10.4　結構設計

10.4.1　結構設計應包括下列內容：

1　確定各部結構形式及其主要尺寸；

2　進行荷載計算及確定荷載組合；

3　穩定計算；

4　強度計算及抗裂驗算；

5　細部結構設計。

10.4.2　根據各種荷載實際上同時出現的可能性，管身和鎮墩的最不利荷載組合分別按表10.4.2-1和表10.4.2-2計算，尚應考慮其他可能出現的不利荷載組合。

10.4.3　管道較長、水頭較大、分段采用不同材料的倒虹吸管，其管身結構設計應按管道所采用的不同材質管道分段進行。

10.4.4　鋼筋混凝土圓管的結構設計應符合下列規定：

1　管壁厚度應根據建筑物級別、管徑大小、荷載組合、抗裂安全和施工要求確定：

1）管壁厚度宜按下式初擬：

2）當水頭較低（小于或等于15m）時，宜按下式初擬：

式中：δ——管壁厚度（mm）；

Pi——設計內水壓力（N/mm2）；

ri——管道內半徑（mm）；

Rf——混凝土抗裂強度（N/mm2）；

Kf——混凝土抗裂安全系數，按表10.4.4選用；

Di——管道內徑（mm）。

3）計入曲率對彎曲應力的影響時，管壁宜加厚10mm～20mm。

4）初擬的管壁厚度不滿足強度、剛度、穩定、抗裂、抗滲以及抗凍等要求時，應重新擬定管壁厚度另行計算。

2　1級、2級和重要倒虹吸管的鋼筋混凝土圓管管身內力應按彈性理論空間問題求解，3級～5級鋼筋混凝土圓管宜簡化為管身縱、橫向兩個平面問題分別計算。

3　管身橫向按封閉圓環型結構計算。對管壁厚度δ 與管壁平均半徑rc比值δ/rc小于或等于1/8的薄壁管宜采用結構力學的彈性中心法計算內力，對δ/rc大于1/8的厚壁管宜按彈性力學平面問題計算，或采用將均勻內（外）水壓力荷載所產生的內力（應力）按彈性力學平面問題計算，而其余荷載所引起的內力按結構力學法計算之后再疊加的方法。

4　鋼筋混凝土管管身的縱向內力，對有連續式剛性管座的可不進行計算，但應按抗裂要求布置縱向構造鋼筋。對布置于間斷式管座上的管身縱向內力，應根據管道跨長L 與管身內徑D（寬度）的比值采用不同方法計算：當L/D 大于或等于3時為長殼但可近似地按梁理論計算，當0.5小于或等于L/D 小于3時按圓柱形中長殼的彎曲理論或半彎曲理論計算，當L/D 小于0.5時按短殼的彎曲理論或半彎曲理論計算。

5　管壁混凝土強度等級不應低于C25，并根據當地自然條件及運行條件提出抗滲、抗凍等級和抗磨、抗侵蝕等要求。鋼筋混凝土管的強度計算應執行現行行業標準《水工混凝土結構設計規范》SL 191的規定。

6　現澆鋼筋混凝土管管身的分節長度應根據地基、施工、溫度以及管座形式等條件，應按現行行業標準《水工混凝土結構設計規范》SL 191關于伸縮縫最大間距的規定，綜合分析后確定。

10.4.5　鋼筋混凝土矩形管結構設計應符合下列規定：

1　鋼筋混凝土矩形管宜直接布設在穩定、堅實的地基上，其縱向內力宜按彈性地基梁計算。4級～5級倒虹吸管縱向管節長度不大且地基堅固的可按構造要求配置縱向鋼筋。

2　管壁厚度可按式（10.4.5-1）估算，式中的管壁彎矩可根據作用的主要荷載按式（10.4.5-2）估算：

式中：r——混凝土塑化系數，對矩形截面，取r=1.55或r=1.55（1.1-0.1h），h 為矩形管截面總高度（m）。

3　矩形倒虹吸管的橫向內力，對單孔或等跨多孔等截面的宜按閉合剛架采用結構力學方法計算，對不等跨或不等截面的除采用結構力學力法或變位法計算外，對1級～2級和重要倒虹吸管必要時宜采用有限元法進行應力分析。

4　根據計算內力成果，按現行行業標準《水工混凝土結構設計規范》SL 191進行配筋計算及抗裂驗算。

10.4.6　預應力混凝土管結構設計應符合下列規定：

1　預應力混凝土管中，當采用鋼棒、螺紋鋼筋作為預應力鋼筋時，其混凝土強度等級不宜低于C30。當采用消除應力鋼絲、鋼絞線作為預應力鋼筋時，其混凝土強度等級不宜低于C40。

2　預應力混凝土管宜采用圓形過水斷面，其結構應符合下列規定：

1）在內水壓力、預應力與其他荷載組合作用下，管道各部位中的拉應力應小于混凝土的軸心抗拉強度標準值。

2）無內水壓力作用（空管）時，在預應力與其他荷載組合作用下，管道各部位中的壓應力應小于混凝土的軸心抗拉強度標準值。

3　預應力混凝土管初擬管壁厚度應按表10.4.6執行。

4　預應力混凝土管應進行強度、配筋計算和抗裂驗算，并應符合現行行業標準《水工混凝土結構設計規范》SL 191的規定。

10.4.7　鋼管結構設計應符合下列規定：

1　露天布置的鋼管管壁初擬厚度宜按由內水壓力產生的環向拉應力進行估算。

1）計算公式應按式（10.4.7-1）計算，其中鋼材允許應力值可按規范值的75%采用。

式中：δ——鋼管管壁初擬厚度（mm）；

D——鋼管內徑（mm）；

p——內水壓力（MPa）；

［σ］——鋼材允許應力（MPa）。

2）初擬的管壁厚度，應按式（10.4.7-1）計算值再增加1mm～2mm 以上的銹蝕及磨損厚度。

3）薄壁結構的鋼管管壁厚度除應滿足按式（10.4.7-1）計算的強度要求外，尚應大于抗外壓穩定性要求的管壁最小厚度，管壁最小厚度按表10.4.7-1選用。

2　按彈性工作狀態計算所得的應力不應大于鋼管允許應力值，其值應符合表10.4.7-2的規定，表中σs為鋼材屈服強度，σ為鋼管管壁厚度。

3　鋼管橫斷面管壁各計算點的應力計算公式及方法應按現行行業標準《水電站壓力鋼管設計規范》SL 281執行，并應符合下列第四強度理論條件：

1）按平面問題計算時：

2）按空間結構計算時：

式中：σχ、σθ、σγ——軸向、環向、徑向正應力（N/mm2），以拉為正；

τθχ+τθγ+τχγ——剪應力（N/mm2）；

φ——焊縫系數，單面對接焊φ=0.9，雙面對接焊φ=0.95；

［σ］——相應計算工況的允許應力（N/mm2）。

4　鋼管抗外壓穩定驗算的公式及方法應按現行行業標準《水電站壓力鋼管設計規范》SL 281的規定執行，抗外壓穩定計算安全系數不應小于下列各值：

1）明置的鋼管管壁和加勁環應為2.0。

2）地下埋管、光面管和錨筋加勁的鋼管管壁應為2.0；用加勁環加勁的鋼管管壁和加勁環應為1.8。

10.4.8　預應力鋼筒混凝土管結構設計應符合下列規定：

1　應按其設計條件選用符合現行國家標準《預應力鋼筒混凝土管》GB/T 19685規定的管材；

2　埋設于土壤中的預應力鋼筒混凝土管，應對管身外壁進行防腐處理；

3　管節接口處應鋪設厚度為管壁厚1.0倍～1.5倍的砂墊層作為過渡層；

4　購置的預應力鋼筒混凝土管應盡快安裝，并應按要求定期灑水養護，避免干裂或預應力損失過大而報廢。

10.4.9　玻璃鋼夾砂管結構設計應符合下列規定：

1　按其特殊的設計條件應選用符合現行國家標準《玻璃纖維增強塑料夾砂管》GB/T 21238規定的管材。

2　玻璃鋼夾砂管剛度小，對管道基礎要求嚴格，鋪設厚度不應小于150mm 的砂墊層。

3　玻璃鋼夾砂管的覆蓋土應符合下列規定：

1）回填的覆蓋土中不應混含有機材料、凍土以及大于50mm 的磚石塊等硬物，避免損傷管道外壁。

2）管道兩側的回填土應分層同時回填、均勻上升，并夯實達到設計密實度。

3）中型汽車車行道下埋設的玻璃鋼夾砂管管頂覆蓋土厚度要求應符合表10.4.9的規定。

10.4.10　鎮墩結構設計應符合下列規定：

1　鎮墩應設在穩定的地基上，并應按現行國家標準《泵站設計規范》GB 50265的規定對鎮墩進行抗滑、抗傾覆穩定及地基強度等驗算。穩定安全系數允許值應符合表10.4.10的規定。

2　鎮墩基礎底面上不應產生拉應力，土基上的基底最大壓應力應小于地基允許承載力，且基底最大壓應力與最小壓應力之比不宜大于2.0。

3　驗算鎮墩結構強度。

4　倒虹吸管的鎮墩宜采用混凝土結構，其強度等級不應低于C20。寒冷地區鎮墩的底部應深埋至凍土線以下，并應規定混凝土材料的抗凍等級。

5　倒虹吸管的鎮墩內宜配置抗溫度變化等的構造鋼筋，內置上凸狀彎管的封閉式鎮墩尚應配置錨固鋼筋以加強整體性。

10.4.11　橋式倒虹吸管結構設計包括下列內容：

1　跨河溝的橋式倒虹吸管部分，其布置和結構設計應符合本標準渡槽的有關規定進行，支承結構的基礎應置于可靠的持力層中并應滿足最小埋置深度的要求。

2　橋式倒虹吸管管身的管材應根據設計要求和自身支承結構類型選用。

10.4.12　進、出口建筑物的結構設計，應在進、出口水力設計方案確定后進行，并應包括下列內容：

1　整體穩定計算（抗滑、抗傾覆）；

2　地基應力計算；

3　整體和各部結構的強度、剛度、穩定計算；

4　細部結構設計；

5　地基處理設計。