海底混凝土管道的预制设计侯雷、曾鸿、谈维汉（深圳大华水泥制品有限公司）【摘要】本文介绍了港珠澳大桥工程中一段安放在海底的DN1500混凝土管道的预制设计过程，探讨了处于海水环境中的混凝土管道所采用的原材料选择、配方设计、结构计算及生产工艺等问题。
【关键词】海洋混凝土管道设计一、研制背景港珠澳大桥（Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge）连接香港大屿山、澳门半岛和广东省珠海市，全长为49.968公里，总投资近千亿。
工程路线起自香港国际机场附近的香港口岸人工岛，向西接珠海/澳门口岸人工岛、珠海连接线，止于珠海洪湾。
港珠澳大桥建成后将成为世界最长的跨海大桥。
她也将连起世界最具活力经济区，快速通道的建成对香港、澳门、珠海三地，经济社会一体化意义深远。
图1 港珠澳大桥位置示意图2 港珠澳大桥效果图文中提到的工程位于港珠澳大桥项目香港人工岛上，是其中一段重要的排水管道，设计管道内径为Φ1500mm，从岸上一直延伸到海里，施工上分为陆上支护开槽铺设、岸边支护围堰铺设以及海底对接铺设等集中工艺。
除了浸泡在海水中要达到防腐、抗氯离子要求外，还要配合施工工艺，实现安装铺设，所以在设计、生产上都有较高的要求。
根据设计图纸和实际的施工环境，本批次的混凝土管道有着非常严格的技术要求，包括了原材料的各项基本指标和混凝土的性能，甚至生产工艺等，部分如下：1、原材料要求砂石碱活性反应：合格砂石规格要求：单粒级配10mm和20mm石子、中砂砂石氯离子含量：不超过0.05%砂石集料碱含量：最大不超过6%、LA损耗：最大不超过30%石子针状含量不超过35%、片状含量不超过30%拌合用水：符合自来水要求2、混凝土性能混凝土强度等级：C45以上，水灰比：不得超过0.38水泥胶凝材料：总灰量范围380~450 kg/m3，粉煤灰掺量要求：25~40%，微硅粉掺量要求：5~10%氯化物含量：不得超过0.02%，氯离子渗透要求：100~1000 库伦（香港标准CS1：2010 ）酸溶性硫酸盐含量：不超过4%3、生产工艺要求混凝土干湿度：VB值5~30S成型后管道表面光滑度：F2光面级混凝土浇筑温度：不得超过32℃二、管道结构设计本工程按BS 5911:Part100:1988标准要求选用管道的外压级别（Crushing Load）,荷载级别为“H”级，接头型式可以采用企口式或承插口式，考虑到生产条件、施工条件以及柔性接头的特点，最终选定承插口的接头型式。
由于该管道处于海水环境中，防腐以及抗氯离子等耐久性要求高，设计设计要求钢筋的混凝土保护层厚度达到75mm，这在预制构件中是很少见的，而且对于构件的配筋和抗裂都很不利。
经过初步设计计算，我们最终确定了管道壁厚加大到240mm，单根管有效长度为2500mm，同时在混凝土的设计上采用了纤维混凝土，以提高混凝土的抗裂性能。
这里简单介绍一下管道的配筋计算。
圆管计算参数:内径D=1500mm 破坏荷载P=165kN/m（H级）壁厚t=240mm 保护层厚度c=75mm C45混凝土参数（按国标GB50010）：f tk=2.51N/mm2f t=1.80 N/mm2f ck=29.6 N/mm2f c=21.1 N/mm2钢筋采用冷拉带肋钢筋，级别CCR550：f y=360 N/mm21、确定管道上下受压弯矩系数为：K内=0.318 K外=0.128 r o=(D+t)/2=0.87计算内壁弯矩值：M内= 0.87x0.318x165 = 45.65kN/m计算外壁弯矩值：M外= 0.87x0.128x165 = 18.37kN/m2、配筋计算：A S={a1f c bh o-[( a1f c bh o)2-2Ma1f c b]1/2}/f y其中a1=1.0 b=1000mm h o=240-75=165mm代入计算可得：A内=804 mm2/m A外=315mm2/m设计配筋量：内笼øL9.0@60（As=1066）外笼：øL9.0@110（As=578）3、最大裂缝验算：W max=1.8φσsq(1.5c+0.11d/ρte)(1+ a1)V/E s其中：φ=1.1-0.65f tk/(ρteσsq a1) ρte=A S/0.5bh oσsq=M/0.87h o A s a1=0 a2=1.0 V=0.7代入计算可得：W max= 0.24 ＜0.25 （合格）4、设计复核：考虑该管型保护层过厚、验算时最大裂缝已经接近允许值，还需要增加保险系数。
①、增大内笼配筋用量：内笼采用øL9.0@45（As=1413）②、根据配方试验，混凝土强度平均值达到65.10 MPa,另外加入聚丙烯纤维后，混凝土的抗拉强度也明显提高，可达到C50级别，f kt=2.64 N/mm2。
③、据此再进行复核计算，W max=0.16mm5、通过配筋计算和混凝土试验，最终确定实际生产采用配筋为：内笼：øL9.0@45mm 外笼øL9.0@90mm 纵筋采用24ø7.0mm三、管道生产设计经过初步设计和试验分析，尽管技术指标要求较高，但只要我们严格按照设定的控制指标和工艺要求来做，是可以保证产品质量符合设计要求的。
当然，为了万无一失，我们还增加了一些前期实验和试生产，全部演练符合后才正式进行到批量生产。
1、主要原材料的选择（1）水泥：根据以往的实验与生产经验，我们还是选用英德某公司生产的P.II52.5级别水泥，主要化学分析、物理性能实验结果如表1、表2。
表1 水泥化学成分分析结果表2 水泥物理性能实验结果活性反应膨胀率＜0.1、吸水率≤1%，细骨料采用氯离子含量＜0.01%的河砂。
骨料的碱活性反应膨胀值、吸水率结果见表3。
表3 骨料碱活性反应膨胀值与吸水率实验结果（3）、粉煤灰、微硅粉：经过对比使用选用了黄埔电厂I级粉煤灰与东蓝星的EBS微硅粉(SiO2≥92%)。
（4）、聚丙烯纤维：根据管道强度设计要求，经过试验确定，混凝土中掺加了聚丙烯纤维以增强混凝土的抗裂指标，纤维的部分技术指标见表4。
表4 聚丙烯纤维部分技术指标2、配方设计根据香港特区的设计规范与混凝土配比的设计要求，结合我们实际生产经验，我们初步设计了两个配方进行试配（详见表5、表6），最终选取了掺加10%微硅粉的配方作为生产使用配方。
表5 混凝土配方设计表6 生产性连续试配实验结果3根据客户要求以及上述的我们初步设计和试验，在确保了原材料的品质和供应后，就是实际的生产工艺控制问题了。
根据设计要求，我们必须控制好以下几个方面：（1）、混凝土温度控制：该批管道的生产是在10月份，而且是户外作业，环境温度较高，加上混凝土的水化热，在不采取措施的情况下，浇筑时混凝土的温度可以达到40℃以上，这就无法符合客户要求。
同时，温度过高会使得混凝土内部产生收缩裂纹，影响混凝土的强度和管道质量。
根据以往的生产经验，我们采取了双重降温的方式，一方面是原材料降温，每天提前洒水冲洗，待含水率稳定后在傍晚把砂石料入仓遮盖，防止太阳暴晒；另一方面是以冰代水，用食用碎冰代替部分的搅拌用水，直接投放到搅拌机，有效控制了混凝土温度问题。
（2）钢筋混凝土保护层的控制：设计要求保护层达到75mm，这个除了对结构有影响外，也不利于实际生产，为了确保保护层厚度，必须采用专门的混凝土垫块。
因为垫块尺寸较大，做垫块的混凝土材料也必须采用管身混凝土的配方来制作，否则将影响到管身局部的混凝土性能。
为此，我们专门设计了一种垫块的形式，制作了钢模，用于生产混凝土垫块（图3），垫块绑在钢筋笼上不易移动（图4），也很好地保证了钢筋的保护层达到规定要求。
图3 垫块示意图4 垫块定位示意（3）、混凝土的振动密实：由于硅粉、粉煤灰的加入，混凝土的工作性能得到了一定的改善，但考虑到碎冰的冷却时间以及纤维均匀分散，在搅拌时间上我们还是进行了延长，搅拌时间由常规的180s提高到300s。
另外，由于我们采用的是低水灰比的干硬性混凝土，振动致密的时间也必须足够，实际生产在下料完成后必须保证有6min以上的振动时间，才能保证混凝土的充分密实。
（4）、保湿养护：混凝土在凝结过程需要消耗水份，并产生热量，养护不好会导致混凝土开裂、强度降低等问题，为了保证产品质量，我们采取保湿养护的方法，在管道脱模收光后立即使用帆布做的圆筒形袋子覆盖起来，防止水份流失、保持混凝土湿润，并定时洒水保湿。
在养护3天后可以放倒，堆放在成品区，再继续进行淋水保养，直至达到产品出货要求。
四、试验结果在第一批管达到养护龄期后，我们在场内进行了安装试验、内水压试验、外压试验（图5、6），并钻取芯样送到香港相关试验室进行快速的氯离子渗透性试验（图7），结果全部达标，证明我们的设计是合理的，生产工艺控制也是满足要求的。
图5 安装及内水压试验图6 外压试验图7 氯离子渗透试验五、结束语目前该工程已经完成过半，产品应用良好。
经过这次的新产品的设计和生产，我们深深地体会到，混凝土制品的扩展性，其性能还可以有更多的提升和改善，满足更多的设计要求和使用环境。
但在生产前，我们必须进行详细的设计分析，考虑更多的可能性，并通过系统的试验验证，才能确保产品质量，满足设计要求。
【参考文献】[1] GB50010 混凝土结构设计规范[2] Particular Specification(Section C03-C29)[3] BS 5911:Part 100:1988 Precast concrete pipes, fittings and ancillary products Part 100.[4] BS EN 1916：2002 Concrete pipes and fittings, unreinforced, steel fibre and reinforced[5] BS 882:1992 Specification for aggregates from natural sources for concrete[6] Construction Standard CS1：2010,香港特别行政区政府[7] 尹晓光：耐久性混凝土预制件的制作工艺分析[J].广东建材，2014（12）：36-40。