考虑位移效应的直埋供热管道固定墩受力分析

高 强

考虑位移效应的直埋供热管道固定墩受力分析

高 强

按锚死固定墩和按允许固定墩有位移两种情况,分析了安装在直埋供热管道上固定墩的受力,综合考虑固定墩与回填料的土压力和摩擦力的作用,提出了两种情况下固定墩的受力计算公式。

直埋供热管道,固定墩,位移,受力

0 引言

供热管道敷设方式主要有以下几种：架空敷设、地沟敷设和直埋敷设。与传统的架空和地沟敷设方式相比,直埋敷设具有占地少、施工周期短、维护量少、节约投资、使用寿命长等优点[1]。因此,研究其受力计算方法也成为工程技术人员和科研人员最为关注的问题。

采用有补偿的安装方式,为保护弯头、三通、变径管和阀门等管件就必然要使用固定墩、补偿器等附件。因此,研究固定墩的受力对于直埋供热管道具有重要的意义[2,3]。

1 固定墩受力模型

根据工程实际经验,选取管道公称直径为DN 1 000,系统设计供回水温度为 130℃/70℃,系统设计压力为 1.6MPa,建立管道受力模型如图 1所示。

2 固定墩受力分析

假设固定墩宽、厚、高分别为 b,d,h,固定墩墩顶覆土高度为h1,在供热系统运行过程中,随着管道内介质温度的升高,固定墩在管道热膨胀力作用下会产生微小的轴向位移,供热系统运行时固定墩受力如图 2所示。

直埋管道固定墩的受力有主动力和被动力两部分。主动力来源于管道的一次应力、二次应力及峰值应力。被动力主要来源于固定墩的轴向位移,包括：固定墩与土壤接触面上产生的摩擦力、主动土压力以及被动土压力。固定墩在管道运行过程中其受力俯视图如图 3所示。

2.1 A1 A1面管道施加给固定墩的受力P1的确定

L1管段处于锚固状态,因此其受力主要由管道的温升轴向应力确定。

其中,α为钢材的线膨胀系数,m/(m·℃);E为钢材的弹性模量,MPa;A为钢管管壁的横截面积,m2;υ为钢材的泊松系数,本文取0.3;σt为管道内压引起的环向应力,MPa。

2.2 A2 A2面管道施加给固定墩的受力P2的确定

P2的大小由管道的温升热应力,弯头处的弹性力以及弯头处不平衡内压力确定,固定墩处于锚固段,温升力考虑 0.9的折减系数：

其中,Pd为管道的计算压力,MPa;W为管道截面系数,m3;m为“L”形补偿器外伸臂长度,m,本课题取 25m;A′为内压力作用面积,m2;σbw为管道弹性弯曲应力,MPa。

2.3 主动土压力Pa和被动土压力Pp

管线在运行时由于管道温升膨胀力的作用下固定墩会有微小的位移,根据文献[4],主动土压力和被动土压力根据下式计算：

1)被动土压力：

2)主动土压力：

其中,Pp为考虑位移的被动土压力,N;Ep为极限平衡状态下被动土压力,N;Ea为极限平衡状态下主动土压力,N;E0为静止土压力,N;upcr为固定墩挤向土体时极限平衡状态位移,m;uA为固定墩的位移量,m;x为回填料性质相关的参数,取值为 0～1,本文取为0.4;γ为回填料的容重,N/m3;b,d,h为固定墩几何尺寸(宽、厚、高),m;h1,H分别为固定墩顶面、底面至地面的距离,m;φ为回填料与固定墩的摩擦角,(°);K0为计算固定墩静压力时土的静止侧压力系数;Pa为考虑位移的主动土压力,N;uacr为固定墩离开土体时极限平衡状态位移,m。

2.4 固定墩与土壤的摩擦力

固定墩与土壤的摩擦力可分为三部分：固定墩底面与土壤的摩擦力(f1),固定墩侧面与土壤的摩擦力(f2),固定墩顶面与土壤的摩擦力(f3)。其大小可以根据下式计算：

其中,μ为固定墩与回填土之间的摩擦系数[6];G为固定墩重量,kg;g为重力加速度,9.8N/kg。

3 固定墩受力计算公式

固定墩受力设计分为锚死固定墩和允许固定墩有微小位移设计,其计算公式如下：

1)按锚死固定墩设计。

固定墩轴向推力：

其中,HT为固定墩轴向推力,N。

2)按允许固定墩有微小位移设计。

固定墩的轴向推力计算公式为：

4 计算实例

某工程,按照如图 1所示布置管道。其中参数为：管径为DN1 000,设计压力为 1.6MPa,设计供、回水温度为 130℃/70℃,套筒补偿器摩擦力为 157 kN,L1＞L2＞Lmax,管线处于锚固状态下,m=25m,求图示固定墩的推力。

1)按照锚死固定墩设计,根据式(9)计算得：

2)按照固定墩有位移设计,根据式(10)计算。固定墩计算推力见表 1。

表1 固定墩计算推力

5 结语

通过以上分析可知安装在锚固段上的固定墩,合理控制固定墩的位移量可以大大减小固定墩的设计推力,在工程实际中如果安装空间不足,则可大大减小固定墩的形状大小,同时可以节约初投资,因此建议在实际工程中设计固定墩时按照允许其有位移设计。

[1] 王 峰.直埋供热管道设计[D].西安：西安建筑科技大学硕士学位论文,2004：1-3.

[2] 徐日庆.考虑位移和时间的土压力计算方法[J].浙江大学学报(工学版),2000(4)：370-375.

[3] 龚 慈.不同位移模式下刚性挡土墙土压力计算方法研究[D].杭州：浙江大学硕士学位论文,2005.

[4] 陈页开,徐日庆.基坑工程柔性挡墙土压力计算方法[J].工业建筑,2001,31(3)：77-78.

[5] 东南大学,浙江大学.土力学[M].北京：中国建筑工业出版社,2007.

[6] CJJ/T 81-98,城镇直埋供热管道工程技术规程[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 强(1982-),男,太原理工大学环境科学与工程学院硕士研究生,山西太原 030024