埋地钢管结构设计思路的探讨

安普太

（山西省水利水电勘测设计研究院 太原 030024）

由于钢材具有强度大、在一定荷载作用下发生屈服或弯曲后仍可提供全部抵抗力、弯曲但不易断裂以及有着良好的抗震能力等特性，所以，钢管在输水线路中被大量使用。管壁还可以根据管道沿线不同的压力水头采用不同的厚度，能充分发挥材料的力学性能，此外钢管加工工艺相对比较简单，所以在水电站压力管道中、PCCP管线及其他材质的管线的分岔管中常常使用钢管。

根据埋地钢管所埋置环境的不同，可分为沟槽回填式及洞穿式埋地钢管两种。本文主要针对前者进行分析探讨。

1 钢管结构设计

钢管结构设计主要依据的国内外规范有《钢管结构设计规范》GB 50017-2003、《给排水工程埋地钢管管道结构设计规程》CECS 141-2002（国内规范）和《AWWA M11手册》（美国手册）。根据这些规范可知，钢管管道截面设计基本都是从以下三个方面进行设计：（1）管道强度计算；（2）管道稳定验算；（3）管道刚度验算。

1.1 管道强度计算

钢管管道设计中，首先要确定管壁厚度。影响管壁厚度的因素主要有二大类：即内部压力和外部压力。管壁截面应力的计算公式如下：

国内规范公式，见式（1）：

式中：σθ—钢管管壁截面的最大环向应力；

σχ—钢管管壁截面的纵向应力；

η—应力折算系数，取0.9。

美国手册公式，见式（2）：

式中：P—内水设计压力；

D，t—钢管的外径和壁厚；

e—焊缝系数，管径小于DN 500，e=0.85；管径大于DN 500，e=0.9；

a—设计系数，静水压力下，a=0.5；水击压力下，a=0.75。

国内规范采用的设计思路是综合考虑了由内水压力产生的环向应力及由竖向土压力、管道自重、水重和地面荷载作用下产生的弯曲应力的组合值不超过钢管的强度设计值f作为设计条件。

由于综合考虑了弯曲应力的作用，所以管道的土弧包角的确定对弯曲应力的计算显得尤为重要。在设计时，应根据工程实际情况选取合理的土弧包角，这一参数直接决定着钢管管道结构设计的合理性。

美国手册采用的设计思路是仅考虑内水压力产生对钢管管壁的允许应力在静水压力作用下不超过钢材屈服强度的1/2；在水击作用下不超过钢材屈服强度的3/4。

通过对国内规范与美国手册的比较，国内规范在水击压力工况下没有特别说明，静水压工况下采用了相同的安全度，而美国手册认为管道在非正常允许情况下，虽然出现的水击波压力持续时间很短，但是水击波压力峰值较大，这样降低了管道的设计安全度，所以采用了不同的判断标准。

1.2 管道稳定验算

对于管道截面的稳定验算问题，国内规范与美国手册的设计思路基本相同。即钢管管壁截面的临界压力与外部荷载的比值不超过规范允许的抗力系数。

国内规范规定，设计稳定性抗力系数K≥2.0；而美国手册规定的设计系数 FS，当（h/D）≥2时，FS＞2.5，当（h/D）＜2时，FS＞3.0，其中，h为管顶至地表高度，D为管道公称直径。

根据国内规范与美国手册比较可以看出，管道截面的竖向变形安全系数基本相同。

但是对于钢管管壁临界压力的计算方面，美国手册充分地考虑了管道内外防腐对管道截面稳定性的影响因素，而国内规范没有考虑。这一点在管道刚度验算方面尤为明显。

1.3 管道刚度验算

对于钢管截面刚度验算的问题（竖向变形），国内和美国手册基本相同，均采用的是Iowa变位公式，见式（3）。

式中：△x—管道的水平变位；

Dl——变形滞后系数，取1.0～1.5；

K—竖向压力作用下柔性管的竖向变形系数，可取0.1；

W—作用在单位管道长度上的竖向荷载；

r—管道半径；

EI—管壁刚度；

E′—管道侧向土壤变形模量。

国内规范与美国手册对于管道刚度验算的判断标准相同，均要求的允许变位为，当采用砂浆衬砌并柔性涂层时不超过0.02D0，（D0为管道的计算直径），但是公式中EI物理量的定义有一定差异。

国内规范的定义EI为钢管管壁刚度即钢管管材弹性模量与钢管管壁纵向截面单位长度的截面惯性距的乘积。

美国手册定义EI为管壁刚度，其中E为包含钢材及衬砌材料的弹性模量，I为单位长度管壁的横向惯性距。美国手册认为钢管在荷载作用下，单个单元如砂浆衬砌（EsIs)、钢管管壁（E1I1)、砂浆涂层（EcIc)如同叠层环一样一起协调工作，即EI=EsIs+E1I1+EcIc，（钢材弹性模量为 206 000 N/mm2，水泥砂浆弹性模量为27 500 N/mm2）从结构上讲，这种协同作用大大增加了管道断面的惯性距，使其超出了仅有钢管管壁作用时的惯性距，因而提高了管段抵抗荷载的能力。

从而可以看出，国内规范在验算管道刚度时更加趋于保守，忽略了砂浆等管道衬砌材料与钢管管壁一起协同工作的重要作用。所以，在钢管设计中，在验算管道刚度时适当考虑砂浆衬砌来增加的管道断面的惯性距的方式比增加钢管壁厚更加经济、合理。

2 算例分析

某输水管线工程，采用埋地钢管DN 2000，钢材选用国标Q 235钢，屈服强度为235 MPa，厚度大于16 mm时抗拉强度设计值为205 MPa，管道采用水泥砂浆防腐，内水压力为1.0 MPa，附加水击压力为0.4 MPa，真空压力值为0.05 MPa，堆积荷载为10 kN，车辆荷载为3.7 kN/m2，回填土重度为18 kN/m3，开槽宽度为4 m，地下水位于管底以下。现就不同设计参数进行计算。

（1）埋地钢管顶部覆土4 m，土弧包角60°，壁厚16 mm，不考虑砂浆衬砌厚度的不同工况下计算结果见表1。

表1 等壁厚不同工况计算结果

由表1计算结果可知，在相同设计条件，不同运行工况下：

①关于该管道的强度计算，在静水压力工况下，都满足各规范的要求，但是在水击压力工况下，美国手册设计值小于国内规范设计值，国内规范钢管设计应力不满足规范要求，这是由于国内规范在计算管道强度时，综合考虑了内、外部荷载共同的作用，国内规范设计壁厚应大于16 mm。

②关于该管道的稳定验算与刚度验算均满足各规范的要求，但是临界压力差别比较大，这是由于各自规范采用的公式假定不相同造成的，对稳定安全判断没有影响。

（2）埋地钢管顶部覆土6 m，土弧包角60°，不同规范等工况下管壁厚度计算结果见表2。

表2 不同壁厚等工况计算结果

由表2计算结果可知，在相同的工况下，由于不同规范对于砂浆衬砌的因素考虑不同，所以计算结果相差较大。美国手册充分考虑了砂浆衬砌增加了钢管截面惯性距，提高了钢管截面的稳定性；钢管截面与砂浆共同承担外部荷载的作用，所以钢管壁厚大大减小，而国内规范没有考虑砂浆衬砌厚度变化的影响，管道外部荷载全部由钢管截面承担所以导致了国内规范计算的壁厚较厚，相应稳定安全系数偏大。

（3）埋地钢管顶部覆土6 m，不同土弧包角等工况下管壁厚度计算结果见表3。

表3 不同土弧包角等工况计算结果

由表3计算结果可知，在相同的工况下，由于考虑了管道周围土壤对管道的作用力，不同土弧包角对钢管管壁截面环向弯矩及竖向变形进行折算，所以计算的结果也不同。

3 结论

（1）水击压力对计算结果的影响不可忽略，进行管道设计计算时应该进行各种不同工况分别计算，综合比较得出结论较为合理。

（2）在管顶覆土较大、管道外部荷载起主要作用时，砂浆衬砌对提高钢管的稳定性和刚度的作用更为显著，钢管设计中不可忽略砂浆衬砌的作用，建议按照美国手册进行钢管截面的稳定验算和刚度验算。

（3）应该根据工程的实际情况，正确确定土弧包角的大小，这样才能准确地进行管道的设计。