本发明属于混凝土构件，涉及一种超薄预应力混凝土输水管结构及设计方法
背景技术：
1、随着现代社会的不断发展，输水管道作为基础设施的一部分，在城市供水、农田灌溉、工业用水等领域均起着至关重要的作用，传统的输水管道主要采用的材料是常规混凝土，而常规混凝土虽具有一定的强度和耐久性，但其自重较大，导致施工和运输过程中的困难和高成本。此外，由于常规保护层砂浆耐久性差、抗拉强度低，腐蚀溶液容易腐蚀预应力钢丝，进而使管道开裂，甚至爆管，预应力混凝土管耐久性差，需要频繁进行维修和更换，增加了维护成本，因此，迫切需要一种新型的输水管道性能测试方法和结构形式以解决上述存在的问题。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种超薄预应力输水管的结构设计方法，为解决上述问题，既能实现混凝土输水管的轻型化、低成本，又能保证其安全性和耐久性。
2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：提高一种超薄预应力混凝土输水管结构，包括管芯和包覆于所述管芯外侧的预应力保护层；所述管芯包括高强度混凝土管以及插接于所述高强度混凝土层内的钢筒；所述预应力保护层包括缠绕于所述高强度混凝土管外的预应力钢丝，所述预应力钢丝外包覆有超高性能混凝土保护层。
3、还提供一种超薄预应力混凝土输水管的设计方法，包括以下步骤：
4、获取环境参数、所述管芯的结构系数以及所述预应力保护层的结构系数；
5、基于环境参数、所述管芯的结构系数以及所述预应力保护层的结构系数，确定所述输水管的拉应力；
6、基于所述环境参数、所述管芯的结构系数以及所述预应力保护层的结构系数，对所述输水管的拉应变进行验算，确定输水管的拉应变不大于极限值，即输水管的抗拉能力满足要求。
7、优选的，所述管芯结构参数包括高强度混凝土管内径、高强度混凝土管的管壁厚度、钢筒与高强度混凝土管内侧之间的混凝土厚度、钢筒与高强度混凝土管外侧之间的混凝土厚度，高强度混凝土管的抗压强度、弹性模量、弹性阶段抗拉强度和极限抗拉强度、钢筒厚度。
8、优选的，所述预应力保护层的结构参数包括预应力钢丝的截面面积、预应力钢丝的极限抗拉强度和弹性模量、超高性能混凝土保护层的抗压强度、弹性阶段抗拉强度、弹性模量、极限抗拉强度、极限应变。
9、优选的，基于高强度混凝土管的内径，高强度混凝土管的管壁厚度为高强度混凝土管内径的1/28～1/18。
10、优选的，对获得的预应力钢丝进行张拉，预应力钢丝的极限抗拉强度标准值fptk，预应力钢丝的张拉控制应力σcom为0.75fptk。
11、优选的，所述环境参数包括输水管的覆土高度和输水管的内部水压力，还包括输水管的自重、输水管内部水体自重。
12、优选的，根据高强度混凝土管的内径、高强度混凝土管的管壁厚度、高强度混凝土管的弹性模量、超高性能混凝土保护层的弹性阶段抗拉强度、输水管的内部水压力确定预应力钢丝的截面面积，按照公式(1)所示进行计算：
13、ap＝α(1600d-5400hc-15ec+2800p-38fct-3000) (1)
14、其中：hc为高强度混凝土管的管壁厚度(m)，d为高强度混凝土管的内径(m)，ec为高强度混凝土管的弹性模量(gpa)，p为输水管的内部水压力(mpa)，fct为混凝土弹性阶段抗拉强度(mpa)，α为综合影响系数(建议取1～1.2)。
15、优选的，验算输水管的超高性能混凝土保护层砂浆的抗拉能力和变形情况，具体包括以下步骤：
16、进行超高性能混凝土保护层标准组合下应力验算，在标准组合下，管底截面上的边缘最大拉应力超高性能混凝土保护层的抗拉强度为αmεmtem，其中αm是调整系数，进行标准组合下应力验算取值为5，εmt为超高性能混凝土保护层达到开裂强度的应变，em为超高性能混凝土保护层的弹性模量，当认为满足标准组合作用下保护层应力验算；
17、进行超高性能混凝土保护层准永久组合下应力验算，管底截面上的边缘最大拉应力超高性能混凝土保护层的抗拉强度为α’mεmtem，其中α’m是调整系数，准永久组合下应力验算取值为4；εmt为超高性能混凝土保护层达到开裂强度的应变，em为超高性能混凝土保护层的弹性模量，当认为满足准永久组合作用下保护层应力验算。
18、优选的，对超高性能混凝土保护层进行变形验算，施加最不利载荷后，将超高性能混凝土保护层的最不利的最大拉应变εmc与允许拉应变εmt进行比对，包括以下步骤：
19、根据确定的参数建立预应力筒混凝土管有限元模型，所述参数为内部水压力、预应力输水管埋置深度、预应力钢丝的预拉应力，在所述荷载的作用下，通过有限元计算模型得到超高性能混凝土保护层的最大拉应变εmc；
20、根据超高性能混凝土保护层的开裂强度fml和弹性模量em，得到超高性能混凝土保护层开裂应变为εmt＝fml/em，当εmc≤4εmt时，此时产生了微裂缝，认为满足正常使用极限状态。
21、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
22、本发明结合环境参数以及管芯的结构系数和预应力保护层的结构参数确定输水管的拉应变，只有当结果符合比对限制要求时，才将对应输水管结构进行装配使用，同时将输水管设置了由预应力钢丝和超高性能混凝土保护层构成的预应力保护层，有效的保障了输水管结构安全性和高耐久性的实际效果。
1.一种超薄预应力混凝土输水管结构，其特征在于：包括管芯和包覆于所述管芯外侧的预应力保护层；所述管芯包括高强度混凝土管以及插接于所述高强度混凝土层内的钢筒；所述预应力保护层包括包覆于所述高强度混凝土管外的预应力钢丝，所述预应力钢丝外包覆有超高性能混凝土保护层。
2.一种超薄预应力混凝土输水管的设计方法，根据权利要求1所述的超薄预应力混凝土输水管结构，其特征在于，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的超薄预应力混凝土输水管的设计方法，其特征在于，所述管芯结构参数包括高强度混凝土管内径、高强度混凝土管的管壁厚度、钢筒与高强度混凝土管内侧之间的混凝土厚度、钢筒与高强度混凝土管外侧之间的混凝土厚度，高强度混凝土管的抗压强度、弹性模量、弹性阶段抗拉强度和极限抗拉强度、钢筒厚度。
4.根据权利要求3所述的超薄预应力混凝土输水管的设计方法，其特征在于，所述预应力保护层的结构参数包括预应力钢丝的截面面积、预应力钢丝的极限抗拉强度和弹性模量、超高性能混凝土保护层的抗压强度、弹性阶段抗拉强度、弹性模量、极限抗拉强度、极限应变。
5.根据权利要求3所述的超薄预应力混凝土输水管的设计方法，其特征在于，基于高强度混凝土管的内径，高强度混凝土管的管壁厚度为高强度混凝土管内径的1/28～1/18。
6.根据权利要求4所述的超薄预应力混凝土输水管的设计方法，其特征在于，对获得的预应力钢丝进行张拉，预应力钢丝的极限抗拉强度标准值fptk，预应力钢丝的张拉控制应力σcon为0.75fptk。
7.根据权利要求4所述的超薄预应力混凝土输水管的设计方法，其特征在于，所述环境参数包括输水管的覆土高度和输水管的内部水压力，还包括输水管的自重、输水管内部水体自重。
8.根据权利要求7所述的超薄预应力混凝土输水管的设计方法，其特征在于，根据高强度混凝土管的内径、高强度混凝土管的管壁厚度、高强度混凝土管的弹性模量、超高性能混凝土保护层的弹性阶段抗拉强度、输水管的内部水压力确定预应力钢丝的截面面积，按照公式(1)所示进行计算：
9.根据权利要求7所述的超薄预应力混凝土输水管的设计方法，其特征在于，验算输水管的超高性能混凝土保护层砂浆的抗拉能力和变形情况，具体包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的超薄预应力混凝土输水管的设计方法，其特征在于，对超高性能混凝土保护层进行变形验算，施加最不利载荷后，将超高性能混凝土保护层的最不利的最大拉应变εmc与允许拉应变εmt进行比对，包括以下步骤：
