長距離輸水工程管道結構分析計算

任創社，李 貞，嚴得俊

（新疆伊犁花城勘測設計研究有限責任公司,新疆 伊寧 835000）

本項目擬通過引用H 河水源,經輸水管道自壓供水,解決K 市中心城區及工程沿線共計8 個城鎮居民近期19.2788 萬人、遠期25.5358 萬人的綜合生活用水安全問題,為項目涉及區域居民提供優質、安全、可靠的飲用水源,實現較好的社會效益和經濟效益。

本項目屬于城鎮供水工程,具有管徑較大、長距離壓力輸水的特點且沿途地形復雜,工程復雜程度和技術含量高。目前長距離大口徑輸水工程中,常用的有鑄鐵管、鋼管、混凝土管、玻璃鋼管等,而鋼管機械強度較好,可以承受較高壓力,對地形適當性較強,并且可以采取涂層防腐等[1]。根據供水工程要求,結合現有管材、依據相關規范、規程以及已建管道工程經驗,對供水管線所用管材進行了相關技術比選,本次長距離供水有壓重力輸水管道中小口徑（DN600 mm～1200 mm）比選選取內容分別為管壁結構、生產工藝、管材規格、力學性能、水力特性、耐腐蝕性、密封性能、耐水錘能力、抗震性能、安裝性能、管理維護、使用壽命、基礎處理、工程投資等方面,選用DN1200 mm×8 mm,DN900 mm×7 mm,DN900 mm×8 mm,DN700 mm×8 mm 壓力等級為0.8 MPa～2.0 MPa 涂塑鋼管。計算選用典型管材規格最薄壁厚計算,內徑900 mm,壁厚7 mm,并選取2 種荷載情況,①最大覆土厚度H1②最小覆土H2+車荷載。

1 計算選用管道根據實際情況得出的已知條件

選用管道的內徑D=900 mm；選用管道管壁設計厚度t=7 mm；運行情況下管頂最小覆土H2=1.5 m；管道以上地面堆積荷載標準值qmk=10 kN/m2,準永久值系數q=0.5；管道的運行時實際內水壓力標準值選取Fwd.k=1.0 MPa；管內在真空狀態時壓力標準值選用Fvk=0.05 MPa；選用管道管材及焊縫強度設計值f=215 MPa；選用管道管材彈性模量Ep=206000 N/mm2；鋼材的重度γst=78.5 kN/m3；鋼材的泊松比υp=0.3；管道頂部及兩側回填土的重度γs=18 kN/m3、變形模量Ee=8 MPa、泊松比υs=0.4；管道開挖基槽兩側原狀土變形模量En=8.85 MPa；管中心處基槽寬度Br=1.7 m；土弧基礎設計計算中心角度為90°。水力計算公式中,與管道內壁粗糙程度相關的系數是影響計算結果的重要參數,內壁一般需進行防腐處理,經過涂裝的管道內壁要光滑得多[2],本次管內防腐為環氧樹脂涂層；結構重要性系數γo=1.1。

2 荷載計算

（1）運行情況下,管頂的豎向土壓力標準值計算公式如下：

式中：Ci為土壓力系數,對柔性管道應取1.0；D1為管道外徑,0.9+0.007×2=0.914 m；Hs為覆土厚度；H1為最大覆土厚度,此值按現場實際情況采用8.5 m；H2為有機械荷載情況下的最小覆土厚度,綜合考慮取1.5 m。

情況①：Fsv,k=139.84 kN/m

情況②：Fsv,k=24.68 kN/m

（2）管道結構自重標準值計算公式如下：

（3）管內水重標準值按下式計算：

3 強度計算

（1）管道兩側土綜合變形模量計算。

根據已知條件Br/D1=1.7/0.914=1.86；Ee/En=8/8.85=0.904

查表得計算參數ζ=1.076

計算可得：管道兩側土的綜合變形模量 Ed=ζEe=1.076×8=8.61 MPa

（2）荷載qik計算。

依據管道管徑,此次計算考慮管道會存在兩個以上單排輪壓綜合影響的情況,按兩個以上單排輪壓綜合影響傳遞到管道頂部的豎向壓力標準值,按下式計算：

式中：n 為車輪的總數量；Dbj為沿車輪著地分布寬度方向,相鄰兩個車輪間的凈距,m；Qvk為輪壓傳遞到管頂處的豎向壓力標準值,kN/m2；Qvi,k為車輛的i 個車輪承擔的單個輪壓標準值,kN；ai為i 個車輪著地分布長度,m；bi為i 個車輪著地分布長度,m；H 為自車行地面至管頂的深度,m；uD為動力系數。

根據規定后軸重力標準值為2×140 kN,既Qvk=140 kN,后輪著地寬度及長度為0.6 m×0.2 m。

情況①：qvk=1.64 kN/m2

情況②：qvk=26.6 kN/m2

qik取堆積荷載10 kN/m2或車荷載qvk兩者取大值。

（3）荷載組合下管壁界面上最大彎矩按此式計算：

式中：M 為在荷載組合作用下,管壁截面上的最大彎矩,N·mm；為彎矩折減系數,可取0.7～1.0；Ep為管材彈性模量,N/mm2,可按表8.4.1-8 采用；Kgm、Kυm、Kwm分別為管道自重、豎向土壓力,管內水重作用下管壁截面的最大彎矩系數；b0為計算寬度,mm；r0為計算半徑,mm；t0為計算壁厚,mm,可取t0=0.975 t-1.5；qik為地面車輛荷載或堆積荷載,應根據設計條件選其大者；γGj為鑄鐵管道結構自重作用分項系數,可取1.2；γG,sυ、γG,ep分別為豎向土壓力及管側土壓力分項系數,可取為管內水重作用分項系數,可取γG,sυ=1.27；γG,ep=1.0；γGw為管內水重作用分項系數，可取1.20；為設計內水壓力及地面車輛荷載或堆積荷載的分項系數,可取1.40；c為可變荷載組合系數,可取0.90。

情況①：M=0.411 kN·m/m=411N·mm/mm

情況②：M=0.145 kN·m/m=145 N·mm/mm

（4）管道在設計內水壓力作用下,會在管壁界面上產生拉力,因此設計內水壓力作用下管壁界面上的拉力設計值按下式計算：

（5）管道在設計內水壓力作用下,會在管壁界面上產生環向應力,因此管壁截面的最大環向應力σθ按下式計算：

情況 ①：σθ=204.92 MPa；ησθ=184.43 MPa

情況 ②：σθ=141.08 MPa；ησθ=126.97 MPa

鋼管管壁界面的最大環向應力滿足強度要求。

（6）在閉合溫差的條件下,管道將沿縱向產生縱向應力。管壁縱向力按式計算：

閉合溫差為降溫時計算：

情況①：σx=139.34 MPa

情況②：σx=120.19 MPa

閉合溫差為升溫時計算：

情況①：σx=-16.39 MPa

情況②：σx=-35.54 MPa

（7）在閉合溫差升降時,管壁會產生較大的應力,計算管壁最大組合折算應力按下式計算：

閉合溫差為降溫時計算：

情況①：σ=179.44 MPa ≤f=215 MPa

情況②：σ=130.56 MPa ≤f=215 MPa

閉合溫差為升溫時計算：

情況①：σ=211.45 MPa ≤f=215 MPa

情況②：σ=160.19 MPa ≤f=215 MPa

鋼管管壁最大組合折算應力滿足強度要求。

4 管壁截面的穩定驗算

（1）首先計算鋼管管壁失穩時的折皺波數n 值,取值應使Fcr,k為最小值并為≥2 的正整數；100to/Do=0.55,Ed=8.61 MPa,n=4。

（2）鋼管管壁截面的臨界壓力按下式計算：

（3）鋼管管壁截面穩定性驗算應滿足下式：

情況①：Fsυ,k/2r0+Fυk+qik=0.2142 MPa

情況②：Fsυ,k/2r0+Fυk+qik=0.1038 MPa

情況①：0.5842/0.2142=2.73 ≥Kst=2.0

情況②：0.5842/0.1038=5.63 ≥Kst=2.0

5 變形驗算

管道在變形驗算是管道結構分析中最為重要的一環,過大的變形量影響管道的正常運行和使用。

鋼管管道在準永久組合作用下的最大豎向變形Wd,max應按下式計算：

表1 管道結構計算成果表

鋼管的豎向變形滿足要求。

同理計算其他管段管道結構計算。

經計算,DN1200 mm×8 mm 的管道極限覆土厚度6.7 m,DN900 mm×7 mm 的管道極限覆土厚度8.5 m,DN900 mm×8 mm 的管道極限覆土厚度5.0 m,DN700 mm×8 mm 的管道極限覆土厚度4.5 m。管道壁厚均可滿足結構要求。

6 結論

本次按此方法計算所采用管道工程已建成2 年,管道運行一切正常,達到了使用要求,通過工程實施,改善了當地飲水水質,使當地居民吃上了放心的自來水；減少了常見傳染性疾病的發生,有效提高了健康水平、生活質量以及工作條件。今后還需要進一步結合地區特性,分析研究有關系數取值的合理性和適用性,并根據現在信息化發展的需要,布設一些探測監測設施,不斷收集關于管道結構分析中的相關數據,以更合理更經濟地服務于工程建設。