基于荷载平衡法的大直径双钢板混凝土组合管道

技术领域

本发明属于抽水蓄能电站压力管道技术领域，特别涉及一种基于荷载平衡法的大直径双钢板混凝土组合管道。

背景技术

压力管道作为抽水蓄能电站的重要组成部分，也是能量转化的核心通道，其安全运行的稳定性至关重要。

目前压力管道衬砌类型以钢板衬砌为主，钢板强度高，防渗性好，但随着大兆瓦级抽水蓄能电站的应用，运行过程中钢衬承受更大的内水压力，大大增加了钢板厚度和钢材强度，提高了建造成本和施工成本。当管道放空时，在外压作用下钢衬可能出现失稳现象，导致钢衬管道的推广与应用受到极大制约。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于荷载平衡法的大直径双钢板混凝土组合管道，以期降低管道的使用荷载效应，减少钢板厚度和降低钢材强度，节约材料用量，降低工程造价。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于荷载平衡法的大直径双钢板混凝土组合管道，由若干双钢板混凝土管段沿轴向组装而成，在部分或者全部的所述双钢板混凝土管段的外部设置有外压力施加结构，所述外压力施加结构向所述双钢板混凝土管段施加与管内水压力方向相反的外压力，用以抵消部分管内水压力。

在一个实施例中，所述外压力施加结构包括混凝土衬砌和多个预应力撑杆；所述混凝土衬砌填充在所述双钢板混凝土管段与岩体之间；各所述预应力撑杆一端连接所述双钢板混凝土管段的外壁，另一端锚固于所述混凝土衬砌内部。

在一个实施例中，所述预应力撑杆的长度方向与组合管道的径向一致，沿组合管道的环向方向和轴向方向，预应力撑杆均等间距布置。

在一个实施例中，所述双钢板混凝土管道的长度为2-4m，内径不小于8m，外径不小于10m。所述混凝土衬砌厚度不低于100mm。所述预应力撑杆的长度不大于混凝土衬砌厚度的一半。

在一个实施例中，所述双钢板混凝土管段包括：

外钢管或弧形外钢板；

内钢管或弧形内钢板；

填充于外钢管或弧形外钢板和内钢管或弧形内钢板之间的夹层混凝土，当采用弧形外钢板和弧形内钢板时，沿环向，将弧形外钢板和弧形内钢板拼接为管段。

在一个实施例中，所述夹层混凝土的浇筑方式为预制或者现浇，所述夹层混凝土为高强混凝土、再生混凝土、自密实混凝土、纤维增强混凝土(FRC)、活性粉末混凝土(RPC)或者超高性能混凝土(UHPC)，所述外钢管或弧形外钢板的内壁和/或所述内钢管或弧形内钢板的外壁设置有栓钉，所述栓钉呈正方形布置或者梅花形布置。

在一个实施例中，所述混凝土衬砌的浇筑方式为现浇，所述混凝土衬砌为普通混凝土、高强混凝土、再生混凝土或者自密实混凝土。

在一个实施例中，所述外压力施加结构为混凝土衬砌，所述混凝土衬砌为膨胀混凝土，填充在所述双钢板混凝土管段与岩体之间。

在一个实施例中，所述组合管道的内径不小于8m，外径不小于10m。所述膨胀混凝土的自应力不低于0.2MPa，且不低于双钢板混凝土管段的设计临界外压。

在一个实施例中，所述双钢板混凝土管段可以替换为纯钢管段或者空心钢管混凝土管段。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)施工便捷

基于荷载平衡法的大直径双钢板混凝土组合管道构造简单，施工方便，组合管道沿轴向分段组装，相邻各段焊接组成管道。内外钢板替代钢筋混凝土的受力钢筋，充当浇筑混凝土的模板，无需支模拆模，施工方便，缩短施工周期，提高施工效率。

2)性能提升

基于荷载平衡法的大直径双钢板混凝土组合管道采用双钢板混凝土组合结构，具有承载力高、刚度大、稳定性能好等优势，组合管道与岩体之间填充混凝土，实现组合管道与岩体的共同受力，栓钉防止内外钢板发生局部屈曲，同时提高内外钢板与夹层混凝土的协同工作能力。

3)造价低廉

基于荷载平衡法的大直径双钢板混凝土组合管道利用预应力撑杆预先给管道施加外压，从而抵消部分管道内部的水压力，降低管道的使用荷载效应，有效减少钢板厚度和降低钢材强度，节约材料用量，降低工程造价，具有良好的经济效益。

总体来说，基于荷载平衡法的大直径双钢板混凝土组合管道采用双钢板混凝土组合结构，具有承载力高、刚度大、稳定性能好等优势，组合管道与岩体之间填充混凝土，实现组合管道与岩体的共同受力，利用预应力撑杆预先给管道施加外压，从而抵消部分管道内部的水压力，降低管道的使用荷载效应，有效减少钢板厚度和降低钢材强度，节约材料用量，降低工程造价，具有良好的经济效益。

附图说明

图1是本发明一种基于荷载平衡法的大直径双钢板混凝土组合管道的整体示意图。

图2是本发明一种基于荷载平衡法的大直径双钢板混凝土组合管道的截面示意图。

图3是本发明第二种基于荷载平衡法的大直径双钢板混凝土组合管道的截面示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

如图1～图3所示，本发明提供了一种基于荷载平衡法的大直径双钢板混凝土组合管道，由若干双钢板混凝土管段1沿轴向组装而成，在部分或者全部的双钢板混凝土管段1的外部设置有外压力施加结构。

本发明通过该外压力施加结构，向双钢板混凝土管段1施加与管内水压力方向相反的外压力，从而抵消部分管内水压力，降低管道的使用荷载效应，并达到荷载平衡，有效减少钢板厚度和降低钢材强度，节约材料用量，降低工程造价，具有良好的经济效益。

在本发明中，具体地，外压力施加结构可在组合管道铺装之前预先向其施加外压力，该外压力的方向为管道径向方向。

本发明的一个实施例，参考图2，外压力施加结构包括混凝土衬砌3和多个预应力撑杆8。混凝土衬砌3填充在双钢板混凝土管段1与岩体2之间，在本发明中，其浇筑方式为现浇，材料可选择普通混凝土、高强混凝土、再生混凝土或者自密实混凝土，满足实际工程对于混凝土性能的不同需求。各预应力撑杆8一端连接在双钢板混凝土管段1的外壁，另一端则锚固于混凝土衬砌3内部。

本实施例中，一方面通过在组合管道与岩体2之间填充混凝土，实现组合管道与岩体2的共同受力，另一方面通过预应力撑杆8向组合管道施加外压力，以抵消部分管内水压力，降低管道的使用荷载效应，有效减少钢板厚度和降低钢材强度，节约材料用量。

本发明的一个实施例，预应力撑杆8的长度方向与组合管道的径向一致，沿组合管道的环向方向和轴向方向，预应力撑杆8均等间距布置。例如，图中所示实例，在单个圆周上分布了8个预应力撑杆8。

本实施例中，通过预应力撑杆8的这种设置方式，能使得受力更加均匀。

本发明的一个实施例，双钢板混凝土管道1的长度为2-4m，内径不小于8m，外径不小于10m。混凝土衬砌3厚度不低于100mm。所述预应力撑杆(8)的长度不大于混凝土衬砌3厚度的一半。

本发明的一个实施例，双钢板混凝土管段1包括外钢管或弧形外钢板4、内钢管或弧形内钢板5以及夹层混凝土7，夹层混凝土7填充于外钢管或弧形外钢板4和内钢管或弧形内钢板5之间。其中，当采用弧形外钢板和弧形内钢板时，沿环向将弧形外钢板和弧形内钢板拼接为管段。

本实施例中，采用了双钢板混凝土组合结构，具有承载力高、刚度大、稳定性能好等优势，外钢板替代钢筋混凝土中的受力钢筋，还可以作为浇筑混凝土的模板，无需支模、拆模，构造简单，施工方便；内外钢板和夹层混凝土互为约束，混凝土可有效防止钢板失稳，钢板避免混凝土发生脆性破坏。同时，本发明组合管道外部设置有外压力施加结构，压力施加结构给组合管道预先施加与其内水压力方向相反的外压力，用以抵消部分组合管道的内水压力，从而实现降低管道使用荷载效应的目的。

本发明的一个实施例，夹层混凝土7的浇筑方式为预制或者现浇，夹层混凝土7为高强混凝土、再生混凝土、自密实混凝土、纤维增强混凝土FRC、活性粉末混凝土RPC或者超高性能混凝土UHPC，外钢管或弧形外钢板4的内壁和/或内钢管或弧形内钢板5的外壁设置有栓钉6，栓钉6呈正方形布置或者梅花形布置。

本实施例中，依据实际工程管道单元自重以及实际工程的地理环境、道路条件、运载吊装条件综合考虑，选择浇筑方式为预制或现浇，提高运输效率。其中，自密实混凝土流动性高，活性粉末混凝土RPC韧性好，超高性能混凝土UHPC耐久性好，等等满足实际工程对于混凝土性能的不同需求。

栓钉6的布置使得能够防止外钢管或弧形外钢板4和内钢管或弧形内钢板5发生局部屈曲，同时提高外钢管或弧形外钢板4和内钢管或弧形内钢板5与夹层混凝土7的协同工作能力。

本发明的一个实施例，如图3所示，外压力施加结构为混凝土衬砌3，不设置预应力撑杆8，混凝土衬砌3为膨胀混凝土，填充在所述双钢板混凝土管段1与岩体2之间。

本实施例中，不需要再设置预应力撑杆8，而是直接利用膨胀混凝土9的特性，使得岩体2提供的反力成为与组合管道内水压力方向相反的外压力。与设置预应力撑杆8的方案相比，本实施例能有效地控制混凝土衬砌内部裂缝，提高结构稳定性的抗震性。

本发明的一个实施例，组合管道的内径不小于8m，外径不小于10m。所述膨胀混凝土9的自应力不低于0.2MPa，且不低于双钢板混凝土管段1的设计临界外压。

本发明的一个实施例，所述双钢板混凝土管段1替换为纯钢管段或者空心钢管混凝土管段。

本实施例采用钢结构，其强度高，防渗性好，施工周期短，但存在刚度低、变形大等问题。而空心钢管混凝土结构的特点是承载力高，塑性好，但施工复杂，浇筑质量差。实际工程中可根据条件和要求选择。

综上，本发明公开了一种基于荷载平衡法的大直径双钢板混凝土组合管道，其特征是给组合管道预先施加与其内水压力方向相反的外压力，用以抵消部分组合管道的内水压力，从而实现降低管道使用荷载效应的目的。所述组合管道沿轴向分段组装，相邻各段焊接组成管道。所述组合管道与岩体之间填充有混凝土衬砌。本发明采用双钢板混凝土组合结构，具有承载力高、刚度大、稳定性能好等优势，组合管道与岩体之间填充混凝土，实现组合管道与岩体的共同受力，利用预应力撑杆预先给管道施加外压，从而抵消部分管道内部的水压力，降低管道的使用荷载效应，有效减少钢板厚度和降低钢材强度，节约材料用量，降低工程造价，可以广泛应用于抽水蓄能电站压力管道领域，具有重要的工程实践意义和社会经济效益。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。