对凸筋承压能力的再次加强和提高，确保管壁在承压时不会壁面失稳和弯曲变形。同时，还可以将管壁的钢板减薄使用，节省材料。在这三个原理的支持下预制拼装钢一混凝土组合结构管道就具备了优良的性能。本发明在结构上与以往的结构具有很大程度的改善，以往的结构是将窄钢带制作成将加强环后焊接在主钢管上，此时加强环为主要受力结构，但是加强环与管体之间存在焊缝，如果动载荷过大时所带来的振动也就过大，振动过大时焊缝容易产生开裂，因此，这样的钢管主要用于承受静载荷以及很小的动载荷。本发明将以往另设的加强环结构制作为与管道一体成型的凸起结构，此类结构可以很好的承受外界较大振动所带来的动载荷。
[0033]有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下显著优点:该管道采用单元板片拼装而得，单元板片可叠层运输，运输方便的同时节省了运费，运输至施工场地后即可组装，大大缩短施工周期，同时降低造价，竞争优势明显；该管道与管道上的凸筋采用一体成型的方式，没有接缝，减少应力集中点，提高强度，可以解决因地基变形导致的管道破坏；该管道内部无螺栓孔及螺栓，内部平滑