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装配式钢结构城市地下综合管廊成套技术
浏览: 发布日期:2018-03-14

波纹钢综合管廊国内外应用情况


 1945年前东德耶拿市蒸汽管道和电缆,已使用71年,采用热浸镀锌防腐。

  国外钢波纹管综合管廊


 青海海东市钢波纹管综合管廊
 黑龙江钢波纹管综合管廊
 山东日照机场钢波纹管综合管廊


 中冶集团钢波纹管综合管廊

波纹钢综合管廊标准发布

















 “联众体系”装配式钢结构管廊成套技术

 结构介绍——廊体墙体材料选择


  墙体材料选择:波形钢板
       原因:1截面惯性矩大,强度高;
                   2能形成连续的墙板;
                   3可以工厂化生产线制造;
                   4可以装配化施工。

波形钢板强度的因素

1、第一因素:波形钢板的波高,几何倍数关系;
2、第二因素:波形钢板的板厚,正比关系;
3、举例:同样钢材用量,400*150mm波形是200*55mm波形惯性矩的7.8倍,而厚度增加一倍,惯性矩只增加一倍。

波形钢板的选择

1、大波高、大惯性矩波形钢板,波高大于140mm;
2、钢材屈服强度在345MPa或以上,但要在550MPa以下;
3、钢板厚度大于等于3mm。

要解决的问题

大波高的波纹板强度太高,难以弯曲成小直径的弧板。但若选用波高小于100mm的波形钢板,惯性矩低。若制成波纹钢管,管的径向刚度就会很低,管体变形量就会很大。此问题涉及和制约了钢结构管廊横断面结构形状的选择。

横断面结构形状选择及确定

举例对比

1、矩形4*4m,波形400*150mm,填土3m工况下,波形钢板厚度t=7.5mm~8mm;
2、圆形直径5m,波形400*150mm,填土3m工况下,波形钢板厚度t=3.75mm;

3、方拱形4*4m,波形400*150mm,填土3m工况下,波形钢板厚度t=4mm。

方拱形截面的优点

1、有效的利用管土共同受力原理,减小钢板的厚度,节省造价;
2、有效的利用管廊内部的净空空间,内部线管容纳量比圆形和马蹄形管廊能增加1/6~2/5;
3、四个连接角为钝角结构,没有圆弧角的弧度卷圆限制,可以使用大波高、大惯性矩的波纹钢板,大大提高了廊体的强度,同样的钢材用量却能使管廊板壁的惯性矩提高7.8倍;
4、能充分利用侧壁设置管线支架;
5、径向刚度提高近40倍,解决了抗浮设计的难题;
6、能制作高宽比比较大或比较小的管廊;
7、廊体轴向尺寸及径向尺寸控制精度大大提高;
8、廊体顶部易设置管架;
9、便于与矩形混凝土管廊连接;
10、廊底混凝土垫层厚度小,节省造价;
11、便于设置拼舱式多舱式结构;
12、减少了基础开挖深度。


方拱形已获专利
         实用新型专利
         国家发明专利  
         国际PCT专利                                             

 结构介绍—方拱形钢结构管廊



      将管廊断面设计成方拱形是为了最大限度地提高截面利用率的同时发挥结构的管土共同作用效应,使结构满足强度要求的同时也能满足管廊的使用性要求。

结构介绍—组成


                                                          单节管体长度为7米~12米

结构计算

结构计算—相关参数



        以安徽省杨滩互通连接线SK0+711.5处的管廊工程工况为计算依据,本结构钢材选用Q345,单块钢板的宽度为6.84m,钢板厚度为4.5mm,材料相关参数上图所示。

结构计算—有限元计算结果

 施工完成后挠度数值与应力数值表


 
  分析表中数据可知,在填土完成后,车辆正常通行状态下,结构应力最大值为189.6MPa,小于钢材Q345的屈服强度限值,能够满足结构强度要求。结构的最大挠度值为6.42mm,根据《钢结构设计规范》计算得到结构的允许最大挠度限值为26.7mm,所以在2m覆土条件下,能够满足结构承载能力极限状态和正常使用极限状态要求。

结构现场试验

与东南大学土木工程系及安徽省交通规划设计院四分院共同实施

现场试验—原理


    通过油缸顶进来模拟结构受到的填土和行车荷载,用油缸对应的受荷面模拟结构的顶板,根据有限元计算结果,在结构应力最大位置布设应变计,通过土压力盒的读数来确定直接施加在结构上的荷载大小,结构周围土体要求压实,充分发挥结构与土体的协同作用。

现场试验—主要过程








 

现场试验—试验数据整理


现场试验—试验数据与计算数据对比分析






顶板和底板挠度变化值误差为(3.48-3.00)/3.48=13.8%
侧板挠度变化值误差为(0.24-0.20)/0.24=16.7%
试验测得的最大应力值为120.1Mpa,小于钢材屈服强度,满足结构强度要求。

实际管廊工程工地现场结构试验及测试



        试验方案由同济大学制定。参与试验及测试单位:同济大学、东南大学、安徽省交通设计院四分院、南京联众建设工程技术有限公司。

工程现场图


管架结构

管架结构承载力

工厂内管架重载试验

工地现场管架重载试
实际试验值:管廊侧壁管架承载力每延米大于1.7吨,是实际最大值的3倍以上(图中的水泥块重量是每块100公斤)。

热力管道大推力管架


热力管道大推力管架构造说明

热力管道大推力管架由型钢组成框架结构。

结构刚度—本结构与普通形式钢波纹管管廊径向刚度对比


对比结果:本结构管廊径向刚度是普通形式钢波纹管管廊径向刚度的90.5倍!

抗拔锚杆或抗拔桩设置

                        

本结构锚杆设置
本结构锚杆设置优点:
1、连接方式:与廊体纵向筋肋上的活节螺栓通过钢丝绳柔性预应力连接;
2、设置间距:间距可为10米一对;
3、设置位置:锚杆位于纵向筋肋正下方。

能避免出现管体在浮力作用下径向方向的风琴效应
(虚线是风琴效应后的变形情况)

密封方式及性能

密封方式及性能—密封结构

1、按二类压力容器设计,所有接缝都有不锈钢条过渡,同时实现密封焊接及防腐;
2、接缝寿命100年以上;
3、密封性能力在40米高水柱以上。

密封方式及性能—管廊结构整体水压试验


试验结果:两节廊体连接后,整体水压试验,压力0.4MPa(相当于40米高水柱)结构体无泄漏。

密封方式及性能—焊缝水压试验


试验结果:廊体焊缝水压试验,压力1MPa条件下焊缝无泄漏。

耐火方式及性能

疏导法—循环水冷却法

钢结构防火文献之三《钢结构防火措施选型及经济性能分析》
                                                 (作者:张全辉 远洋设计研究院 知名钢结构防火专家 )

文章原文结论摘录





利用循环水冷却方法,在火灾发生后廊体能继续使用,防火涂料法不能继续使用。

耐火方式及性能—疏导法耐火专利技术

耐火方式及性能—钢结构管廊疏导法耐火试验

实验结论:
①钢质廊体外侧包裹粗砂透水层,水从廊体顶部沿侧壁的透水层在5~15分钟之内就流至廊体底部,并且各个位置的流量分布均匀。
②外壁的透水层中有流动的水时,在无防火涂料的情况下,管廊钢质板壁升温能得到有效抑制,温度一直控制在100℃以下,无蒸汽产生,可以达到耐火极限三小时甚至更长时间的要求。
③背火面防腐层锌无氧化现象,覆塑塑料层完好,土壤无烧结及凝结。迎火面锌层有氧化现象,迎火面塑料层烧毁。

消防方式造价比较(内部3.5X3.5断面每延米造价)

江苏省消防总队与我司科研申报

防腐方式及性能

美国AISI标准及AASHOTO标准推荐的埋地使用的热镀锌波纹钢管的寿命是37.5年~78年。

防腐方式及性能-复合防腐体系


防腐方式及性能-复合防腐体系寿命论证

防腐方式及性能-复合防腐体系寿命论证

防腐方式及性能-复合防腐体系寿命论证

防腐方式及性能-实例


电力问题

(一)高压线缆

A.参考文献之四《如何在电气工程中防止电涡流的危害及防治》
                                                                         《中国石油化工》---孙保华
    参考文献之五《如何在电气工程中防止电涡流的危害》
                                                                                    《建筑电气》---刘兵
         三相交流电在每相平衡时,其总电流矢量和为零,所产生的磁场的矢量和为零。三相电缆穿钢管敷设通过三相平衡交流电时,不会在钢管内产生变化的磁场,不会产生涡流。
B.国家标准《建筑电气工程施工质量验收规范》(GB50303-2002)规定:“同一交流回路的电线应穿于同一金属管内”,目的就是防止涡流,这也是防止涡流的一种方法。
C.山东日照机场的钢质管廊布设了高压电缆,已投入使用。

(二)电火花

          本结构管廊内壁覆有工程塑料及硬质无机超细粉末合成的柔性陶瓷膜,不会产生电火花。

(三)静电问题

         本结构为钢质结构,防静电设计简单,接地设置方便。

双舱及多舱设计

其他功能系统

其他功能系统-投料口系统实现装配式


       施工速度:廊体每节长度是10米左右,这样可以使廊体结构的装配速度能达到现浇混凝土的5~10倍。就单仓支线管廊而言,每个10人的施工班组,每天可安装60米至100米。

钢结构管廊结构工程实例

钢结构管廊施工现场


分片拼装

钢结构管廊实际工程实景(截面尺寸4米×3.8米)

钢结构管廊实际工程实景(截面尺寸4米×3.8米)

总结:

① 结构强度高,可适用于20米以上的深埋工况。
② 造价节省:以4米×4米及3米×3米断面管廊比较工程造价,比钢混结构节省10%~15%,双舱及三舱结构,以6米×3.5米及9米×3.5米比较,可节省造价10%~15%。
③ 截面形式的空间利用率高,廊内管线容纳量大。
④ 非常便于布设管廊支架,不需预设,可随意增加减少。
⑤ 密封性能:参照二类压力容器的相关要求设计及制造,密封性能达40米高水柱。

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