浅议钢衬钢筋混凝土管道

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由于输水管道无论从构造或者是荷载情况都和水电站的压力管道相似，所以再设计长距离高水头差的输水管道时，一般都参考水电站压力管道的研究成果。事实上输水管道和压力管道还是有一定区别的。有些输水管道对管径的要求往往并不像压力管道那么苛刻。例如本文的张家湾输水管道，虽然水头差有600米，但管直径选1米就足够了。这样从一定程度上，稍微减轻了高水头给设计带来的难度。

水电站的压力管道是其关键性结构物之一。随着水电工程的规模日益巨大，压力管道也日趋巨型乃至超巨型化。常规的形式和设计方法已经难以满足需要，人们需要不断探索新结构、新材料和新方法。对于高水头的大型水电站，常见的压力管道形式一般是钢管和钢衬混凝土管。

钢筋混凝土管耐久、价廉、变形小、节约金属材料、制作简便，并且历史悠久，技术成熟。但由于混凝土抗裂性能较差，所以钢筋混凝土管一般用于小型水电站的压力管道和低水头的输水管道。但对于高水头的输水管道，也有工程在管道前段采用。例如四川的冷竹关水电站压力管道，在1714～1548米水头处，采用了衬砌厚度为40厘米的钢筋混凝土管。

钢管的模型容易建立，计算也简单，但是却有着一些缺陷。为了抵抗高水头，钢管的管壁一般需要消耗大量的钢材。而管壁如果过后，不仅仅是需要更多的钢材，还会大大增加对板材加工和安装的难度。况且，任何的材料不可能完全的均匀，加工、焊接和安装中也难免存在缺陷。所以压力钢管的失事风险，特别是经过长期运行后总是存在的。巨型钢管一旦爆裂，后果不堪设想。

钢衬钢筋混凝土压力管道是近年来我国发展迅猛的新结构形式。我国在80年代中期首先应用于东江和紧水滩水电站，取得了明显的技术经济效益。经过进一步论证，在三峡水电站中，26根直径达12.4米的压力管道均采用了钢衬钢筋混凝土结构，这是一个很大的飞跃。钢筋混凝土管不但经济，而且安全。因为将钢衬和钢筋混凝土两种性能迥异的材料组合在一起受力，而且各取适当的安全度后，要使两者刚巧同时达到破坏而造成毁灭性事故的风险就大大的降低了。这也是三峡工程中采用联合受力方案的主要因素。

但是钢衬钢筋混凝土管也有自己的缺点。要对这种巨型联合体系作精确分析却有相当的难度，而常规的简单计算或线性分析又显然不能满足工程需要。因为在分析中，不仅要考虑两种体系的联合承载，而且必须考虑钢筋混凝土的开裂、开裂后的非线性性质并控制裂缝宽度。为了解决这些问题，专家们引入了有限元的分析方法，而ANSYS等软件的应用使得这些方法变得很容易实践了。通过有限元的分析和优化，可以得到相对精确的设计方案。