高 強(qiáng)

考慮位移效應(yīng)的直埋供熱管道固定墩受力分析

高 強(qiáng)

按錨死固定墩和按允許固定墩有位移兩種情況,分析了安裝在直埋供熱管道上固定墩的受力,綜合考慮固定墩與回填料的土壓力和摩擦力的作用,提出了兩種情況下固定墩的受力計(jì)算公式。

直埋供熱管道,固定墩,位移,受力

0 引言

供熱管道敷設(shè)方式主要有以下幾種：架空敷設(shè)、地溝敷設(shè)和直埋敷設(shè)。與傳統(tǒng)的架空和地溝敷設(shè)方式相比,直埋敷設(shè)具有占地少、施工周期短、維護(hù)量少、節(jié)約投資、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。因此,研究其受力計(jì)算方法也成為工程技術(shù)人員和科研人員最為關(guān)注的問(wèn)題。

采用有補(bǔ)償?shù)陌惭b方式,為保護(hù)彎頭、三通、變徑管和閥門(mén)等管件就必然要使用固定墩、補(bǔ)償器等附件。因此,研究固定墩的受力對(duì)于直埋供熱管道具有重要的意義[2,3]。

1 固定墩受力模型

根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn),選取管道公稱(chēng)直徑為DN 1 000,系統(tǒng)設(shè)計(jì)供回水溫度為 130℃/70℃,系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為 1.6MPa,建立管道受力模型如圖 1所示。

2 固定墩受力分析

假設(shè)固定墩寬、厚、高分別為 b,d,h,固定墩墩頂覆土高度為h1,在供熱系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,隨著管道內(nèi)介質(zhì)溫度的升高,固定墩在管道熱膨脹力作用下會(huì)產(chǎn)生微小的軸向位移,供熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)固定墩受力如圖 2所示。

直埋管道固定墩的受力有主動(dòng)力和被動(dòng)力兩部分。主動(dòng)力來(lái)源于管道的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力及峰值應(yīng)力。被動(dòng)力主要來(lái)源于固定墩的軸向位移,包括：固定墩與土壤接觸面上產(chǎn)生的摩擦力、主動(dòng)土壓力以及被動(dòng)土壓力。固定墩在管道運(yùn)行過(guò)程中其受力俯視圖如圖 3所示。

2.1 A1 A1面管道施加給固定墩的受力P1的確定

L1管段處于錨固狀態(tài),因此其受力主要由管道的溫升軸向應(yīng)力確定。

其中,α為鋼材的線膨脹系數(shù),m/(m·℃);E為鋼材的彈性模量,MPa;A為鋼管管壁的橫截面積,m2;υ為鋼材的泊松系數(shù),本文取0.3;σt為管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力,MPa。

2.2 A2 A2面管道施加給固定墩的受力P2的確定

P2的大小由管道的溫升熱應(yīng)力,彎頭處的彈性力以及彎頭處不平衡內(nèi)壓力確定,固定墩處于錨固段,溫升力考慮 0.9的折減系數(shù)：

其中,Pd為管道的計(jì)算壓力,MPa;W為管道截面系數(shù),m3;m為“L”形補(bǔ)償器外伸臂長(zhǎng)度,m,本課題取 25m;A′為內(nèi)壓力作用面積,m2;σbw為管道彈性彎曲應(yīng)力,MPa。

2.3 主動(dòng)土壓力Pa和被動(dòng)土壓力Pp

管線在運(yùn)行時(shí)由于管道溫升膨脹力的作用下固定墩會(huì)有微小的位移,根據(jù)文獻(xiàn)[4],主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力根據(jù)下式計(jì)算：

1)被動(dòng)土壓力：

2)主動(dòng)土壓力：

其中,Pp為考慮位移的被動(dòng)土壓力,N;Ep為極限平衡狀態(tài)下被動(dòng)土壓力,N;Ea為極限平衡狀態(tài)下主動(dòng)土壓力,N;E0為靜止土壓力,N;upcr為固定墩擠向土體時(shí)極限平衡狀態(tài)位移,m;uA為固定墩的位移量,m;x為回填料性質(zhì)相關(guān)的參數(shù),取值為 0～1,本文取為0.4;γ為回填料的容重,N/m3;b,d,h為固定墩幾何尺寸(寬、厚、高),m;h1,H分別為固定墩頂面、底面至地面的距離,m;φ為回填料與固定墩的摩擦角,(°);K0為計(jì)算固定墩靜壓力時(shí)土的靜止側(cè)壓力系數(shù);Pa為考慮位移的主動(dòng)土壓力,N;uacr為固定墩離開(kāi)土體時(shí)極限平衡狀態(tài)位移,m。

2.4 固定墩與土壤的摩擦力

固定墩與土壤的摩擦力可分為三部分：固定墩底面與土壤的摩擦力(f1),固定墩側(cè)面與土壤的摩擦力(f2),固定墩頂面與土壤的摩擦力(f3)。其大小可以根據(jù)下式計(jì)算：

其中,μ為固定墩與回填土之間的摩擦系數(shù)[6];G為固定墩重量,kg;g為重力加速度,9.8N/kg。

3 固定墩受力計(jì)算公式

固定墩受力設(shè)計(jì)分為錨死固定墩和允許固定墩有微小位移設(shè)計(jì),其計(jì)算公式如下：

1)按錨死固定墩設(shè)計(jì)。

固定墩軸向推力：

其中,HT為固定墩軸向推力,N。

2)按允許固定墩有微小位移設(shè)計(jì)。

固定墩的軸向推力計(jì)算公式為：

4 計(jì)算實(shí)例

某工程,按照如圖 1所示布置管道。其中參數(shù)為：管徑為DN1 000,設(shè)計(jì)壓力為 1.6MPa,設(shè)計(jì)供、回水溫度為 130℃/70℃,套筒補(bǔ)償器摩擦力為 157 kN,L1＞L2＞Lmax,管線處于錨固狀態(tài)下,m=25m,求圖示固定墩的推力。

1)按照錨死固定墩設(shè)計(jì),根據(jù)式(9)計(jì)算得：

2)按照固定墩有位移設(shè)計(jì),根據(jù)式(10)計(jì)算。固定墩計(jì)算推力見(jiàn)表 1。

表1 固定墩計(jì)算推力

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可知安裝在錨固段上的固定墩,合理控制固定墩的位移量可以大大減小固定墩的設(shè)計(jì)推力,在工程實(shí)際中如果安裝空間不足,則可大大減小固定墩的形狀大小,同時(shí)可以節(jié)約初投資,因此建議在實(shí)際工程中設(shè)計(jì)固定墩時(shí)按照允許其有位移設(shè)計(jì)。

[1] 王 峰.直埋供熱管道設(shè)計(jì)[D].西安：西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004：1-3.

[2] 徐日慶.考慮位移和時(shí)間的土壓力計(jì)算方法[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2000(4)：370-375.

[3] 龔 慈.不同位移模式下剛性擋土墻土壓力計(jì)算方法研究[D].杭州：浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005.

[4] 陳頁(yè)開(kāi),徐日慶.基坑工程柔性擋墻土壓力計(jì)算方法[J].工業(yè)建筑,2001,31(3)：77-78.

[5] 東南大學(xué),浙江大學(xué).土力學(xué)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

[6] CJJ/T 81-98,城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程[S].

On stressed analysis of fixed piers of
directly burial heat-supply pipe with displacement effect

GAO Qiang

According to anchor block and according to allow death fixed block have shift two conditions,analysis of installed in buried heating pipe on the stress of the fixed block,comprehensive consideration of the fixed b lock and back to theearth pressure and packing friction,introducing the function of two caseswere fixed block stress calcu lation formula.

directly buried heat-supply pipeline,anchor block,shift,carrying capability

TU995.3

A

1009-6825(2011)09-0124-02

2010-11-21

高 強(qiáng)(1982-),男,太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生,山西太原 030024