肖睿書 　閆利國
廣西建筑綜合設(shè)計(jì)研究院

一、前言

　　筆者通過柳州市付鵝溪過溪輸水鋼管的設(shè)計(jì)，結(jié)合GZ—2特種漆適于飲水衛(wèi)生且耐久長(zhǎng)壽防腐技術(shù)應(yīng)用，論述了DN300—1600鋼管支架或支墩大跨度計(jì)算，并分析了內(nèi)壁涂料使水力粗糙系數(shù)比鋼管低與其帶來的節(jié)能效果，其內(nèi)客可供給排水同行參考。
　　我院承擔(dān)了柳州市竹鵝溪DN1200自來水輸水鋼管的設(shè)計(jì)任務(wù)，經(jīng)反復(fù)比選，不采納跨溪架設(shè)偏心鋼筋砼T形梁板支承鋼管并留有維修專用通道方案。其一是管橋上下游附近已有便橋兩座，再插入第三座外觀相似的管橋有礙觀瞻；其二是偏心T形梁板遇到洪水的沖擊結(jié)構(gòu)受力較大而不穩(wěn)定；其三是該方案土建費(fèi)高達(dá)45萬元，比鋼管梁方案土建費(fèi)18萬元，多耗資27萬元。考慮鋼管口徑較大，剛度好，利用鋼管本身作主梁受力十分合理，柳州市自來水公司曾成功地敷設(shè)過支承跨度達(dá)21m的DNl000輸水鋼管，使用數(shù)年效果良好。唯一棘手問題是管外壁普通防腐涂料日曬雨淋易老化脫落，一兩年就要翻修一次。為此，筆者本著務(wù)實(shí)的態(tài)度，查閱了許多有關(guān)資料，并綜合比較了廣東大量采用的GZ---2新型高分子防腐涂料(簡(jiǎn)稱特種漆)和廣西各市自來水公司近年來習(xí)慣使用的重防腐涂料的反饋信息資料，決定管外壁采用特種漆特加強(qiáng)外防腐三布五油漆膜總厚400—420μm的作法，使用壽命延長(zhǎng)至15年，為業(yè)主排憂解難。對(duì)于管內(nèi)壁，則考慮特種漆普通內(nèi)防腐兩底兩面漆膜總厚度80—100μm做法，內(nèi)壁接觸自來水，不見陽光，使用壽命可達(dá)30—50年，由于特種漆表面光滑、其粗糙系數(shù)可視力介于玻璃鋼管(n＝O.008)、紫銅管(助＝0.008)和UPVC排水管 (n＝0.009)三者之間，推薦采用n＝0.00833 進(jìn)行水力計(jì)算，亦可獲得頗佳的節(jié)能效果。

一、過溪DN1200鋼管受力計(jì)算

1、基本數(shù)據(jù)
　　查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GBJ17—88)：
　　鋼管厚度≤20mm屬第1組，抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度[f]取215N／mm²＝21.5kN／cm²，受彎構(gòu)件的容許撓度取1／400—1／300之間為宜，彈性模量E取206×10³／mm²＝2.06×10⁴kN／cm²，經(jīng)研究，水管超載系數(shù)取1.25，截面塑性發(fā)展系數(shù)γ取1.15，要求校核1.25M／γW＝1.25M／1.15W＝1.087M／W＝f≤21.5kN／cm²。
2、簡(jiǎn)支鋼管梁撓度
　　計(jì)算撓度＝O.013ql3／EI
　　先計(jì)算q：
　　外徑D＝122cm，壁厚1.4cm，內(nèi)徑d＝ 119.2cm，鋼管質(zhì)量密度ρ＝7.85kg／dm3，于是：
　　水重：0.7854×11.922×10＝1116(kg／m)
　　管重：3.14×12.06×0.14×10×7.85＝416(kg／m)
　　q＝1116十416＝1532＝15.32kg／cm＝0.1532kN／cm，
　　跨度1取30m，I＝0.0491(D4-d4)＝0.091(1224-119.24)＝964700(cm4)；
　　撓度=0.013×0.1532×30003／2.06×104×9.647×105＝0.013×0.1532×27／2.06×9.647＝0.002706＝1／370介于1／400—1／300之間，符合要求。
　　若按一端固定一端簡(jiǎn)支來校核，則
　　撓度＝0.00543ql3／EI＝0.001128＝1／887，應(yīng)該放心撓度得到了控制。
3、抗彎強(qiáng)度f驗(yàn)算
　　W＝0.0982(D3-d3)＝0.0982(1223- 119.23)=12000(cm3)；
　　M＝0.125 q12＝0.125×0.1532×30002＝172350(kN·cm)
　　f＝1.087M／W＝1.087×172350- 12000＝15.61(kN／cm2)
　　＜21.5kN／cm2，亦不成問題。
4、洪水來臨的水平荷載
　　柳州市防洪部門要求按圓管上下游產(chǎn)生圓管斷面高度1.22m水位差來校核水平推力，這是不可能發(fā)生的，但為確保萬無一失， 按此要求計(jì)算qn＝O.5×1.22×1.22×0.7(0.7為圓管形狀系數(shù))＝0.521(t／m)＝5. 21kN／m＝O.0521kN／cm＜＜0.1532kN／ cm；流速水頭對(duì)圓管的水平推力qn＝0.7×1.22×22／2g＝0.174(t／m)＝1.74kN／m＝0.0174kN/cm。流速水頭對(duì)管支墩的水平推力qv＝V2／2g＝22／2g＝0.204(t／m2)＝2.04kN／m2(對(duì)于圓形支墩需乘以0.7的形狀系數(shù))。
　　從給排水專業(yè)角度出發(fā)，可不需考慮防洪部門提出的水位差原則，但由于柳州市有過四橋人行道架設(shè)水管懸臂挑梁斷裂事故發(fā)生，還是要尊重甲方的意見，但不要把qn＝O.0521kN／cm和0.1741kN／cm疊加起來。
5、管內(nèi)水壓在管道轉(zhuǎn)變處的軸向推力
　　鋼管工作水壓0.45MPa左右，考慮留有余地，按0.55MPa取值，試驗(yàn)壓力為1.1MPa，軸向推力如下：
　　平時(shí)P＝55×0.7854×1.1922＝61.4(r)＝614kN，
　　試壓P＝110×0.7854×1.1922=112.8(t)＝1128kN，
　　請(qǐng)注意試壓是一次性的，持續(xù)16h，不會(huì)在幾十年一遇洪水發(fā)生時(shí)進(jìn)行試壓，拿1128kN對(duì)支墩進(jìn)行核算時(shí)，就不要和洪水對(duì)圓管的水平推力進(jìn)行組合，但可用614kN(具有方向性)力和它組合。對(duì)于擋土墻一側(cè)的支座而言，管道無轉(zhuǎn)彎，此力為零。
6、建議
　　柳州市雖已有DNl000鋼管跨度1＝21m的成功經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，但該市壺西大橋人行道支承DN600鋼管懸挑梁斷裂事故教訓(xùn)亦需吸取，故本設(shè)計(jì)留有余地，取實(shí)際跨度l由計(jì)算30m縮短為27m。

二、DN300——1600鋼管支架或支墩跨度計(jì)算

l、計(jì)算依據(jù)
　　查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GBJ17—88》，鋼管抗彎強(qiáng)度[f]＝215N／mm²＝21.5kN／cm²，容許撓度取1／400～1／300之間為宜，要求計(jì)算f＝1.087M／W≤21.5kN／cm²。彈性模量E＝2.06×10⁴kN／cm²。
　　慣性矩I＝0.0491(D⁴---d⁴)；
　　截面矩W=0.0982（D³-D³）；
　　撓度=0.013ql3/EI(簡(jiǎn)支梁）；
　　撓度=0.00542ql³/EI(一端固定一端簡(jiǎn)支梁）；
　　質(zhì)量密度ρ=7.85kg/dm³；
　　1KG=10n=0.01kN或1t=10kN
2、鋼管壁厚與外徑
　　參照國標(biāo)圖集S311適當(dāng)加厚或保持不變見表1。

3、鋼管梁受力計(jì)算參數(shù)銅陵表2。

4、不保溫輸送冷水鋼管支承間距討論
　　經(jīng)仔細(xì)閱讀《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)施工及驗(yàn)收規(guī)范GB50261—96》9頁表5.1.7、《建筑給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》23頁表1.4—1和國家標(biāo)準(zhǔn)圖集S161有關(guān)大樣和說明后，對(duì)于不保溫的冷水管，可根據(jù)設(shè)計(jì)需要，控制支承間距，當(dāng)DN≥80鋼管支承間距超過S161設(shè)計(jì) 支托吊架間距6m時(shí)，需重新驗(yàn)算或加大支托吊架各種部件如膨脹螺栓、角鋼、槽鋼、吊桿、管卡、管柱、托座等的受力是否足夠承受，為控制管道支承間距的設(shè)計(jì)質(zhì)量，也順便列出不保溫中小冷水鋼管最大支承間距值見表3。

　　注：噴規(guī)DN80～125間距數(shù)字有反常現(xiàn)象請(qǐng)按推薦一欄修正。

三、特種漆在輸水管道中的應(yīng)用

1、簡(jiǎn)介
　　特種漆是原美國軍方的高科技產(chǎn)品，其性能和功效大大超過傳統(tǒng)防腐涂料。是目前最新型無毒防腐涂料。特別是屏障GZ—2防 腐涂料最適宜用于自來水輸水鋼管的內(nèi)外壁防腐及球墨鑄鐵管(Ductile Iron Pipe代號(hào)DIP)的內(nèi)壁防腐。多年來國內(nèi)幾項(xiàng)重點(diǎn)工程使用特種漆后，引起了防腐專家及給排水界的關(guān)注和業(yè)主的好評(píng)，在上海、廣東；廈門、武漢、濟(jì)南等省市享有盛譽(yù)。廣西各市自來水公司近年來在中國城鎮(zhèn)供水協(xié)會(huì)廣東省分會(huì)推薦影響下，仿效珠江三角洲各市水司與湛江 市水司的做法，南寧、上海、欽州、防城港等市水司也開始使用特種漆，嘗到了甜頭。值得一提的是由北京市政工程設(shè)計(jì)研究總院設(shè)計(jì)的南寧市瑯東污水處理廠二期工程；池底鋼管 防腐要求十分嚴(yán)格，總院研究后決定選用GZ--2涂料，污水廠業(yè)主表示全部二期設(shè)計(jì)的鋼管都使用特種漆。
2、特種漆的性能特點(diǎn)
　　特種漆屬改性環(huán)氧——丙烯酸聚氨酯涂料。主要由有機(jī)多羥基丙烯酸酯類均聚物和多異氰酸酯制成另異氰酸酯的預(yù)聚物，再經(jīng)多元胺擴(kuò)聯(lián)聚氨酯，與其分散體經(jīng)離子型或非離子型的分散體混合，同時(shí)加入特殊的穩(wěn)定劑、抗氧劑、促進(jìn)劑；防腐添加劑和顏色填料制得的長(zhǎng)效高性能無毒重防腐涂料，這類經(jīng)改性后的聚氨酯涂料具有不同于任何其它傳統(tǒng)涂料的特異性能。
　　(1)顯著的抗氧性和耐化學(xué)腐蝕性能
　　水和氧氣的滲人是銹的根源，從電化學(xué)反應(yīng)看，活性鐵銹是銹蝕的主要原因。因此漆膜分子結(jié)構(gòu)的緊密直接關(guān)系到漆膜的屏蔽作用，而漆膜本身對(duì)腐蝕介質(zhì)的抵抗能力是涂料質(zhì)量的關(guān)鍵。“屏障涂料不僅濕氣通過率優(yōu)于任何其它傳統(tǒng)涂料，其涂層還能承受在沿海高溫、高濕地區(qū)的鹽水、干濕循環(huán)和工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)各種氣相腐蝕介質(zhì)及海洋大氣環(huán)境中鹽堿介質(zhì)和酸堿交替作用產(chǎn)生的各種腐蝕。經(jīng)過在不同比例不同腐蝕介質(zhì)的溶液中進(jìn)行l(wèi)440h常溫破壞性試驗(yàn)后表明：即使其金屬樣板被腐蝕，其防腐漆膜仍完好無損，并能保 持部分理化性能不變(詳見表4)。

　　(2)優(yōu)異的附著力；柔韌性和高硬度、耐磨性
　　漆膜的動(dòng)態(tài)力學(xué)性主要是指材料的沖擊強(qiáng)度，而沖擊強(qiáng)度與它的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率有密切的關(guān)系。經(jīng)過測(cè)定，特種漆具有優(yōu)秀的耐沖擊性和延展性，屬于一種模量高、耐磨擦、高硬度和附著力強(qiáng)的涂料，且能在一定溫度的環(huán)境中使用（100℃左右)。詳見表5。

　　(3)良好的耐候性
　　光老化往往會(huì)造成漆膜表面及物理性能惡變，最常見的現(xiàn)象是失光、泛黃、龜裂和粉化，甚至脆變剝落。從光降解機(jī)理中可知，樹脂中的自由基是造成光降解的重要中間體，因此促使光穩(wěn)定化的重要手段是清除樹脂中的自由基，而屏障涂料改性樹脂中的經(jīng)基胺和羧基胺醚能有效清除自由基，抑制光氧化。同時(shí)通過抗氧基的作用能有效阻止紫外線的殺傷和穩(wěn)定涂料的保色性，比一般防腐涂料使用壽命延長(zhǎng)三倍以上。
　　(4)簡(jiǎn)便的除銹工藝
　　特種漆除銹工藝較其它防腐涂料更為簡(jiǎn)便，只須用砂紙、鋼絲刷或電動(dòng)砂輪機(jī)將被涂工件表面浮銹、焊渣、油垢及疏松物除去、擦凈達(dá)到平整干燥即可施涂。需要強(qiáng)調(diào)的是被 涂工件表面浮銹、油垢等雜物必須除凈，因浮銹、油垢等雜物會(huì)在工件表層形成一個(gè)隔層，直接影響本產(chǎn)品的附著力和涂裝質(zhì)量。另外，某些工件極易銹蝕，除銹與施涂間隔時(shí)間不宜過久，以免工件表面氧化而影響涂裝質(zhì)量。
　　(5)簡(jiǎn)單的施涂工藝
　　該產(chǎn)品為雙組份涂料，均可采用刷涂、噴涂、輥涂等方法施涂。
　　①防腐涂層結(jié)構(gòu)
　　a.普通防腐型(兩底兩面)
　　一道底漆→一道底漆→一道面漆→一道面漆。干膜厚度80～100μm。
　　b.加強(qiáng)防腐型(一布三油)
　　一道底漆→一層玻璃纖維布→二道面漆。干膜厚度180～300μm。
　　c.重加強(qiáng)防腐型(兩布四油)
　　一道底漆→一層玻璃纖維布→一道底漆→一層玻璃纖維布→兩道面漆。干膜厚度280～300μm。或一道底漆→連續(xù)裹兩層玻璃纖維布→一道底漆→兩道面漆。干膜厚度280～300μm。
　　d.特加強(qiáng)防腐型(三布五油)
　　一道底漆十連續(xù)裹兩層玻璃纖維布→一道底漆→一層玻璃纖維布→一道底漆→兩道面漆。干膜厚度400—420μm。或一道底漆→一層玻璃纖維布→一道底漆→一層玻璃纖維布→一道底漆→一層玻璃纖維布→兩道面漆。干膜厚度400～420μm。
　　②涂料配制
　　隨用隨配，按比例混合，充分?jǐn)嚢杈鶆蜢o置10--15min后再行施涂。
　　③施工粘度
　　拿專用稀釋劑調(diào)整施工粘度。施涂粘度為30～40s。
　　④干燥條件：常溫自然干燥。
　　⑤注意事項(xiàng)
　　a.在配制與施工過程中切忌水、油等物 質(zhì)混入，以免影響工程質(zhì)量。
　　b.施涂底漆、面漆時(shí)，要求涂層均勻，無漏涂。
　　c.纏繞玻璃纖維布時(shí)必須拉緊、平整，不得有皺折、豉泡，纖維布網(wǎng)眼必須灌滿涂料。玻璃纖維布之間搭接寬度不得小于20mm，搭接頭長(zhǎng)度不得小于100mm。纏繞兩層玻璃纖維布時(shí)，各層玻璃纖維布的搭接頭應(yīng)錯(cuò)開。管道兩端的防腐層應(yīng)做成階梯形接茬，階梯寬度不得小于100mm。玻璃纖維布經(jīng)緯密度為10×10根/cm²或12×12根／cm²，厚度應(yīng)為0.12±0.01mm，含堿量不應(yīng)超過12％，無捻、無蠟、平紋、兩側(cè)封邊，受潮的玻璃纖維布必須烘干后方可使用。玻璃布寬度參照表6選用。

　　d.涂刷后的管道或鋼涂件應(yīng)注意避免在運(yùn)輸、吊裝過程中損傷防腐層。若有損傷應(yīng)及時(shí)補(bǔ)涂，否則不準(zhǔn)安裝。
　　e.當(dāng)在管溝內(nèi)進(jìn)行接口防腐涂刷時(shí)，必須清除防腐部位的泥土、水跡；回填土?xí)r應(yīng)避免損傷外防腐層。
　　f.雨雪、霧天不宜在戶外施工。
　　⑥其它
　　a.包裝：4L、20L鐵桶包狀并密封。
　　b.運(yùn)輸：按危險(xiǎn)品考慮運(yùn)輸，防止雨淋和陽光曝曬。
　　c.儲(chǔ)存：勿近火源，在陰涼干燥處密封儲(chǔ)存。
　　d.技術(shù)安全：施工時(shí)須通風(fēng)，禁止明火。
　　3、特種漆小結(jié)
　　(1).特種漆是當(dāng)今涂料市場(chǎng)上的高科技新產(chǎn)品，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到和超過傳統(tǒng)防腐涂數(shù)據(jù)最高水平，因此，完全可以取代傳統(tǒng)防腐涂料。
　　(2)特種漆是一種無毒抗酸、堿、鹽、油、水和大氣腐蝕的良好保護(hù)涂料，適用于各種金屬、木質(zhì)、混凝土構(gòu)件的防腐和保護(hù)。
　　(3)特種漆施工簡(jiǎn)便、干燥快、耐磨擦、附著力好，特別適用于輸水、輸油管道的防腐工程及制鹽、化工行業(yè)、建筑地坪、地板和水工結(jié)構(gòu)防腐防滲漏工程。
　　(4)特種漆的使用壽命比一般防腐涂料長(zhǎng)達(dá)三倍以上，且綜合成本也明顯低于傳統(tǒng)防腐涂料，是現(xiàn)代較理想的防腐涂料。
　　(5)特種漆施涂于鋼管內(nèi)外壁或球墨鑄鐵管內(nèi)壁時(shí)，除使用壽命延長(zhǎng)三倍以上達(dá)到30～50年外，尚可額外地聚理想的節(jié)能效果。
　　眾所周知，鋼管、球墨鑄鐵管(DIP)和鋼筋砼管(RCP)水力計(jì)算粗糙系數(shù)n取0.013，由于特種漆表面光滑，筆者取玻璃鋼管(中英文資料介紹n＝0.008)、紫銅管(給水排水99年7期冷熱水銅管水力計(jì)算探討分析n＝0.008)和UPVC排水管(n保守地取0.009)三種管材的平均值11＝0.00833進(jìn)行水力計(jì)算綜合比較，列出DN300—1600鋼管或DIP內(nèi)壁搪水泥砂漿(代號(hào)水泥)和涂GZ—2特種漆(代號(hào)GZ)水力參數(shù)于表7。

　　注：①鋼管內(nèi)徑取DN(mm)扣除28mm水泥砂漿厚度標(biāo)記水泥代號(hào)，實(shí)際內(nèi)徑有出入時(shí)可自行計(jì)算調(diào)整。②GZ代號(hào)表示內(nèi)涂特種漆，漆膜總厚度小于55μm取500μm，計(jì)算內(nèi)徑扣除1mm。⑧內(nèi)搪水泥A＝0.0017396d^-16/3，涂GZ—2時(shí)A＝O.0017396×O.41059×0.41059d^-16/3，d以m計(jì)。④[Q]為涂GZ—2且流速v＝1.5m／s的流量(m³/s)。⑤V＝KcQ。⑥[I]＝A[Q]2，通用式I＝AQ²(mH₂O／m)。⑦沿程損失欄括號(hào)表示以內(nèi)搪水泥砂漿為100％時(shí)，相應(yīng)內(nèi)涂GZ—2的百分率。

　　從表7可看出，內(nèi)涂GZ與內(nèi)搪水泥相比，管徑越小，水頭損失百分率越小，DN300僅占24.8％，DNl600百分率為37.6％，DN ＞1600時(shí)，百分率介于37.6％與41.1％之間。例1：某工程選用DN800輸水鋼管長(zhǎng)6000m，設(shè)計(jì)流量Q＝752L／s，請(qǐng)估算年節(jié)電多少。解：查表7，年節(jié)電約為752×1.1(3.90 - 1.34)×6×24×365／102×50％＝2180000(kW.h)。若按每度電費(fèi)0.8元計(jì)算，年節(jié)電 費(fèi)約174萬元。特種漆內(nèi)防腐涂料約9噸，需耗資58萬元左右，四個(gè)月的電費(fèi)即可回收此項(xiàng)投資。例2：某工程DNl400DIP主干管 943m，Q＝250L／s，因?yàn)樵摴苁种匾瑪M考慮內(nèi)搪水泥或內(nèi)涂GZ以延長(zhǎng)使用壽命，經(jīng)比較后選用特種漆內(nèi)防腐，可減少水頭損失＝1.1(0.00032203—0.00011917)×2.5²×943＝1.315(mH₂O)，年節(jié)電約為2500×1.315×24×365／102×50％＝565000(kW.h)，年節(jié)電費(fèi)約為45萬元，涂料約需2.5噸，需開銷15萬元，也相當(dāng)于四個(gè)月的節(jié)能費(fèi)用。
　　這里需順便指出的是對(duì)于市政過江河床底部埋設(shè)的輸水主干管而言，建議采用特加強(qiáng)外防腐(三布五油漆膜總厚400—420μm) 和加強(qiáng)內(nèi)防腐(三底三面漆膜總厚120～150μm)，確保使用壽命從30—50年延長(zhǎng)到50年以上，加強(qiáng)型比普通型增加50％的涂料，內(nèi)涂材料施工安裝投資則相當(dāng)于半年的節(jié)電費(fèi)用。
　　(6)GZ—2新型高分子防腐涂料經(jīng)最高權(quán)威部門——中國預(yù)防醫(yī)學(xué)科學(xué)院環(huán)境衛(wèi)生與衛(wèi)生工程研究所檢測(cè)，以W99020編號(hào)于 1999年5月28日發(fā)布衛(wèi)生安全性檢測(cè)測(cè)試報(bào)告，結(jié)論是安全符合《生活飲用水輸配水設(shè)備及防護(hù)材料的安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB／T7219—1998)的標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)防腐符合生活飲用 水的要求，用戶可以放心推廣此項(xiàng)內(nèi)防腐新技術(shù)。