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：σ——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：σx、σθ、σr——轴向、环向、径向正应力（N/mm²），以拉为正；
τθx ＋τθr＋τXr——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。
10.4.3 对管道较长、水头较大的倒虹吸管，按不同水头分段计算荷载时，通常对50m以下水头的管段，用10m一级进行计算；对50m以上水头的管段，用5m一级进行计算。
10.4.4、10.4.5 关于现浇钢筋混凝土管说明如下：
（1）现浇钢筋混凝土管（包括圆形和矩形）具有耐久、价廉、变形小、节约钢材、制造简便、糙率变化小、抗震性能好等优点，应用非常广泛。按其过水断面形状不同，常用的有钢筋混凝土圆形管与钢筋混凝土矩（箱）形管两大类。
（2）钢筋混凝土圆形管由于其受力条件和水力条件均较好，在一般倒虹吸管设计中是优先考虑采用的结构形式。但由于受施工条件限制，一般其管径不宜大于4m，否则施工难度增大，因此过水流量受到一定限制。另外因其抗裂性能较差，所以能够承受的水头（内水压力）也受到了一定限制，因此当水头H＞50m～60m时，一般要采用抗裂性能和防渗性能均较好的其他材料管道，如预应力钢筒混凝土管、钢管等。
钢筋混凝土圆形管管身内力计算是弹性理论空间问题，计算复杂，适用于特殊重要管道。对于常规管道宜简化为纵、横向两个平面问题分别计算。即横向按封闭的圆环形结构计算，纵向按截面为圆环形的梁计算。
横向内力计算：通常取1m管长作为计算单元，按管壁厚度δ和平均半径rc的比值δ/rc先判别属于薄壁管还是厚壁管，然后进行内力计算。
薄壁管内力计算：按一个三次静定的圆环形结构计算，当作用在管道上的荷载及其相应的管座反力确定后，即可按结构力学的弹性中心法求解内力。宜分别计算在各项荷载作用下的管道内力，然后叠加求出管道在设计荷载组合作用下的截面最大内力（M、N）。
厚壁管内力计算，在理论上应按弹性力学平面问题求解内力。由于计算工作量大，故除均匀内（外）水压力作用下所引起内力（应力）按此方法计算外，其他荷载所引起内力宜按薄壁管的结构力学方法计算。
纵向内力计算：圆形钢筋混凝土管的纵向管座形式，分为连续式管座与间断式管座两大类，其纵向的结构计算也相应分为两大类。
连续式刚性管座上管身的纵向内力计算，宜按弹性地基梁计算。由于管座是刚性结构，其弧形支承面上都铺设有便于管身随温度变化而自由滑动伸缩的材料（如沥青油毡等），管身每节长度均控制在一定的防裂范围之内，因此采用这类管座形式的管身纵向内力通常不是设计控制条件，可不进行计算，在管壁内按抗裂的构造要求布置纵向钢筋即可。
间断式管座上管身的纵向内力计算，宜按横断面为圆环形的梁式管计算。其应力状态与管道跨长L和管身内径D（宽度）的比值有关：
当
≥3时，按长壳近似用梁理论计算。
当
≤＜3时，按圆柱形中长壳的弯曲理论或半弯曲理论计算。
当＜时，按短壳的弯曲理论或半弯曲理论计算。
拟定架空梁式管道的跨度时，应尽量使其≥3，满足长壳条件，以便采用比较简单的梁理论进行计算（按圆环形截面的简支梁、双悬臂梁、连续梁等）。
（3）钢筋混凝土矩形箱式管施工方便，适用于过水流量较大，地基条件较差的倒虹吸管。若管顶填土压力较大时，则需将其顶底部改成圆弧形，以改善其受力条件，减少工程量和工程造价。
钢筋混凝土矩形倒虹吸管按规模大小其各部位壁厚可设计为等截面或变截面，按布置方式可分为单孔管和多孔管。
矩形管的横向内力计算的计算简图应按布置取为单孔或多孔闭合刚架，各个杆件的计算长度为杆件形心轴之间的距离，即水平杆件的计算长度为竖直杆件形心轴轴线间的距离，竖直杆件的计算长度为顶底板形心轴轴线间的距离。矩形管内角加腋的作用显著，但加腋边长β≤0.1L（L为孔跨）时应不考虑其影响，按等截面计算。
单孔或等跨多孔等截面矩形倒虹吸管的横向内力计算应沿水流方向截取一米长管段，按闭合刚架计算其内力。根据各项不同外荷载分别采用相应公式计算出各杆内力，然后按荷载组合将其叠加求得最终的各项内力。不等截面或不等跨矩形倒虹吸管的横向内力计算宜用结构力学方法进行计算，特大型矩形倒虹吸管宜采用有限元方法进行应力分析。
10.4.6 关于预应力钢筋混凝土管说明如下：
1 预应力钢筋混凝土管由于抗裂和抗渗性能均比普通钢筋混凝土管好，而且比同直径、同水头条件下的普通钢筋混凝土管省20％～30％钢筋，比钢管省60％以上的钢材，因此在我国应用比较广泛。但预应力混凝土管壁薄、性脆、抗外压能力低、施工技术比较复杂、远程运输后预应力可能会有一定损失等，所以在推广使用上受到一定限制。
2 预应力钢筋混凝土管按其施加预应力方法不同，分为三阶段工艺法、一阶段工艺法和自应力制管工艺法三种。其中自应力制管工艺法，限用于管径D≤600mm及承受水头较低的中小型管道的制作。三阶段法具有工艺较简单、设备投资少、钢筋预应力值容易控制、承接口光滑等优点，但其质量不如一阶段法好，加之车间卫生条件差、耗用水泥多等缺点，现很少采用。目前，一般工厂或现场生产多采用一阶段法生产，其质量好、水泥省。如湖南大圳灌区新安铺倒虹吸管，管径D＝2.0m，设计水头H＝140m，管壁厚3＝130mm，就是采用一阶段法生产的。
10.4.7 关于钢管说明如下：
（1）钢制倒虹吸管由于管壁材料具有很高强度和不透水性，并具有管节可以较长（伸缩节之间间距可达70m～80m）、接头少、表面光滑、糙率系数小、水头损失小等特性，故可用于一般水头较高（H＞50m）、管径较大的倒虹吸管工程。其缺点是刚度较小，承受外荷的能力较小，不宜用于回填土较大的情况。而且其制造技术要求较高，防锈与维护费用也高，其耐久性不及钢筋混凝土管，故在倒虹吸管中采用较少，常被预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管所取代，只在桥式倒虹吸等有特殊要求地方采用。如引大入秦灌溉工程总干渠上的先明峡倒虹吸管，设计水头167m，设计流量32m3/s，采用2根管径为2.65m钢管。
（2） 钢制倒虹吸管的结构设计，实质就是压力钢管设计问题。其具体计算要求、理论公式及方法与水电站压力钢管设计基本一样。因此在本条中，只列出了设计中对几个主要问题（管壁厚度、允许应力、应力计算要求等）的要求，其详细设计计算要求及计算公式参见现行行业标准《水电站压力钢管设计规范》SL 281。
10.4.8 关于预应力钢筒混凝土管说明如下：
预应力钢筒混凝土管又称PCCP管（Prestressed Concrete，Cylinder PiPe），在美国、加拿大等国的管网工程应用比较普遍。我国于1987年～1988年引进PCCP管生产技术，目前在我国的引水工程中，已有不少工程开始大量采用，因他可以工厂化、标准化、定型化、成批量生产，适用于高水头，大流量（管径较大）。它比钢管造价低，维修工作量小，是一种具有推广价值的好管材，缺点是重量较大，运输和施工不便。
现行国家标准《预应力钢筒混凝土管》GB/T 19685对保证这种管材生产的质量提供了必要的依据。
10.4.9 关于玻璃钢夹砂管说明如下：
玻璃钢夹砂管又称GRP管（glass reinforced plastics），通常是指玻璃纤维增强树脂塑料管，属热固性塑料管。
（1）玻璃钢夹砂管特点：
耐腐蚀性能好。在一般情况下，能够长期保持管道的安全运行。
抗老化性能和耐热性能好。玻璃钢夹砂管可在40℃～70℃温度范围内长期使用，采用特殊的耐高温树脂还可在200℃以上温度下正常工作，也可长期用于露天使用的管道。其外表添加有紫外线对管道的辐射，可延缓玻璃钢夹砂管的老化。
抗冻性能好。可用于零下20℃以下，管内结冰后，不会发生冻裂。
重量轻，强度高，运输方便.安全技术简单，容易安装各种分支管。
水力条件好，内壁光滑，不结垢，不生锈，水阻小。
在阳光直接照射下易老化，不宜露天式布置。
受力不均时管身容易变形，并导致接头处漏水。
（2）玻璃钢夹砂管管壁一般按其功能不同可分为三大层：即防腐防渗内衬层、结构层、表面层（外保护层）。
防腐防渗内衬层又分为内表面层和次内层。其中内表面层的树脂含量在90％以上，也称作富树脂层，可根据介质不同选用合适树脂。内表面层的作用主要是防腐蚀、防渗漏。次内层含一定量的短切纤维，但树脂含量仍高达70％～80％，其作用是防腐、防渗的第二道防线。内衬层总厚度为1.5mm～5.0mm。
结构层的作用主要是承受荷载，抵抗变形，它是由连续纤维缠绕层和树脂砂浆层组成。
表面层由抗老化添加剂（如紫外光吸收剂）和树脂配制而成。它主要是防老化。管外表面的巴氏硬度应不小于40。
（3）玻璃钢夹砂管在我国已经标准化、定型化在工厂成批生产，其管道配套件齐全，设计工作可由生产厂家自主完成。在采购中只须明确管径、管道长度（纵剖面布置）工作压力、覆盖土厚度、土壤类别以及地面荷载等技术参数和要求即可。
（4）目前我国有许多厂家生产玻璃钢夹砂管，管径300mm～3100mm，压力等级0.1MPa～2.5MPa，管道刚度1250N/m²～10000N/m²。采用玻璃钢夹砂管的工程也很多，如新疆某供水工程，全长400km，全部采用玻璃钢夹砂管。其中小洼槽倒虹吸管全长13km，直径为3100mm，刚度为7500N/m²。压力为0.4MPa，总工程量达1.433万t。是目前我国采用玻璃钢夹砂管口径最大、用量较多的工程实例。
- 上一节：10.3 水力设计
- 下一节：10.5 细部结构设计
