基于预应力法的埋地管道固定支墩设计

蓝晓民，王盛智，王国维，兰 天

基于预应力法的埋地管道固定支墩设计

蓝晓民1，王盛智2，王国维2，兰 天3

（1. 辽宁石油化工大学 机械学院，辽宁 抚顺 113001； 2. 辽宁石油化工大学 石油与天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；3. 上海惠普大连分公司，辽宁 大连 116000）

地下管道的轴向力对管道系统的危害较大，产生的轴向应变会对管道系统造成破坏，减小这一影响的方法是采用固定墩，但固定墩的体积往往很大，增加了管道系统的成本和施工难度。以往对于解决地下管道固定墩体积过大问题的通用方法是借助地基原状土的抗力，将支墩设计成异型支墩，但这种方法对于土质情况的准确把握较困难，同时现场地质条件制约的因素较大，计算起来也较复杂。提出预应力处理法，通过对管道的预处理，达到减小管道轴向力和倾覆力矩的影响，实现科学、简便施工设计的目的。

固定墩；预应力；地下管道

对于埋地管道，在温度变化和覆土的影响下将会产生热应力，在弯道两端、出入土等重要部位都会不可避免地产生轴向力（热推力）和轴向位移，极有可能给管道系统的特殊部位以及与之配套使用的泵房、阀室等造成破坏[1]。由于施工、土壤等条件的限制，热应力的计算和解决比较困难，通常采取的方法是用固定支墩来限制管道的变形，从而降低管道因热胀变形而引起的管道系统破坏。这种做法的不足之处在于，由于固定支墩只是限制了位移，并没有减小或消除热应力，计算所得的固定支墩体积很大，而且一旦管道环境的温差较大，引起管道大的变形时，固定支墩强制限制位移的方法就存在一定的危险，对于管道系统的经济性、施工效率等都有很大影响，同时通常采用的完全埋地段管道不设置固定支墩的方法，也因土壤夯实程度的不确定性而变得不安全[2]。

固定墩的作用是固定管道，承受管道的水平推力作用，同时，作用于固定支墩上的力还有主动土压力、被动土压力、支墩与土的摩擦力、管道及管道内介质的重量、支墩及支墩上的土重量等。我国常用的矩形固定墩，其设计方法主要考虑的就是稳定性（滑移和倾覆）方面的验算，固定墩产生滑移和倾覆的原因是固定在其上的管道的轴向力，固定墩的设计就是通过受力平衡（沿管道轴向的受力平衡）和力矩平衡（对固定墩倾覆旋转轴的力矩平衡）得到符合要求的固定墩几何尺寸[3]。

通过上述方法设计的固定墩体积往往很大，主要是因为要平衡管道对固定墩的推力就要采用下面方法:（1）加大固定墩体积，从而增加了混凝土的用量,加大自重,增加固定墩与土之间的摩擦力,用摩擦力来平衡管道推力；（2）采用加大垂直管道方向固定墩的面积,增加固定墩后背土压力,用土的被动压力来平衡管道推力；（3）将支墩设计成异型支墩，借助地基原状土的抗力去平衡管道对墩的推力。但这些方法对于土质情况的准确把握要求较高，而现场地质条件制约影响的因素较大较多，计算起来也较复杂，这不仅增加了管道系统的成本也使施工难度及维护成本大大增加。本文从另一角度提出预应力处理管道的方法，通过对管道的预应力处理，达到减小管道轴向力和倾覆力矩的影响，从而实现科学、简便设计固定支墩，解决埋地管道固定支墩体积过大的问题。

1 预应力处理原理

1.1 管道轴向力与变形的关系

预拉（压）应力在建筑、桥梁等行业已广泛应用，能有效地提高材料使用性能，节约材料成本。

对于埋地的输油管道，在安装时的地温一般都远远低于管道输送油品时的工作温度，管道运行时处于热胀状态。下面以升温状态下埋地直管为例对此方法加以说明，见图1。

设管的横截面积为A，弹性模量为E，线胀系数为α。温度升高△T后，管段将产生一个伸长量，在约束的作用下，管段轴向就会产生压力P， 由胡克定律管段轴向力P就是作用在固定墩上的推力[4]。

可见当工作环境确定后，管段轴向力P的大小随管段变形△LP而变。那么要减小管道热推力P，就需减小△LP，而△LP就是温差产生的△LT，即

1.2 预应力处理原理

假设长为L的管段，操作温度高于安装温度，即△T=T2-T1＞0（一般输油输气管道均符合这一假设），由线胀定律，管段热膨胀产生的伸长量为

式中因为α、△T、L均为常量，所以理论上△L无法改变，如果将管段预拉伸0.5△LT，则原来的轴向变形变为

对应的热推力可由虎克定律求得：

可见热推力降为原来的一半。

2 固定支墩的预应力处理

固定支墩在埋入地下后，在管道轴向其所受力为管道轴向推力P、土摩擦力及土压力，见图2。

考虑墩在未夯实的土中可以有少量位移，所以墩的受力平衡关系为：

墩的力矩平衡关系为：

其中:P=σLA= (σ1－νσ2＋αE△T)A（N）

σL—管道轴向应力。

下面通过实例来比较管道预应力处理前后固定墩大小的变化。

φ460×9埋地管道，管材16MnR，线胀系数α＝1.22×10-5，弹性模量E=20.58×1010N/m2。管道输送压p=3.92 MPa，温差△T=30 ℃，摩擦角ö＝300，墩尺寸a=2 m，H=1 m，H0=1.2 m。土的单位体积重γ0＝17 640N/m3，墩的单位体积重γ墩＝23 520 N/m3，土与墩的摩擦系数μ＝0.5，要求设计b的大小。

处理前：

处理后：

得b≥2.89 m,综上：b取2.89 m，墩体积V＝abH=5.78 m3，为处理前的46%[5-8]。

3 结束语

地下管道的固定墩设计，关系到管道系统的安全以及设计施工成本，本文阐述的方法只是在减小固定墩体积的某一方面的初步尝试，还有巨大空间进行探索，以达到安全与经济性的完美统一。

［1］ 唐永进．压力管道应力分析[M]. 北京：中国石化出版社，2007．

［2］ 李维特. 热应力理论分析及应用[M]. 北京：中国电力出版,2004.

［3］ 潘家华．油罐及管道强度设计[M]. 北京：石油工业出版社，1986．

［4］ 苏翼林. 材料力学（上册）[M]. 北京：人民教育出版社，1981.

［5］ 查克勇，杨绪运，何仁洋,等. 管系应力计算在工业管道检验检测中的应用[J]. 管道技术与设备，2010 (1)：66-72．

［6］ GB 50253—94．输油管道设计规范[S]．

［7］ 徐芝纶．弹性力学（下册）[M]. 北京：人民教育出版社，1982.

［8］ 田娜，陈保东，何利民，等. 同沟敷设原油和成品油管道三维温度场的数值模拟[J].石油化工高等学校学报 ，2011，24（2）： 92-96.

Design of Buried Pipeline Fixed Buttress Based on the Prestressed Method

LAN Xiao-min1，WANG Sheng-zhi2，WANG Guo-wei2,Flora Lan3
（1. School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Fushun Liaoning 113001, China；2. College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun Liaoning 113001，China; 3. Hewlett Packard Company Dalian Branch, Dalian Liaoning 116000, China）

Underground pipeline axial force has big harm to the pipe system, produced axial strain will damage the piping system. The method to reduce the influence is to adopt the fixed piers, but the volume of a fixed pier is often large, building the pier will increase the cost of the pipeline system and construction difficulty. In the past, in order to solve the problem that underground pipe fixed block size is too large, common method is to design special-shaped piers with the help of the undisturbed soil resistance, but this method asks an accurate grasp of the soil conditions, which is more difficult, at the same time the field geological conditions have larger restraint on the method, and the calculation is relatively complex. In this paper, prestressed treatment method was put forward. After the pretreatment of the pipeline, the effect of axial force and overturning moment can be decreased to realize the objective of scientific and simple construction design.

Fixed pier; Prestressed; Underground pipeline

TE 832；TH 126.2

： A

： 1671-0460（2015）05-1149-03

2014-11-23

蓝晓民（1960-），男，浙江青田人，教授，1982年毕业于抚顺石油学院机械系，研究方向：CAD、科学计算可视化、参数化设计。E-mail：lanxiaomin@163.com。