专利名称：大截面预应力混凝土涵管及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有无粘结预应力筋的混凝土管道或箱涵及其该管道或箱涵的制作方法。
现有的管道或箱涵(方形或内圈呈方形或内圈底部为平面顶部为圆弧的管道)按照其使用的材料和制作工艺分为钢管、混凝土管和预应力管三种，而预应力管又分为自应力管和外加应力管。现有的管道作为大截面输水管使用或制作大型箱涵(例如地铁隧道)存在以下问题1、钢管由于使用钢管与使用混凝土管相比，价格十分昂贵，因此，一般仅用于风洞、离子对撞机、石油或燃气输送管道，基本上不在输水管和涵洞制作中使用。2、现浇注混凝土管由于混凝土现场浇注周期很长，像地铁隧道这样的大型涵洞往往是采用场外分瓣制作，现场拼装、封缝，再在现场浇注内衬。因此，其不但比整管安装方法的现场工作量大，费工费料，而且接缝处的严密性不能得到很好的保障。3、预应力管中的自应力管其是依靠在钢丝网和钢筋中自应力水泥的向外膨胀而产生预应力，由于自应力水泥的膨胀量很小，因此需用大量的钢材，制作工艺也十分烦琐，且必须逐根进行足尺管道试验，从而，很难在重大工程中应用。4、外加预应力管目前主要是按美国和我国的现行规范设计、内径在三米以下的钢管缠丝预应力混凝土管(如图5所示)，它是在用大型焊管机焊接的薄壁钢管21内外浇注混凝土22，再在混凝土外用大型绕丝机缠绕带有一定拉力的普通预应力钢丝23，使钢管和混凝土全部受到预加压应力的作用后，再浇注一外层混凝土保护层24。其主要存在的问题是①制作时设备庞大昂贵、一次性投资相当大。②一般强度的预应力筋等径布置，低应力缠丝，且使预应力筋内的钢管连同混凝土一起均匀受压，成倍地消耗了贵重的预应力筋。③由于内层钢筋混凝土受压产生收缩余变时，后浇注的外壁混凝土不能与其一起收缩，从而造成外壁混凝土与内层混凝土之间出现环形裂缝；在载荷作用下，两侧受拉区将出现轴向裂缝，这些裂缝渗水后，会腐蚀预应力筋，严重时会造成爆管。④管子的承口无法施加预应力，从而形成抗腐蚀的薄弱环节。
针对上述问题，本发明的目的是提供一种制造设备简单、工艺简便易行，成本较低，长期使用安全可靠的大截面预应力混凝土涵管及其制作方法。
为实现上述目的，本发明采取以下设计一种大截面预应力混凝土涵管，它包括由钢筋骨架和混凝土组成的涵管本体，其特征在于在所述钢筋骨架上纵向分段设置有无粘结预应力筋，所述预应力筋在所述涵管本体径向截面呈近似椭圆形，所述椭圆形的长轴位于所述涵管本体的中心水平轴线上，所述椭圆形的短轴位于所述涵管本体的中心垂直轴线上，每一所述预应力筋的端头，轮流封固在所述涵管本体的两对称近壁点。
所述涵管本体的两对称近壁点靠近所述涵管外壁的左右两侧。
所述涵管本体的两对称近壁点靠近所述涵管内壁的上下两侧。
所述涵管本体承口处的所述预应力筋的端头，封固在远离所述承口的所述涵管本体上。
所述预应力筋沿所述涵管本体的纵向分段平面设置。
所述预应力筋沿所述涵管本体的纵向分段呈左、右螺旋状往复设置。
一种大截面预应力混凝土涵管的制作方法，其特征在于它包括以下步骤①计算涵管在各种工况的应力数值，以确定在短期载荷下保持涵管完好、在长期载荷下保证混凝土只处于压应力作用下、无粘结预应力筋的设置位置、数量和张拉力；②在通常设置的钢筋骨架上，按确定的所述预应力筋的位置缠绕并绑扎所述预应力筋；③支设模板并浇注混凝土；④待混凝土达到设计强度后，环向张拉所述预应力筋两端至设计应力，并用锚具锚固；⑤用混凝土封端。
环向张拉所述预应力筋时，所述混凝土设计强度为标准强度的80-100％。
所述预应力筋的张拉应力不大于标准强度的82％。
所述预应力筋的张拉采用千斤顶。
本发明由于采取以上设计，其具有以下优点1、本发明通过对涵管在各种工况的应力数值进行计算，在涵管本体内设置近似椭圆形的预应力筋，使涵管在长期载荷作用下，整个涵管全部承受压应力，而在涵管承受短期较大载荷作用时，既使出现微小裂缝，也可以在载荷消除后重新闭合。因此有效地解决了混凝土涵管的裂缝问题。2、本发明由于采用一次浇注混凝土成功的制作方式，不会出现环形裂缝和轴向裂缝，有效地保证了涵管内的预应力筋和普通钢筋不受腐蚀，从而延长了整个管道和箱涵的使用寿命。3、本发明首次将房屋结构中的无粘结预应力筋应用在涵管的结构中，预应力筋的护套既减少了钢筋在张拉过程中的摩阻损失，又使涵管在浇注混凝土的过程中不必预留较大的穿筋孔，且增强了预应力筋的抗腐蚀能力，同时护套裹在预应力筋上，也便于安装固定。4、本发明由于可以在涵管本体承口处设置预应力筋，并将预应力筋的两端张拉固定在远离所述承口的涵管本体上，因此有效地解决了承口强度低于本体的问题。5、由于本发明近似椭圆形的预应力筋主要针对整个涵管本体的拉应力区设置预加压应力，因此，比全截面承受压应力的设计节约预应力筋一半以上。同时由于使用千斤顶张拉，无需大型焊接、缠丝设备，且制作方法简单，能充分发挥超强应力筋的强度，因此有效地降低了成本。6、由于本发明可以通过精确计算确定拉应力并合理地设置预应力筋，不必进行足尺管道试验，因此，为设计和施工提供了方便。本发明主要是用于在现场预制1.6米以上直径的大型涵管，目前已制造出内径4.8米1.6米的涵管，其可以广泛应用于大型输水管路，地铁涵洞等重要工程中。
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
图1是本发明结构示意2是本发明径向截面示意3是预应力筋设置简4是本发明另一实施例预应力筋设置简5是现有技术中钢管缠丝混凝土管示意6是缠丝预应力混凝土管各部位应力状况示意7是本发明各部位应力状况示意图如图1、图2、图3所示，本发明的涵管本体1包括按通常管道和箱涵的设置方式设置的钢筋骨架2和浇注的混凝土3。其特征是在钢筋骨架2上分段设置一圈、一圈的预应力筋4，该预应力筋4从涵管本体1的径向截面看呈近似椭圆形，椭圆形的长轴在水平方向，短轴在垂直方向。分段设置的预应力筋4的两端经张拉后的端头5，轮流封固在涵管本体1靠近外壁的左侧或右侧。涵管本体1的一端设置有承口6，另一端设置有插口7，在插口7上环设有一圈凹槽8，在凹槽8内设置有柔性密封圈9，以插入与其连接的另一涵管本体1的承口6内。
上述实施例中预应力筋4的缠绕方式也可以是连续缠绕的螺旋线形，一般是以左旋或右旋缠绕一段，再以右旋或左旋缠绕回来，其在涵管本体1的径向截面也呈近似圆弧形。另外还可以有的区段设置平面圆环形预应力筋4，有的区段设置螺旋线形预应力筋4。时，预应力筋4的设置也大致呈近似椭圆形。
如图4所示，涵管本体1也可以将其底部外壁设置成方形，而在涵管本体1的两端不设置承、插口6、7，这样可以利用水平方向的移动顶推安装。
本发明的制作方法如下1、首先通过对涵管在各种长、短期荷载所形成的应力进行组合分析，并考虑无粘结预应力筋4的实际摩擦阻力等损失，进行计算后确定预应力筋4的设置位置、数量和张拉力值。一般在圆形或近似方形的涵管本体1上部和下部，受拉区接近内壁，而涵管本体1左右两侧，受拉区则接近外壁。为了使整个涵管本体1在自重和外载荷作用下，均处于压应力状态，按计算确定的预应力筋4的设置位置均应布置在载荷造成的拉应力区内，因此，一般为一近似椭圆形。
2、在钢筋混凝土涵管本体1内用通常的方法设置由拉筋10、外层纵筋11、外层环筋12、内层环筋13、内层纵筋14等组成的钢筋骨架2，然后，按确定的位置，分段地将超高强度的无粘结预应力筋4绑扎在钢筋骨架2上。预应力筋4可以是分段设置的一个个近似椭圆形的环，也可以是分段连续缠绕的螺旋线，采用后一种方式时，通常是向左或向右旋缠绕一段后，再以相反的旋向缠绕回来。如果在涵管本体1上设置承、插口6、7，则在承口6上也设置预应力筋4。无粘结预应力筋4是在预应力筋的外面包复一圈聚丙烯或聚乙烯护套，在护套内涂有建筑用防腐油脂，以减少护套和钢丝之间的摩擦，保护钢丝在张拉过程中不受磨损，在使用中不受腐蚀。将分段设置的预应力筋4两端形成的端头5固定在涵管本体1的左侧或右侧，使端头5在涵管本体1上形成一左一右相互对称。对于涵管本体1承口6处的预应力筋4，由于承口6处管壁较薄，因此将预应力筋4的两端采用螺旋状左右旋转的方式，将其固定在承口内侧的涵管本体1上。
3、在安装好的涵管本体1的模板中，按常规方法浇注抗渗混凝土3成型，抗渗混凝土3具有较好的抗渗漏性能。
4、待混凝土3凝固达到标准强度的80％以上(如果场地条件许可，达到标准强度的100％)后，再将预应力筋4的两端分别套入一个作为锚具的中间张拉连接器，然后，用一手持式前卡千斤顶环向张拉预应力筋4的一端，预应力筋4的拉应力不超过标准强度的82％。
为了防止生锈，一般用塑料封装套套在锚具端部。
5、最后用防锈膨胀混凝土封端。
上述实施例中，混凝土涵管本体1是在垂直方向制作的，制成后再水平放置，经现场插接(如图1所示结构)或顶推连接(如图4所示结构)后固定的。
上述实施例中，端头5是在混凝土3管壁上留一个穴槽，当端头5固定后，再用混凝土封起来。在输水管道中使用时，一般是将端头5封端轮流设置在离外壁较近的左右两侧，可以使穴槽比较浅，这样可以使封端离水远一些，以防封端不严，腐蚀钢筋。如果是地铁隧道等箱涵，则可以将端头5的封端轮流设置在涵管本体1的上部和下部且靠近内壁处。因为地铁隧道内壁接触空气，而外壁需要防渗水，故把端头5设置在内壁，在涵管本体1的上部或下部，仍也考虑了穴槽浅些、操作方便些。借用一句天文学和宇航学“近地点”的描述，本发明的端头位置是设置在“近壁点”。
如图6、图7所示，可以从对现有技术中缠丝预应力混凝土管的应力状况与本发明的应力状况进行比较后，看到本发明的优越之处。
权利要求
1.一种大截面预应力混凝土涵管，它包括由钢筋骨架和混凝土组成的涵管本体，其特征在于在所述钢筋骨架上纵向分段设置有无粘结预应力筋，所述预应力筋在所述涵管本体径向截面呈近似椭圆形，所述椭圆形的长轴位于所述涵管本体的中心水平轴线上，所述椭圆形的短轴位于所述涵管本体的中心垂直轴线上，每一所述预应力筋的端头，轮流封固在所述涵管本体的两对称近壁点。
2.如权利要求1所述的大截面预应力混凝土涵管，其特征在于所述涵管本体的两对称近壁点靠近所述涵管外壁的左右两侧。
3.如权利要求1所述的大截面预应力混凝土涵管，其特征在于所述涵管本体的两对称近壁点靠近所述涵管内壁的上下两侧。
4.如权利要求1所述的大截面预应力混凝土涵管，其特征在于所述涵管本体承口处的所述预应力筋的端头，封固在所述承口内侧的所述涵管本体上。
5.如权利要求1或2或3或4所述的大截面预应力混凝土涵管，其特征在于所述预应力筋沿所述涵管本体的纵向分段平面设置。
6.如权利要求1或2或3或4所述的大截面预应力混凝土涵管，其特征在于所述预应力筋沿所述涵管本体的纵向分段呈左、右螺旋状往复设置。
7.一种大截面预应力混凝土涵管的制作方法，其特征在于它包括以下步骤①计算涵管在各种工况的应力数值，以确定在短期载荷下保持涵管完好、在长期载荷下保证混凝土只处于压应力作用下，无粘结预应力筋的设置位置、数量和张拉力；②在通常设置的钢筋骨架上，按确定的所述预应力筋的位置缠绕并绑扎所述预应力筋；③支设模板并浇注混凝土；④待混凝土达到设计强度后，环向张拉所述预应力筋两端至设计应力，并用锚具锚固；⑤用混凝土封端。
8.如权利要求7所述的大截面预应力混凝土涵管的制作方法，其特征在于环向张拉所述预应力筋时，所述混凝土设计强度为标准强度的80-100％。
9.如权利要求7或8所述的大截面预应力混凝土涵管的制作方法，其特征在于所述预应力筋的张拉应力不大于标准强度的82％。
10.如权利要求7或8所述的大截面预应力混凝土涵管的制作方法，其特征在于所述预应力筋的张拉采用千斤顶。
11.如权利要求9所述的大截面预应力混凝土涵管的制作方法，其特征在于所述预应力筋的张拉采用千斤顶。
全文摘要
本发明涉及一种大截面预应力混凝土涵管及其制作方法,本发明产品包括由钢筋骨架和混凝土组成的涵管本体,其特征在于:在所述钢筋骨架上纵向分段设置有无粘结预应力筋,所述预应力筋在所述涵管本体径向截面呈近似椭圆形,所述椭圆形的长轴位于所述涵管本体的中心水平轴线上,所述椭圆形的短轴位于所述涵管本体的中心垂直轴线上,每一所述预应力筋的端头,轮流封固在所述涵管本体的两对称近壁点。本发明制作方法简单,无需大型设备,可以有效地延长涵管的使用寿命,降低成本,它可以广泛应用于大型输水管路,地铁涵洞等重要工程中。
文档编号B28B23/08GK1271643SQ0010273
公开日2000年11月1日 申请日期2000年2月22日 优先权日2000年2月22日
发明者冯大斌, 王志乐, 陈中 申请人:冯大斌, 王志乐, 陈中