本發(fā)明涉及一種水域鉆爆隧道穿越管道的gfrp抗漂浮設(shè)計(jì)方法，屬于管道工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，隧道內(nèi)管道抗漂浮管卡和連接件通常采用普通鋼構(gòu)件加防腐措施(如犧牲陽(yáng)極和膏狀物包覆的聯(lián)合防護(hù)方案)或者是不銹鋼構(gòu)件。對(duì)于普通管卡，無(wú)論采用何種防腐措施，除了防腐施工自身質(zhì)量難以保證外，管卡運(yùn)輸、安裝施工都難免會(huì)對(duì)防腐結(jié)構(gòu)造成損傷。對(duì)于犧牲陽(yáng)極保護(hù)，對(duì)規(guī)則形狀的管卡有一定的防護(hù)作用，但對(duì)于非規(guī)則構(gòu)件，如螺栓、鉸接結(jié)構(gòu)等連接部件，其與主結(jié)構(gòu)件之間的接觸電阻較大，其表面電流分布不均，犧牲陽(yáng)極無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效的保護(hù)作用，其防護(hù)效果不好。同時(shí)，采用膏狀物包敷螺栓等連接件，也存在密封不嚴(yán)誘發(fā)縫隙腐蝕。

而對(duì)于不銹鋼構(gòu)件方案,除投資高外，其使用條件也受到一定限制。以海底隧道穿越為例，由于海水中高濃度氯鹽的存在，不銹鋼連接構(gòu)件的腐蝕更加難以控制，傳統(tǒng)的不銹鋼單一防腐措施很難達(dá)到腐蝕控制效果。

由于管道支墩采用普通碳鋼鋼筋，不銹鋼錨固件與碳鋼鋼筋連接，兩者存在因電位差導(dǎo)致的電偶腐蝕問(wèn)題，這將大大加速鋼筋腐蝕速度。這種電偶腐蝕可能造成鋼筋銹蝕而管道支墩及其他錨固設(shè)施失效。

gfrp是以高分子樹(shù)脂為基體，以玻璃纖維為增強(qiáng)體復(fù)合而成的復(fù)合材料，強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕等優(yōu)良特性，可作為鋼筋、鋼錨桿及鋼質(zhì)錨固件的替代材料等在國(guó)內(nèi)煤炭、交通、市政領(lǐng)域有著一定的應(yīng)用，形成了《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》gb50608-2010等標(biāo)準(zhǔn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決鋼質(zhì)管卡與連接件存在的腐蝕和防護(hù)難題，本發(fā)明的目的在于提供一種無(wú)腐蝕的管道工程水域鉆爆隧道穿越管道的gfrp抗漂浮設(shè)計(jì)方法，為以后滿足使用要求的管道工程抗漂浮提供了設(shè)計(jì)和計(jì)算方法。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種水域鉆爆隧道穿越管道的gfrp抗漂浮設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟1，根據(jù)水域鉆爆隧道穿越管道充水運(yùn)營(yíng)工況計(jì)算管道的延米漂浮設(shè)計(jì)荷載q；

步驟2，根據(jù)管道材料特性、輸送介質(zhì)特性及管道運(yùn)營(yíng)環(huán)境條件確定管道跨距l(xiāng)；

步驟3，根據(jù)步驟1確定的管道延米漂浮設(shè)計(jì)荷載q及步驟2確定的管道跨距l(xiāng)，確定抗漂浮錨固件的抗漂浮設(shè)計(jì)荷載q，其中抗漂浮錨固件包括管卡和gfrp錨固螺桿，且通過(guò)所述管卡和gfrp錨固螺桿將管道固定在混凝土管道支墩上，所述混凝土管道支墩與鉆爆隧道底部巖石段連接，所述管卡沿管道的兩側(cè)分別設(shè)有與gfrp錨固螺桿相對(duì)應(yīng)的螺栓孔，其中，每側(cè)的gfrp錨固螺桿個(gè)數(shù)均為奇數(shù)，且gfrp錨固螺桿長(zhǎng)度滿足施工空間要求；

步驟4，確定單個(gè)gfrp錨固螺桿拉力nl、gfrp錨固螺桿的數(shù)量n和gfrp錨固螺桿公稱外徑d；

步驟5，根據(jù)步驟4確定的單側(cè)gfrp錨固螺桿數(shù)量n/2，結(jié)合gfrp錨固螺桿施工空間要求，確定管卡的長(zhǎng)度b；根據(jù)抗漂浮錨固件的抗漂浮設(shè)計(jì)荷載q和gfrp錨固螺桿的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度f(wàn)u計(jì)算確定管卡厚度b；根據(jù)單個(gè)gfrp錨固螺桿拉力nl和gfrp錨固螺桿的抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度f(wàn)v計(jì)算確定管卡底板厚度a；

步驟6，完成水域鉆爆隧道穿越管道的gfrp抗漂浮設(shè)計(jì)。

進(jìn)一步的，步驟1中的管道的延米漂浮設(shè)計(jì)荷載q根據(jù)下式計(jì)算：

式中，q為管道延米漂浮設(shè)計(jì)荷載，k為抗漂浮穩(wěn)定系數(shù)，od為管道外直徑(m)，id為管道內(nèi)徑(m)，ρw為水密度(kg/m³)，ρg為輸送介質(zhì)密度(kg/m³)，gp為管道延米重量(n/m)。

進(jìn)一步的，步驟3中抗漂浮錨固件的抗漂浮設(shè)計(jì)荷載q根據(jù)下式計(jì)算得到：q＝ql。

進(jìn)一步的，步驟4中的單個(gè)gfrp錨固螺桿拉力nl、gfrp錨固螺桿的數(shù)量n和gfrp錨固螺桿公稱外徑d根據(jù)下式確定：

式中，fu為gfrp錨固螺桿的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度，fk為gfrp錨固螺桿的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，γs為gfrp材料的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值保證率，γ1為gfrp材料的分項(xiàng)系數(shù)，γe為gfrp材料的環(huán)境影響系數(shù)，k1為gfrp錨固螺桿設(shè)計(jì)安全系數(shù)，k2為gfrp錨固螺桿設(shè)計(jì)抗拔安全系數(shù)，qsk為gfrp錨固螺桿與巖石間的粘接強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，d為gfrp錨固螺桿的施工成孔直徑(m)，l4為gfrp錨固螺桿在巖石段內(nèi)的長(zhǎng)度(m)。

進(jìn)一步的，步驟5中所述gfrp錨固螺桿施工空間要求為gfrp錨固螺桿中心間距不小于2.5d，gfrp錨固螺桿中心距管卡的邊緣不小于1.5d。

進(jìn)一步的，管卡厚度b和管卡底板厚度a分別根據(jù)下式計(jì)算得到：

fu為gfrp錨固螺桿的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度，fv為gfrp錨固螺桿的抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明針對(duì)管道工程水域鉆爆隧道穿越管道提出了無(wú)腐蝕的gfrp抗漂浮設(shè)計(jì)方案，為今后gfrp穿越管道抗漂浮體系在管道穿越工程的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述水域鉆爆隧道穿越管道的gfrp抗漂浮裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2和圖3分別為gfrp管卡參數(shù)示意圖；

其中，1-gfrp管卡，2-gfrp錨固件，3-管道，4-混凝土管道支墩。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

某輸氣管道工程管道外直徑od為1219mm，管道內(nèi)直徑id為1182mm，管道延米重量gp為5370n/m，介質(zhì)密度為70kg/m³。鉆爆隧道為3.0mx3.0m的直墻半圓拱形，隧道充水運(yùn)營(yíng)，根據(jù)運(yùn)營(yíng)條件要求，管道設(shè)計(jì)跨徑l為30m，管道支墩采用c30鋼筋混凝土，隧道巖體為中風(fēng)化花崗巖。

水域鉆爆隧道穿越管道gfrp抗漂浮設(shè)計(jì)方法，基于一種水域鉆爆隧道穿越管道的gfrp抗漂浮裝置，如圖1所示，水域鉆爆隧道底部設(shè)有隧道底板，水域鉆爆隧道底部還設(shè)有水溝，混凝土管道支墩4穿過(guò)所述隧道底板與底部巖石段固定連接，所述混凝土管道支墩4頂部設(shè)有與管道3相對(duì)應(yīng)的弧形凹槽，管道3放置于所述混凝土管道支墩4上方，且所述管道3外周通過(guò)gfrp管卡1固定，所述gfrp管卡1底部通過(guò)gfrp錨固件2固定在混凝土管道支墩4上。具體的，所述gfrp管卡1底部設(shè)有管卡底板，所述gfrp錨固件2依次穿過(guò)管卡底板、混凝土管道支墩4和巖石段以固定所述gfrp管卡1。所述gfrp錨固件2為gfrp錨固螺桿，且沿gfrp管卡1兩側(cè)均勻布置。

gfrp錨固螺栓的加工總長(zhǎng)度包括錨桿外露長(zhǎng)度l1、管道支撐高度l2、混凝土管道支墩有效高度l3和巖石段錨固長(zhǎng)度l4，其中管道支撐高度l2根據(jù)管道直徑和支撐角度計(jì)算確定，巖石段錨固長(zhǎng)度l4由計(jì)算錨固力綜合確定。

所述水域鉆爆隧道穿越管道的gfrp抗漂浮設(shè)計(jì)方法包括以下步驟：

步驟1，根據(jù)水域鉆爆隧道穿越管道充水運(yùn)營(yíng)工況計(jì)算管道的延米漂浮設(shè)計(jì)荷載q：

式中，q為管道延米漂浮設(shè)計(jì)荷載，k為抗漂浮穩(wěn)定系數(shù)，取1.15，od為管道含防腐層外直徑，取1.219m，id為管道內(nèi)徑，取1.182m，ρw為水密度，取1000kg/m³，ρg為輸送介質(zhì)密度70kg/m³，gp為管道延米重量，取5370n/m。

計(jì)算得到q＝1.15(11443.2-753.1-5370)＝6118n/m。

步驟2，根據(jù)管道材料特性、輸送介質(zhì)特性及管道運(yùn)營(yíng)環(huán)境條件確定管道跨距l(xiāng)；

本步驟為管道跨度的基本計(jì)算步驟，可采用相關(guān)規(guī)定及方法計(jì)算，本實(shí)施例中選取l為30m。

步驟3，根據(jù)步驟1確定的管道延米漂浮設(shè)計(jì)荷載q及步驟2確定的管道跨距l(xiāng)，確定抗漂浮錨固件的抗漂浮設(shè)計(jì)荷載q：

q＝ql＝6118×30＝183540n

其中抗漂浮錨固件包括管卡和gfrp錨固螺桿，且通過(guò)所述管卡和gfrp錨固螺桿將管道固定在混凝土管道支墩上，所述混凝土管道支墩與鉆爆隧道底部巖石段連接，所述管卡沿管道的兩側(cè)分別設(shè)有與gfrp錨固螺桿相對(duì)應(yīng)的螺栓孔，其中，每側(cè)的gfrp錨固螺桿個(gè)數(shù)均為奇數(shù)，且gfrp錨固螺桿長(zhǎng)度滿足施工空間要求，不宜大于3m；

步驟4，確定單個(gè)gfrp錨固螺桿拉力nl、gfrp錨固螺桿的數(shù)量n和gfrp錨固螺桿公稱外徑d；

步驟4中的單個(gè)gfrp錨固螺桿拉力nl、gfrp錨固螺桿的數(shù)量n和gfrp錨固螺桿公稱外徑d根據(jù)下式確定：

gfrp錨固螺桿的數(shù)量n為：

即每排布置3根錨桿(奇數(shù))

式中，fu為gfrp錨固螺桿的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度，fk為gfrp錨固螺桿的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)《土木工程用玻璃纖維增強(qiáng)筋》jg/t406-2013的規(guī)定，對(duì)16mm～25mm的筋材可取550mpa；γs為gfrp材料的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值保證率，取0.95；γ1為gfrp材料的分項(xiàng)系數(shù)，根據(jù)《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》gb50608-2010的規(guī)定取1.4；γe為gfrp材料的環(huán)境影響系數(shù)，根據(jù)《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》gb50608-2010的規(guī)定取1.6；k1為gfrp錨固螺桿設(shè)計(jì)安全系數(shù)，取1.5；k2為gfrp錨固螺桿設(shè)計(jì)抗拔安全系數(shù)，取1.8；qsk為gfrp錨固螺桿與巖石間的粘接強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)地質(zhì)條件選取，本隧道巖體為中風(fēng)化花崗巖，參考《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》gb50086-2015的有關(guān)規(guī)定，取0.6mpa；d為gfrp錨固螺桿的施工成孔直徑(m)，取為0.042m；l4為gfrp錨固螺桿在巖石段內(nèi)的長(zhǎng)度，取為2m。

目前技術(shù)較成熟、工程應(yīng)用相對(duì)普遍的錨固螺桿桿體直徑為16mm、18mm、20mm、22mm、24mm等幾種，這幾種錨固螺桿施工成孔直徑d都為42mm。根據(jù)錨桿總體長(zhǎng)度不大于3.0m的施工空間要求，初步確定錨固螺桿錨固段長(zhǎng)度即錨固螺桿在巖石段內(nèi)的長(zhǎng)度為2.0m。

步驟5，根據(jù)步驟4確定的單側(cè)gfrp錨固螺桿數(shù)量n/2，結(jié)合gfrp錨固螺桿施工空間要求(gfrp錨固螺桿中心間距不小于2.5d，gfrp錨固螺桿中心距管卡的邊緣不小于1.5d)，確定管卡的長(zhǎng)度b，經(jīng)計(jì)算需布置6個(gè)20mm的gfrp錨固螺桿，gfrp錨固螺桿中心間距為2.5x20mm＝50mm，gfrp錨固螺桿中心距管卡的邊緣最小距離為1.5x20mm＝30mm，管卡最小長(zhǎng)度b為：bmin＝2x30mm+2x(3-1)x50mm＝160mm。

根據(jù)抗漂浮錨固件的抗漂浮設(shè)計(jì)荷載q和gfrp錨固螺桿的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度f(wàn)u計(jì)算確定管卡厚度b；根據(jù)單個(gè)gfrp錨固螺桿拉力nl和gfrp錨固螺桿的抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度f(wàn)v計(jì)算確定管卡底板厚度a；

fu為gfrp錨固螺桿的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度，經(jīng)計(jì)算為233.2mpa；fv為gfrp錨固螺桿的抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度，參考筋材的抗剪強(qiáng)度取110mpa。

步驟6，完成水域鉆爆隧道gfrp穿越管道的抗漂浮設(shè)計(jì)。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。