海底混凝土管道的预制设计

海底混凝土管道的预制设计

侯雷、曾鸿、谈维汉

（深圳大华水泥制品有限公司）

【摘要】本文介绍了港珠澳大桥工程中一段安放在海底的DN1500混凝土管道的预制设计过程，探讨了处于海水环境中的混凝土管道所采用的原材料选择、配方设计、结构计算及生产工艺等问题。【关键词】海洋混凝土管道设计

一、研制背景

港珠澳大桥（Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge）连接香港大屿山、澳门半岛和广东省珠海市，全长为49.968公里，总投资近千亿。工程路线起自香港国际机场附近的香港口岸人工岛，向西接珠海/澳门口岸人工岛、珠海连接线，止于珠海洪湾。港珠澳大桥建成后将成为世界最长的跨海大桥。她也将连起世界最具活力经济区，快速通道的建成对香港、澳门、珠海三地，经济社会一体化意义深远。

图1 港珠澳大桥位置示意图2 港珠澳大桥效果图

文中提到的工程位于港珠澳大桥项目香港人工岛上，是其中一段重要的排水管道，设计管道内径为

Φ1500mm，从岸上一直延伸到海里，施工上分为陆上支护开槽铺设、岸边支护围堰铺设以及海底对接铺设等集中工艺。除了浸泡在海水中要达到防腐、抗氯离子要求外，还要配合施工工艺，实现安装铺设，所以在设计、生产上都有较高的要求。

根据设计图纸和实际的施工环境，本批次的混凝土管道有着非常严格的技术要求，包括了原材料的各项基本指标和混凝土的性能，甚至生产工艺等，部分如下：

1、原材料要求

砂石碱活性反应：合格

砂石规格要求：单粒级配10mm和20mm石子、中砂

砂石氯离子含量：不超过0.05%

砂石集料碱含量：最大不超过6%、LA损耗：最大不超过30%

石子针状含量不超过35%、片状含量不超过30%

拌合用水：符合自来水要求

2、混凝土性能

混凝土强度等级：C45以上，水灰比：不得超过0.38

水泥胶凝材料：总灰量范围380~450 kg/m3，粉煤灰掺量要求：25~40%，微硅粉掺量要求：5~10%氯化物含量：不得超过0.02%，氯离子渗透要求：100~1000 库伦（香港标准CS1：2010 ）

酸溶性硫酸盐含量：不超过4%

3、生产工艺要求

混凝土干湿度：VB值5~30S

成型后管道表面光滑度：F2光面级

混凝土浇筑温度：不得超过32℃

二、管道结构设计

本工程按BS 5911:Part100:1988标准要求选用管道的外压级别（Crushing Load）,荷载级别为“H”级，接头型式可以采用企口式或承插口式，考虑到生产条件、施工条件以及柔性接头的特点，最终选定承插口的接头型式。由于该管道处于海水环境中，防腐以及抗氯离子等耐久性要求高，设计设计要求钢筋的混凝土保护层厚度达到75mm，这在预制构件中是很少见的，而且对于构件的配筋和抗裂都很不利。经过初步设计计算，我们最终确定了管道壁厚加大到240mm，单根管有效长度为2500mm，同时在混凝土的设计上采用了纤维混凝土，以提高混凝土的抗裂性能。这里简单介绍一下管道的配筋计算。

圆管计算参数:

内径D=1500mm 破坏荷载P=165kN/m（H级）壁厚t=240mm 保护层厚度c=75mm C45混凝土参数（按国标GB50010）：

f tk=2.51N/mm2f t=1.80 N/mm2f ck=29.6 N/mm2f c=21.1 N/mm2

钢筋采用冷拉带肋钢筋，级别CCR550：f y=360 N/mm2

1、确定管道上下受压弯矩系数为：K内=0.318 K外=0.128 r o=(D+t)/2=0.87

计算内壁弯矩值：M内= 0.87x0.318x165 = 45.65kN/m

计算外壁弯矩值：M外= 0.87x0.128x165 = 18.37kN/m

2、配筋计算：

A S={a1f c bh o-[( a1f c bh o)2-2Ma1f c b]1/2}/f y

其中a1=1.0 b=1000mm h o=240-75=165mm

代入计算可得：A内=804 mm2/m A外=315mm2/m

设计配筋量：内笼?L9.0@60（As=1066）外笼：?L9.0@110（As=578）

3、最大裂缝验算：W max=1.8φσsq(1.5c+0.11d/ρte)(1+ a1)V/E s

其中：φ=1.1-0.65f tk/(ρteσsq a1) ρte=A S/0.5bh oσsq=M/0.87h o A s a1=0 a2=1.0 V=0.7

代入计算可得：W max= 0.24 ＜0.25 （合格）

4、设计复核：考虑该管型保护层过厚、验算时最大裂缝已经接近允许值，还需要增加保险系数。

①、增大内笼配筋用量：内笼采用?L9.0@45（As=1413）

②、根据配方试验，混凝土强度平均值达到65.10 MPa,另外加入聚丙烯纤维后，混凝土的抗拉强度也明

显提高，可达到C50级别，f kt=2.64 N/mm2。

③、据此再进行复核计算，W max=0.16mm

5、通过配筋计算和混凝土试验，最终确定实际生产采用配筋为：

内笼：?L9.0@45mm 外笼?L9.0@90mm 纵筋采用24?7.0mm

三、管道生产设计

经过初步设计和试验分析，尽管技术指标要求较高，但只要我们严格按照设定的控制指标和工艺要求来做，是可以保证产品质量符合设计要求的。当然，为了万无一失，我们还增加了一些前期实验和试生产，全部演练符合后才正式进行到批量生产。

1、主要原材料的选择

（1）水泥：根据以往的实验与生产经验，我们还是选用英德某公司生产的P.II52.5级别水泥，主要化学分析、物理性能实验结果如表1、表2。

表1 水泥化学成分分析结果

表2 水泥物理性能实验结果

活性反应膨胀率＜0.1、吸水率≤1%，细骨料采用氯离子含量＜0.01%的河砂。骨料的碱活性反应膨胀值、吸水率结果见表3。

表3 骨料碱活性反应膨胀值与吸水率实验结果

（3）、粉煤灰、微硅粉：经过对比使用选用了黄埔电厂I级粉煤灰与东蓝星的EBS微硅粉(SiO2≥92%)。

（4）、聚丙烯纤维：根据管道强度设计要求，经过试验确定，混凝土中掺加了聚丙烯纤维以增强混凝土的抗裂指标，纤维的部分技术指标见表4。

表4 聚丙烯纤维部分技术指标

2、配方设计

根据香港特区的设计规范与混凝土配比的设计要求，结合我们实际生产经验，我们初步设计了两个配方进行试配（详见表5、表6），最终选取了掺加10%微硅粉的配方作为生产使用配方。

表5 混凝土配方设计

表6 生产性连续试配实验结果

3

根据客户要求以及上述的我们初步设计和试验，在确保了原材料的品质和供应后，就是实际的生产工艺控制问题了。根据设计要求，我们必须控制好以下几个方面：

（1）、混凝土温度控制：该批管道的生产是在10月份，而且是户外作业，环境温度较高，加上混凝土的水化热，在不采取措施的情况下，浇筑时混凝土的温度可以达到40℃以上，这就无法符合客户要求。同时，温度过高会使得混凝土内部产生收缩裂纹，影响混凝土的强度和管道质量。根据以往的生产经验，我们采取了双重降温的方式，一方面是原材料降温，每天提前洒水冲洗，待含水率稳定后在傍晚把砂石料入仓遮盖，防止太阳暴晒；另一方面是以冰代水，用食用碎冰代替部分的搅拌用水，直接投放到搅拌机，有效控制了混凝土温度问题。

（2）钢筋混凝土保护层的控制：设计要求保护层达到75mm，这个除了对结构有影响外，也不利于实际

生产，为了确保保护层厚度，必须采用专门的混凝土垫块。因为垫块尺寸较大，做垫块的混凝土材料也必须采用管身混凝土的配方来制作，否则将影响到管身局部的混凝土性能。为此，我们专门设计了一种垫块的形式，制作了钢模，用于生产混凝土垫块（图3），垫块绑在钢筋笼上不易移动（图4），也很好地保证了钢筋的保护层达到规定要求。

图3 垫块示意图4 垫块定位示意

（3）、混凝土的振动密实：由于硅粉、粉煤灰的加入，混凝土的工作性能得到了一定的改善，但考虑到碎冰的冷却时间以及纤维均匀分散，在搅拌时间上我们还是进行了延长，搅拌时间由常规的180s提高到300s。另外，由于我们采用的是低水灰比的干硬性混凝土，振动致密的时间也必须足够，实际生产在下料完成后必须保证有6min以上的振动时间，才能保证混凝土的充分密实。

（4）、保湿养护：混凝土在凝结过程需要消耗水份，并产生热量，养护不好会导致混凝土开裂、强度降低等问题，为了保证产品质量，我们采取保湿养护的方法，在管道脱模收光后立即使用帆布做的圆筒形袋子覆盖起来，防止水份流失、保持混凝土湿润，并定时洒水保湿。在养护3天后可以放倒，堆放在成品区，再继续进行淋水保养，直至达到产品出货要求。

四、试验结果

在第一批管达到养护龄期后，我们在场内进行了安装试验、内水压试验、外压试验（图5、6），并钻取芯样送到香港相关试验室进行快速的氯离子渗透性试验（图7），结果全部达标，证明我们的设计是合理的，生产工艺控制也是满足要求的。

图5 安装及内水压试验图6 外压试验图7 氯离子渗透试验

五、结束语

目前该工程已经完成过半，产品应用良好。经过这次的新产品的设计和生产，我们深深地体会到，混凝土制品的扩展性，其性能还可以有更多的提升和改善，满足更多的设计要求和使用环境。但在生产前，我们必须进行详细的设计分析，考虑更多的可能性，并通过系统的试验验证，才能确保产品质量，满足设计要求。

【参考文献】

[1] GB50010 混凝土结构设计规范

[2] Particular Specification(Section C03-C29)

[3] BS 5911:Part 100:1988 Precast concrete pipes, fittings and ancillary products Part 100.

[4] BS EN 1916：2002 Concrete pipes and fittings, unreinforced, steel fibre and reinforced

[5] BS 882:1992 Specification for aggregates from natural sources for concrete

[6] Construction Standard CS1：2010,香港特别行政区政府

[7] 尹晓光：耐久性混凝土预制件的制作工艺分析[J].广东建材，2014（12）：36-40