□肖 璐(乌鲁木齐市达坂城区水务监察大队)
镇墩结构设计探讨
□肖 璐(乌鲁木齐市达坂城区水务监察大队)
镇墩在工程设计上应用比较广泛,对管道或水工建筑物起到稳定及保护的作用,通常在地形的突变处,管道的转弯处和分叉处设混凝土镇墩,教科书及规范仅对稳定和地基应力做了相应的规范和要求,仅适用于一般的镇墩设计,对于斜管和水平管段的设计理论不够全面,文章对镇墩设计及结构计算进行详细说明,通过整理公式的计算,旨在对镇墩设计起到推动作用。
镇墩;管道力;结构设计
镇墩属重力式结构,利用自重维持稳定。结构设计的内容:验算在最不利组合情况下抗滑稳定和抗倾稳定,验算镇墩各危险断面的应力、地基应力及稳定。
作用于镇墩上的荷载分为2大类:一类是直接作用于镇墩的力;另一类是通过管身传给镇墩的力。水流给管壁的摩擦力(又称为拖曳力)和温度变化的力影响,在工程设计中忽略不计。
1.1 直接作用于镇墩上的荷载
有:由水压力产生沿管轴方向的轴向力;弯管水流离心力;镇墩自重;侧向土压力。
1.1.1 由内水压力产生的轴向力
在管道转弯处,内水压力将产生沿管轴方向的轴向力,直接作用域镇墩上。
式中:γ—水容重 γ=10 kN/m3;D—管道内径(m);,H1,H'1—弯管段起始段和末端段中心的测压管水头,m。
1.1.2 弯管段水流离心力
水流在弯管段流动产生离心力,通过管壁传给镇墩。作用线与管段中心角的角平分线重合。
式中:m—弯管段水体的质量(m=w/g),a—离心加速度(a=V2/R),W—弯矩段水体重量,V—管内流速(m/s),g—重力加速度(m/s2),D—管内径(m),L’—弯中心线弧长
离心力的合力分解为两个轴向力:
1.1.3 弯管水体重
式中:b—弯矩段起点,终点至支管管端长度(m),其余符号同前。
1.1.4 镇墩自重
可根据镇墩尺寸计算。镇墩在水位以下用浮容重。
1.1.5 作用于镇墩的水平土压力
镇墩四周都有填土,为安全,一般只考虑镇墩上游侧面的主动土压力。按填土与镇墩顶面平计算。
式中:ka—主动土压力系数,,γs—土容重(kN/m3),B—镇墩宽度(m),D1—管的外径(m),h2—镇墩底至顶的高度(m),h1—斜管段管端断面中心线至填土顶面高度(m)。
1.2 通过管身传给镇墩的荷载
有:管道自重,管内水重,水面以下管道的上浮力,管道上的土压力。
1.2.1 管身自重
管端分为斜管和水平管,根据尺寸自重可求得。将自重分解为平行于管轴线和垂直于管轴线的2个分力。前者是下滑力,后者起阻滑作用。
管身自重:G1L1=πDcpδγhL1(kN) (7)
分解为:轴向分力:A3=G1L1sinα;垂直分力:N1=G1L1cosα
式中:L1—斜管长度(m),G1—单位长斜管自重(kN/m),Dcp平均直径(m),,γh—管材容重(kN/m3),其余符号同前。
1.2.2 管内水重
斜管与水平管段管内水重可分解为平行轴向与垂直轴线的2个分力,由于轴向分力已包括在前述的水压力产生的轴向分水A1、A1’之内,故此处仅考虑垂直管线的分力。
1.2.2.1 斜管段:
管内水重:G2L1=πR20γL1(8)
垂直分力:N2=G2L1cosα (9)
式中:R0—管内半径(m),G2—单位长斜管水重(kN)。
1.2.2.2 水平管段
管内水重:G2L2=πR20γL1(10)
垂直分力:N'2=G2L2(11)
1.2.3 管道的上浮力
该工程省略不计。在大河中的工程不应省略。
1.2.4 管道填土压力
管道填土压力可分为沟埋式土压力和上埋式2种土压力计算。一般填土较浅,可按上埋式土压力计算。除计算GB外,还需考虑管顶水平线至管腹间填土压力GN。土压力分解为轴线方向和垂直方向分力。
1.2.4.1 斜管段:
上埋式填土压力:GB=KγSHD1(12)
式中:H—管顶以上填土高度(m),γS—填土容重(kN/m3), D1—管外径(m),K—系数。
刚性管按(表1)选用。柔性管在任何情况下均取K=1,按填土尺寸计。
填土压力:(GB+Gn)L1(kN) (13)
轴向分力:A5=(GB+Gn)L1sinα (14)
垂直分力:N4=(GB+Gn)L1cosα (15)
表1 系数K值表
1.2.4.2 管身摩擦力
以上斜管段的轴向分力之和是促使管段身沿座垫表面向下滑动的力,称下滑力。垂直于管轴线传给坐垫力之和在管底与座垫之间产生摩擦力,阻止管身下滑。当坡度较缓时,下滑力为摩擦力平衡,管身不滑动;当坡度陡,而摩擦力不足以阻止管身下滑时,则大于摩擦力的那部分滑动力将通过斜管传给镇墩。
坡度的陡缓,可用临界坡度αk来区分。当时αk=f0,斜坡上的物体开始向下滑动,f0为管底与座垫之间或管底与素土基之间的摩擦系数。管底与座垫之间的最大摩擦力按下式计算:
A6=f0(N1+N2+N4) (16)
当镇墩与座垫之间为刚性连接时,水平管段在管底与座垫之间的摩擦力,将阻止镇墩下滑。其最大摩擦力近似按下式计算:
A'6=f0(N'1+N'2+N'4) (17)
由临界坡度αk确定斜管下滑的计算长度。
镇墩与两侧管端连接方式不同,通过管道给镇墩传递的荷载也不同。按常见的3种连接方式,分析镇墩抗滑稳定计算。
2.1 镇墩与管端刚性连接
当α>αk,下滑力大于摩擦,将所有力分解为铅直和水平2个分力,并将其分别总和,得出使镇墩沿底板面滑动的滑动力及阻止滑动的抗滑力,其安全系数为:
要求:Kc≥1.20~1.35
式中:Σyi=ΣAisinα—斜管轴向力的铅直向分力之和;Σxi=ΣAisinα—斜管轴向力的水平向分力之和;f—镇墩与地基之间的摩擦系数,混凝土与湿的粘土:f=0.20~0.30,混凝土与湿的沙土:f=0.35~0.45,混凝土与混凝土:f=0.60~0.70,E—侧向土压力;G,Gw—分别为镇墩自重和管段水重;ΣAi=A1+A2+ A3+A5-A6—斜管轴向力之和;ΣA'i=A'1+A'2+A'3+A'5-A'6—为水平管轴向力之和。
当α≤αk,下滑力小于摩擦力,不考虑斜管下滑,不计算A3,A4,A5,A6等项,ΣAi=A1+A2。
2.2 镇墩与两管端柔性连接
要求斜管与镇墩都能维持自身稳定,故镇墩稳定计算时,不考虑通过管道传给镇墩的力,只考虑直接作用于镇墩上的荷载。
2.3 镇墩上侧与管端刚性连接,下侧与管端柔性连接
除考虑直接作用于镇墩上的力之外,上侧斜管作用于镇墩上的荷载考虑方法同情况,下侧水平管则不考虑管道传给镇墩的荷载。
文章将镇墩设计进行详细讲解,旨在对镇墩的规范设计起到参考作用,对镇墩进行详细的工程设计及计算后,在实际施工过程中,采取相应的工程保护措施保证其安全运行。
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1673-8853(2016)11-0055-02
2016-08-11
(责任编辑:刘 青)
肖 璐(1984-),女,工程师,主要从事农田水利工作。