基于預應力法的埋地管道固定支墩設計

藍曉民，王盛智，王國維，蘭 天

基于預應力法的埋地管道固定支墩設計

藍曉民1，王盛智2，王國維2，蘭 天3

（1. 遼寧石油化工大學 機械學院，遼寧 撫順 113001； 2. 遼寧石油化工大學 石油與天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；3. 上海惠普大連分公司，遼寧 大連 116000）

地下管道的軸向力對管道系統的危害較大，產生的軸向應變會對管道系統造成破壞，減小這一影響的方法是采用固定墩，但固定墩的體積往往很大，增加了管道系統的成本和施工難度。以往對于解決地下管道固定墩體積過大問題的通用方法是借助地基原狀土的抗力，將支墩設計成異型支墩，但這種方法對于土質情況的準確把握較困難，同時現場地質條件制約的因素較大，計算起來也較復雜。提出預應力處理法，通過對管道的預處理，達到減小管道軸向力和傾覆力矩的影響，實現科學、簡便施工設計的目的。

固定墩；預應力；地下管道

對于埋地管道，在溫度變化和覆土的影響下將會產生熱應力，在彎道兩端、出入土等重要部位都會不可避免地產生軸向力（熱推力）和軸向位移，極有可能給管道系統的特殊部位以及與之配套使用的泵房、閥室等造成破壞[1]。由于施工、土壤等條件的限制，熱應力的計算和解決比較困難，通常采取的方法是用固定支墩來限制管道的變形，從而降低管道因熱脹變形而引起的管道系統破壞。這種做法的不足之處在于，由于固定支墩只是限制了位移，并沒有減小或消除熱應力，計算所得的固定支墩體積很大，而且一旦管道環境的溫差較大，引起管道大的變形時，固定支墩強制限制位移的方法就存在一定的危險，對于管道系統的經濟性、施工效率等都有很大影響，同時通常采用的完全埋地段管道不設置固定支墩的方法，也因土壤夯實程度的不確定性而變得不安全[2]。

固定墩的作用是固定管道，承受管道的水平推力作用，同時，作用于固定支墩上的力還有主動土壓力、被動土壓力、支墩與土的摩擦力、管道及管道內介質的重量、支墩及支墩上的土重量等。我國常用的矩形固定墩，其設計方法主要考慮的就是穩定性（滑移和傾覆）方面的驗算，固定墩產生滑移和傾覆的原因是固定在其上的管道的軸向力，固定墩的設計就是通過受力平衡（沿管道軸向的受力平衡）和力矩平衡（對固定墩傾覆旋轉軸的力矩平衡）得到符合要求的固定墩幾何尺寸[3]。

通過上述方法設計的固定墩體積往往很大，主要是因為要平衡管道對固定墩的推力就要采用下面方法:（1）加大固定墩體積，從而增加了混凝土的用量,加大自重,增加固定墩與土之間的摩擦力,用摩擦力來平衡管道推力；（2）采用加大垂直管道方向固定墩的面積,增加固定墩后背土壓力,用土的被動壓力來平衡管道推力；（3）將支墩設計成異型支墩，借助地基原狀土的抗力去平衡管道對墩的推力。但這些方法對于土質情況的準確把握要求較高，而現場地質條件制約影響的因素較大較多，計算起來也較復雜，這不僅增加了管道系統的成本也使施工難度及維護成本大大增加。本文從另一角度提出預應力處理管道的方法，通過對管道的預應力處理，達到減小管道軸向力和傾覆力矩的影響，從而實現科學、簡便設計固定支墩，解決埋地管道固定支墩體積過大的問題。

1 預應力處理原理

1.1 管道軸向力與變形的關系

預拉（壓）應力在建筑、橋梁等行業已廣泛應用，能有效地提高材料使用性能，節約材料成本。

對于埋地的輸油管道，在安裝時的地溫一般都遠遠低于管道輸送油品時的工作溫度，管道運行時處于熱脹狀態。下面以升溫狀態下埋地直管為例對此方法加以說明，見圖1。

設管的橫截面積為A，彈性模量為E，線脹系數為α。溫度升高△T后，管段將產生一個伸長量，在約束的作用下，管段軸向就會產生壓力P， 由胡克定律管段軸向力P就是作用在固定墩上的推力[4]。

可見當工作環境確定后，管段軸向力P的大小隨管段變形△LP而變。那么要減小管道熱推力P，就需減小△LP，而△LP就是溫差產生的△LT，即

1.2 預應力處理原理

假設長為L的管段，操作溫度高于安裝溫度，即△T=T2-T1＞0（一般輸油輸氣管道均符合這一假設），由線脹定律，管段熱膨脹產生的伸長量為

式中因為α、△T、L均為常量，所以理論上△L無法改變，如果將管段預拉伸0.5△LT，則原來的軸向變形變為

對應的熱推力可由虎克定律求得：

可見熱推力降為原來的一半。

2 固定支墩的預應力處理

固定支墩在埋入地下后，在管道軸向其所受力為管道軸向推力P、土摩擦力及土壓力，見圖2。

考慮墩在未夯實的土中可以有少量位移，所以墩的受力平衡關系為：

墩的力矩平衡關系為：

其中:P=σLA= (σ1－νσ2＋αE△T)A（N）

σL—管道軸向應力。

下面通過實例來比較管道預應力處理前后固定墩大小的變化。

φ460×9埋地管道，管材16MnR，線脹系數α＝1.22×10-5，彈性模量E=20.58×1010N/m2。管道輸送壓p=3.92 MPa，溫差△T=30 ℃，摩擦角?＝300，墩尺寸a=2 m，H=1 m，H0=1.2 m。土的單位體積重γ0＝17 640N/m3，墩的單位體積重γ墩＝23 520 N/m3，土與墩的摩擦系數μ＝0.5，要求設計b的大小。

處理前：

處理后：

得b≥2.89 m,綜上：b取2.89 m，墩體積V＝abH=5.78 m3，為處理前的46%[5-8]。

3 結束語

地下管道的固定墩設計，關系到管道系統的安全以及設計施工成本，本文闡述的方法只是在減小固定墩體積的某一方面的初步嘗試，還有巨大空間進行探索，以達到安全與經濟性的完美統一。

［1］ 唐永進．壓力管道應力分析[M]. 北京：中國石化出版社，2007．

［2］ 李維特. 熱應力理論分析及應用[M]. 北京：中國電力出版,2004.

［3］ 潘家華．油罐及管道強度設計[M]. 北京：石油工業出版社，1986．

［4］ 蘇翼林. 材料力學（上冊）[M]. 北京：人民教育出版社，1981.

［5］ 查克勇，楊緒運，何仁洋,等. 管系應力計算在工業管道檢驗檢測中的應用[J]. 管道技術與設備，2010 (1)：66-72．

［6］ GB 50253—94．輸油管道設計規范[S]．

［7］ 徐芝綸．彈性力學（下冊）[M]. 北京：人民教育出版社，1982.

［8］ 田娜，陳保東，何利民，等. 同溝敷設原油和成品油管道三維溫度場的數值模擬[J].石油化工高等學校學報 ，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

藍曉民（1960-），男，浙江青田人，教授，1982年畢業于撫順石油學院機械系，研究方向：CAD、科學計算可視化、參數化設計。E-mail：lanxiaomin@163.com。