一、椭圆管截面参数设计

欧美国家在城市排水管道的中、小管径系统中常用混凝土椭圆管和卵形管。优点主要在于：（1）在同样过水面积条件下，顶弧直径小，因而结构内力减少，配筋可减少，材料用量降低，成本降低；（2）横向尺寸减小，在地下管线密布、水平布置有困难的场所使用，有其特殊优点；（3）底部断面小，流水速度大，利于管道自洁；（4）带有混凝土底座，有提高承载力的作用。异形混凝土管的断面设计难点是合理确定各截面尺寸又符合结构受力等最优原则。

根据有限元初步分析结果最终选择结构断面，首先确保管材在裂缝荷载作用下仍处于弹性阶段，裂缝荷载是水泥管按三点法加载时，管壁裂缝宽度为0.2mm时的荷载值。通过线性分析计算得到管材最大拉应力值；其次根据设计强度选择合适配比的RPC，使材料的抗拉强度略高于管材最大拉应力值，以使管材不出现宏观的裂缝。最终选择管内宽为400mm，内高为600mm，过水面积为0.19mm2，相当于圆管内径为491mm，管壁厚选取50mm。管内是高600mm、宽400mm的椭圆，管顶厚50mm，管侧厚30mm，管底厚50mm，底座宽度为240mm。如图1所示。

  
图1 椭圆管截面定型示意  图2 异形椭圆水泥管模具

二、异形椭圆管道制作

根据管材截面参数，可知管材内部为四段圆弧拼凑而成，外部是由三段圆弧加上直线组成，依据此特性，采取定制水泥管模具进行生产，如图2所示。水泥管模具主要由内模、外模和底模组成，内模为一个整体，在管侧壁有一个螺栓控制侧边豁口以方便脱模；外模由上下两部分通过两侧的螺栓控制组合而成，沿着径向由四段钢片焊接组成。底模主要为了控制截面尺寸并封住管材一端防止漏浆，通过螺栓与外模具牢固连接。由于内外模是分离的，在振捣棒振捣过程中容易造成内模的移动形成壁厚误差，因此在管材振捣过程中，在侧壁和管顶管底分别有与截面厚度匹配的四个钢片卡在控制点处，防止内模与外模的相对滑动，造成尺寸误差。管道采有振捣棒振捣的立式成型，蒸汽养护。

三、试验原材料选择

活性粉末混凝土（RPC）是一种高性能混凝土，主要由超细活性粉末、水泥、优质骨料、高强度纤维等组成，是通过最优化级配设计，经高温热合等特写工艺制备的高技术复合材料。研究表明，这种材料抗压强度可达200MPa。钢纤维掺入使得RPC具有更好的延性，克服了超高强混凝土的脆性问题。根据RPC轴心受拉应力-应变曲线，RPC的极限抗拉强度可达14MPa，大大优于普通钢筋混凝土极限抗拉强度1～2MPa。本次设计研究的是直径500mm的管道，根据《混凝土和钢筋混凝土排水管》GB/T 11836-2009公称直径500mm的钢筋混凝土排水管的裂缝荷载为44KN/m，破坏荷载为68KN/m。

四、结论

本文对活性粉末混凝土椭圆形水泥管力学性能进行相关试验分析，按国家标准进行试验，结果表明：

1. 纤维增强活性粉末混凝土是一种理想的制作椭圆形管道的材料，试验表明可以用此种材料设计和生产出性能良好的异形排水管道。

2. 试验中采用RPC材料抗拉强度达8MPa，结果表明该管裂缝荷载远大于规范要求，考虑经济原则，实际生产时可选用抗拉强度5～7MPa的材料更为经济些。

3. 在规范要求裂缝荷载0.2mm工作条件下，RPC管道未出现裂缝，加上材料本身具有良好的耐久性，因此RPC管可用在耐久性要求较高的环境。

4. 由于RPC材料价格原因，RPC椭圆管适用于300～1200mm左右断面较为经济，大断面用混凝土管较为合适。