一、橢圓管截面參數設計

歐美國家在城市排水管道的中、小管徑系統中常用混凝土橢圓管和卵形管。優點主要在于：（1）在同樣過水面積條件下，頂弧直徑小，因而結構內力減少，配筋可減少，材料用量降低，成本降低；（2）橫向尺寸減小，在地下管線密布、水平布置有困難的場所使用，有其特殊優點；（3）底部斷面小，流水速度大，利于管道自潔；（4）帶有混凝土底座，有提高承載力的作用。異形混凝土管的斷面設計難點是合理確定各截面尺寸又符合結構受力等最優原則。

根據有限元初步分析結果最終選擇結構斷面，首先確保管材在裂縫荷載作用下仍處于彈性階段，裂縫荷載是水泥管按三點法加載時，管壁裂縫寬度為0.2mm時的荷載值。通過線性分析計算得到管材最大拉應力值；其次根據設計強度選擇合適配比的RPC，使材料的抗拉強度略高于管材最大拉應力值，以使管材不出現宏觀的裂縫。最終選擇管內寬為400mm，內高為600mm，過水面積為0.19mm2，相當于圓管內徑為491mm，管壁厚選取50mm。管內是高600mm、寬400mm的橢圓，管頂厚50mm，管側厚30mm，管底厚50mm，底座寬度為240mm。如圖1所示。

  
圖1 橢圓管截面定型示意  圖2 異形橢圓水泥管模具

二、異形橢圓管道制作

根據管材截面參數，可知管材內部為四段圓弧拼湊而成，外部是由三段圓弧加上直線組成，依據此特性，采取定制水泥管模具進行生產，如圖2所示。水泥管模具主要由內模、外模和底模組成，內模為一個整體，在管側壁有一個螺栓控制側邊豁口以方便脫模；外模由上下兩部分通過兩側的螺栓控制組合而成，沿著徑向由四段鋼片焊接組成。底模主要為了控制截面尺寸并封住管材一端防止漏漿，通過螺栓與外模具牢固連接。由于內外模是分離的，在振搗棒振搗過程中容易造成內模的移動形成壁厚誤差，因此在管材振搗過程中，在側壁和管頂管底分別有與截面厚度匹配的四個鋼片卡在控制點處，防止內模與外模的相對滑動，造成尺寸誤差。管道采有振搗棒振搗的立式成型，蒸汽養護。

三、試驗原材料選擇

活性粉末混凝土（RPC）是一種高性能混凝土，主要由超細活性粉末、水泥、優質骨料、高強度纖維等組成，是通過最優化級配設計，經高溫熱合等特寫工藝制備的高技術復合材料。研究表明，這種材料抗壓強度可達200MPa。鋼纖維摻入使得RPC具有更好的延性，克服了超高強混凝土的脆性問題。根據RPC軸心受拉應力-應變曲線，RPC的極限抗拉強度可達14MPa，大大優于普通鋼筋混凝土極限抗拉強度1～2MPa。本次設計研究的是直徑500mm的管道，根據《混凝土和鋼筋混凝土排水管》GB/T 11836-2009公稱直徑500mm的鋼筋混凝土排水管的裂縫荷載為44KN/m，破壞荷載為68KN/m。

四、結論

本文對活性粉末混凝土橢圓形水泥管力學性能進行相關試驗分析，按國家標準進行試驗，結果表明：

1. 纖維增強活性粉末混凝土是一種理想的制作橢圓形管道的材料，試驗表明可以用此種材料設計和生產出性能良好的異形排水管道。

2. 試驗中采用RPC材料抗拉強度達8MPa，結果表明該管裂縫荷載遠大于規范要求，考慮經濟原則，實際生產時可選用抗拉強度5～7MPa的材料更為經濟些。

3. 在規范要求裂縫荷載0.2mm工作條件下，RPC管道未出現裂縫，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較高的環境。

4. 由于RPC材料價格原因，RPC橢圓管適用于300～1200mm左右斷面較為經濟，大斷面用混凝土管較為合適。