10.4　结构设计

10.4.1　结构设计应包括下列内容：

1　确定各部结构形式及其主要尺寸；

2　进行荷载计算及确定荷载组合；

3　稳定计算；

4　强度计算及抗裂验算；

5　细部结构设计。

10.4.2　根据各种荷载实际上同时出现的可能性，管身和镇墩的最不利荷载组合分别按表10.4.2-1和表10.4.2-2计算，尚应考虑其他可能出现的不利荷载组合。

10.4.3　管道较长、水头较大、分段采用不同材料的倒虹吸管，其管身结构设计应按管道所采用的不同材质管道分段进行。

10.4.4　钢筋混凝土圆管的结构设计应符合下列规定：

1　管壁厚度应根据建筑物级别、管径大小、荷载组合、抗裂安全和施工要求确定：

1）管壁厚度宜按下式初拟：

2）当水头较低（小于或等于15m）时，宜按下式初拟：

式中：δ——管壁厚度（mm）；

Pi——设计内水压力（N/mm2）；

ri——管道内半径（mm）；

Rf——混凝土抗裂强度（N/mm2）；

Kf——混凝土抗裂安全系数，按表10.4.4选用；

Di——管道内径（mm）。

3）计入曲率对弯曲应力的影响时，管壁宜加厚10mm～20mm。

4）初拟的管壁厚度不满足强度、刚度、稳定、抗裂、抗渗以及抗冻等要求时，应重新拟定管壁厚度另行计算。

2　1级、2级和重要倒虹吸管的钢筋混凝土圆管管身内力应按弹性理论空间问题求解，3级～5级钢筋混凝土圆管宜简化为管身纵、横向两个平面问题分别计算。

3　管身横向按封闭圆环型结构计算。对管壁厚度δ 与管壁平均半径rc比值δ/rc小于或等于1/8的薄壁管宜采用结构力学的弹性中心法计算内力，对δ/rc大于1/8的厚壁管宜按弹性力学平面问题计算，或采用将均匀内（外）水压力荷载所产生的内力（应力）按弹性力学平面问题计算，而其余荷载所引起的内力按结构力学法计算之后再叠加的方法。

4　钢筋混凝土管管身的纵向内力，对有连续式刚性管座的可不进行计算，但应按抗裂要求布置纵向构造钢筋。对布置于间断式管座上的管身纵向内力，应根据管道跨长L 与管身内径D（宽度）的比值采用不同方法计算：当L/D 大于或等于3时为长壳但可近似地按梁理论计算，当0.5小于或等于L/D 小于3时按圆柱形中长壳的弯曲理论或半弯曲理论计算，当L/D 小于0.5时按短壳的弯曲理论或半弯曲理论计算。

5　管壁混凝土强度等级不应低于C25，并根据当地自然条件及运行条件提出抗渗、抗冻等级和抗磨、抗侵蚀等要求。钢筋混凝土管的强度计算应执行现行行业标准《水工混凝土结构设计规范》SL 191的规定。

6　现浇钢筋混凝土管管身的分节长度应根据地基、施工、温度以及管座形式等条件，应按现行行业标准《水工混凝土结构设计规范》SL 191关于伸缩缝最大间距的规定，综合分析后确定。

10.4.5　钢筋混凝土矩形管结构设计应符合下列规定：

1　钢筋混凝土矩形管宜直接布设在稳定、坚实的地基上，其纵向内力宜按弹性地基梁计算。4级～5级倒虹吸管纵向管节长度不大且地基坚固的可按构造要求配置纵向钢筋。

2　管壁厚度可按式（10.4.5-1）估算，式中的管壁弯矩可根据作用的主要荷载按式（10.4.5-2）估算：

式中：r——混凝土塑化系数，对矩形截面，取r=1.55或r=1.55（1.1-0.1h），h 为矩形管截面总高度（m）。

3　矩形倒虹吸管的横向内力，对单孔或等跨多孔等截面的宜按闭合刚架采用结构力学方法计算，对不等跨或不等截面的除采用结构力学力法或变位法计算外，对1级～2级和重要倒虹吸管必要时宜采用有限元法进行应力分析。

4　根据计算内力成果，按现行行业标准《水工混凝土结构设计规范》SL 191进行配筋计算及抗裂验算。

10.4.6　预应力混凝土管结构设计应符合下列规定：

1　预应力混凝土管中，当采用钢棒、螺纹钢筋作为预应力钢筋时，其混凝土强度等级不宜低于C30。当采用消除应力钢丝、钢绞线作为预应力钢筋时，其混凝土强度等级不宜低于C40。

2　预应力混凝土管宜采用圆形过水断面，其结构应符合下列规定：

1）在内水压力、预应力与其他荷载组合作用下，管道各部位中的拉应力应小于混凝土的轴心抗拉强度标准值。

2）无内水压力作用（空管）时，在预应力与其他荷载组合作用下，管道各部位中的压应力应小于混凝土的轴心抗拉强度标准值。

3　预应力混凝土管初拟管壁厚度应按表10.4.6执行。

4　预应力混凝土管应进行强度、配筋计算和抗裂验算，并应符合现行行业标准《水工混凝土结构设计规范》SL 191的规定。

10.4.7　钢管结构设计应符合下列规定：

1　露天布置的钢管管壁初拟厚度宜按由内水压力产生的环向拉应力进行估算。

1）计算公式应按式（10.4.7-1）计算，其中钢材允许应力值可按规范值的75%采用。

式中：δ——钢管管壁初拟厚度（mm）；

D——钢管内径（mm）；

p——内水压力（MPa）；

［σ］——钢材允许应力（MPa）。

2）初拟的管壁厚度，应按式（10.4.7-1）计算值再增加1mm～2mm 以上的锈蚀及磨损厚度。

3）薄壁结构的钢管管壁厚度除应满足按式（10.4.7-1）计算的强度要求外，尚应大于抗外压稳定性要求的管壁最小厚度，管壁最小厚度按表10.4.7-1选用。

2　按弹性工作状态计算所得的应力不应大于钢管允许应力值，其值应符合表10.4.7-2的规定，表中σs为钢材屈服强度，σ为钢管管壁厚度。

3　钢管横断面管壁各计算点的应力计算公式及方法应按现行行业标准《水电站压力钢管设计规范》SL 281执行，并应符合下列第四强度理论条件：

1）按平面问题计算时：

2）按空间结构计算时：

式中：σχ、σθ、σγ——轴向、环向、径向正应力（N/mm2），以拉为正；

τθχ+τθγ+τχγ——剪应力（N/mm2）；

φ——焊缝系数，单面对接焊φ=0.9，双面对接焊φ=0.95；

［σ］——相应计算工况的允许应力（N/mm2）。

4　钢管抗外压稳定验算的公式及方法应按现行行业标准《水电站压力钢管设计规范》SL 281的规定执行，抗外压稳定计算安全系数不应小于下列各值：

1）明置的钢管管壁和加劲环应为2.0。

2）地下埋管、光面管和锚筋加劲的钢管管壁应为2.0；用加劲环加劲的钢管管壁和加劲环应为1.8。

10.4.8　预应力钢筒混凝土管结构设计应符合下列规定：

1　应按其设计条件选用符合现行国家标准《预应力钢筒混凝土管》GB/T 19685规定的管材；

2　埋设于土壤中的预应力钢筒混凝土管，应对管身外壁进行防腐处理；

3　管节接口处应铺设厚度为管壁厚1.0倍～1.5倍的砂垫层作为过渡层；

4　购置的预应力钢筒混凝土管应尽快安装，并应按要求定期洒水养护，避免干裂或预应力损失过大而报废。

10.4.9　玻璃钢夹砂管结构设计应符合下列规定：

1　按其特殊的设计条件应选用符合现行国家标准《玻璃纤维增强塑料夹砂管》GB/T 21238规定的管材。

2　玻璃钢夹砂管刚度小，对管道基础要求严格，铺设厚度不应小于150mm 的砂垫层。

3　玻璃钢夹砂管的覆盖土应符合下列规定：

1）回填的覆盖土中不应混含有机材料、冻土以及大于50mm 的砖石块等硬物，避免损伤管道外壁。

2）管道两侧的回填土应分层同时回填、均匀上升，并夯实达到设计密实度。

3）中型汽车车行道下埋设的玻璃钢夹砂管管顶覆盖土厚度要求应符合表10.4.9的规定。

10.4.10　镇墩结构设计应符合下列规定：

1　镇墩应设在稳定的地基上，并应按现行国家标准《泵站设计规范》GB 50265的规定对镇墩进行抗滑、抗倾覆稳定及地基强度等验算。稳定安全系数允许值应符合表10.4.10的规定。

2　镇墩基础底面上不应产生拉应力，土基上的基底最大压应力应小于地基允许承载力，且基底最大压应力与最小压应力之比不宜大于2.0。

3　验算镇墩结构强度。

4　倒虹吸管的镇墩宜采用混凝土结构，其强度等级不应低于C20。寒冷地区镇墩的底部应深埋至冻土线以下，并应规定混凝土材料的抗冻等级。

5　倒虹吸管的镇墩内宜配置抗温度变化等的构造钢筋，内置上凸状弯管的封闭式镇墩尚应配置锚固钢筋以加强整体性。

10.4.11　桥式倒虹吸管结构设计包括下列内容：

1　跨河沟的桥式倒虹吸管部分，其布置和结构设计应符合本标准渡槽的有关规定进行，支承结构的基础应置于可靠的持力层中并应满足最小埋置深度的要求。

2　桥式倒虹吸管管身的管材应根据设计要求和自身支承结构类型选用。

10.4.12　进、出口建筑物的结构设计，应在进、出口水力设计方案确定后进行，并应包括下列内容：

1　整体稳定计算（抗滑、抗倾覆）；

2　地基应力计算；

3　整体和各部结构的强度、刚度、稳定计算；

4　细部结构设计；

5　地基处理设计。