考慮位移效應的直埋供熱管道固定墩受力分析

高 強

考慮位移效應的直埋供熱管道固定墩受力分析

高 強

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

供熱管道敷設方式主要有以下幾種：架空敷設、地溝敷設和直埋敷設。與傳統的架空和地溝敷設方式相比,直埋敷設具有占地少、施工周期短、維護量少、節約投資、使用壽命長等優點[1]。因此,研究其受力計算方法也成為工程技術人員和科研人員最為關注的問題。

采用有補償的安裝方式,為保護彎頭、三通、變徑管和閥門等管件就必然要使用固定墩、補償器等附件。因此,研究固定墩的受力對于直埋供熱管道具有重要的意義[2,3]。

1 固定墩受力模型

根據工程實際經驗,選取管道公稱直徑為DN 1 000,系統設計供回水溫度為 130℃/70℃,系統設計壓力為 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,在供熱系統運行過程中,隨著管道內介質溫度的升高,固定墩在管道熱膨脹力作用下會產生微小的軸向位移,供熱系統運行時固定墩受力如圖 2所示。

直埋管道固定墩的受力有主動力和被動力兩部分。主動力來源于管道的一次應力、二次應力及峰值應力。被動力主要來源于固定墩的軸向位移,包括：固定墩與土壤接觸面上產生的摩擦力、主動土壓力以及被動土壓力。固定墩在管道運行過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,因此其受力主要由管道的溫升軸向應力確定。

其中,α為鋼材的線膨脹系數,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,本文取0.3;σt為管道內壓引起的環向應力,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力,彎頭處的彈性力以及彎頭處不平衡內壓力確定,固定墩處于錨固段,溫升力考慮 0.9的折減系數：

其中,Pd為管道的計算壓力,MPa;W為管道截面系數,m3;m為“L”形補償器外伸臂長度,m,本課題取 25m;A′為內壓力作用面積,m2;σbw為管道彈性彎曲應力,MPa。

2.3 主動土壓力Pa和被動土壓力Pp

管線在運行時由于管道溫升膨脹力的作用下固定墩會有微小的位移,根據文獻[4],主動土壓力和被動土壓力根據下式計算：

1)被動土壓力：

2)主動土壓力：

其中,Pp為考慮位移的被動土壓力,N;Ep為極限平衡狀態下被動土壓力,N;Ea為極限平衡狀態下主動土壓力,N;E0為靜止土壓力,N;upcr為固定墩擠向土體時極限平衡狀態位移,m;uA為固定墩的位移量,m;x為回填料性質相關的參數,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為計算固定墩靜壓力時土的靜止側壓力系數;Pa為考慮位移的主動土壓力,N;uacr為固定墩離開土體時極限平衡狀態位移,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)。其大小可以根據下式計算：

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

3 固定墩受力計算公式

固定墩受力設計分為錨死固定墩和允許固定墩有微小位移設計,其計算公式如下：

1)按錨死固定墩設計。

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計。

固定墩的軸向推力計算公式為：

4 計算實例

某工程,按照如圖 1所示布置管道。其中參數為：管徑為DN1 000,設計壓力為 1.6MPa,設計供、回水溫度為 130℃/70℃,套筒補償器摩擦力為 157 kN,L1＞L2＞Lmax,管線處于錨固狀態下,m=25m,求圖示固定墩的推力。

1)按照錨死固定墩設計,根據式(9)計算得：

2)按照固定墩有位移設計,根據式(10)計算。固定墩計算推力見表 1。

表1 固定墩計算推力

5 結語

通過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計推力,在工程實際中如果安裝空間不足,則可大大減小固定墩的形狀大小,同時可以節約初投資,因此建議在實際工程中設計固定墩時按照允許其有位移設計。

[1] 王 峰.直埋供熱管道設計[D].西安：西安建筑科技大學碩士學位論文,2004：1-3.

[2] 徐日慶.考慮位移和時間的土壓力計算方法[J].浙江大學學報(工學版),2000(4)：370-375.

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

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

[5] 東南大學,浙江大學.土力學[M].北京：中國建筑工業出版社,2007.

[6] CJJ/T 81-98,城鎮直埋供熱管道工程技術規程[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(1982-),男,太原理工大學環境科學與工程學院碩士研究生,山西太原 030024