鐵路集裝箱中心站通信管道選材方案研究

吳 彥

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

2004年初國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中明確提出，全國(guó)將建設(shè)18個(gè)集裝箱中心站。在鐵路集裝箱中心站中，通信管道除覆蓋常規(guī)鐵路站場(chǎng)、建筑物之間外，還覆蓋了集裝箱堆場(chǎng)等大型機(jī)械作業(yè)場(chǎng)所和集卡等重載交通工具通行道路。本文將根據(jù)集裝箱中心站通信管道的需求，對(duì)鍍鋅鋼管、PVC管、PVC-U管、HDPE、玻璃鋼夾砂管等管材性能進(jìn)行比較分析，對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境下的通信管道選材進(jìn)行研究。

1 鐵路集裝箱中心站對(duì)通信管材的要求

鐵路集裝箱中心站通信管道工程與普通市政通信管道的區(qū)別:在集裝箱箱場(chǎng)未成形前即需要預(yù)埋管道，各專業(yè)交叉施工多，重型機(jī)械設(shè)備多，管道在初步回填后面臨重型設(shè)備多次碾壓，箱區(qū)鋪面成型后重壓荷載大。因此，鐵路集裝箱中心站通信管道對(duì)管材的要求是：管材抗壓強(qiáng)度大、對(duì)光電纜無(wú)腐蝕性、管口和管孔內(nèi)壁的光滑性好、密閉性能好、運(yùn)輸及施工方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，使用年限長(zhǎng)。

2 影響管材選擇的因素

2.1 靜荷載

作用于通信管道上的力主要分為兩種：靜荷載與活荷載。管道的靜荷載可分為垂直壓強(qiáng)和水平壓強(qiáng)，其中垂直壓強(qiáng)與管道的埋深、形狀和結(jié)構(gòu)有關(guān)。

靜荷載簡(jiǎn)單計(jì)算方法如下：

Pj=P路面+P填土+P自重=Σ（ni×ki×γ×h×L）+P自重

其中：

ni：超載系數(shù)（路面取1.1，回填土取1.2，混凝土取1.1）；

ki：回填土的集中系數(shù)（粘土取1.2，砂土取1.1）；

γ：?jiǎn)挝惑w積的容重（花磚取1 700，混凝土取2 400，鋼筋混凝土取2 500，地下水位以上回填土取1 800，地下水位以下回填土取2 000）；

h：路面或填土或混凝土的厚度；

L：構(gòu)件斷面外緣的寬度。P管材自重=ρ×t

其中：

ρ：管材體積密度；t：管材厚度。在實(shí)際計(jì)算中，因管材自重較輕，相對(duì)計(jì)算結(jié)果可忽略不計(jì)。

當(dāng)管材埋深為0.7時(shí)，作用于管道上的靜荷載

當(dāng)管道埋深為1.2時(shí)，作用于管道上的靜荷載

2.2 活荷載

管道的活荷載指各種機(jī)動(dòng)車輛在管道上方的路面行駛時(shí)，通過土壤傳至管道的荷重?；詈奢d對(duì)管道的作用力示意如圖1所示。

活荷載計(jì)算公式為：Ph=nΣG/ab

其中：

n：荷載系數(shù)（覆土大于25 cm小于50 cm取1.2，覆土小于25取1.4，覆土大于50 cm取1）；

G：汽車后輪總荷重（可按汽車總載重量的3/4進(jìn)行計(jì)算）；

a：壓力擴(kuò)散面的寬度；

b：壓力擴(kuò)散面的長(zhǎng)度；

活荷載在道路中壓力的分布角一般取30°～45°，此處取30°。

a= 2×H×tg30°+汽車輪距（×2）+后輪著地寬度+汽車間距

b=2×H×tg30°+后輪著地長(zhǎng)度

注：上述公式中，（×2）中表示兩輛汽車并列行駛情況；汽車輪距一般取1.8，后輪著地寬度取0.6，汽車間距取1.3，后輪著地長(zhǎng)度取0.2。

當(dāng)兩輛集裝箱卡車并列行駛時(shí)，且管道埋深為0.7 m時(shí)：

（汽車為15級(jí)汽車時(shí)，

當(dāng)兩輛集裝箱卡車并排通過箱區(qū)道路，且管道埋深為1.2 m時(shí)：

（假設(shè)兩輛集裝箱卡車均裝卸40英尺高柜且滿載，滿載重量按30 t計(jì)算

Ph=2× 30×0.75×9.8 kN/10.91103 m2

=40.42 kN/m2=0.412 kgf/cm2）

2.3 管壁的彎曲應(yīng)力（管道埋深≥0.5 m時(shí)）

其中：

σ：彎曲應(yīng)力（MPa）；

K1：管道在靜荷載作用下的彎矩系數(shù)，一般取0.132；

K2：管道在活荷載作用下的彎矩系數(shù)，一般取0.076；

R0：管厚中心半徑 R0=r+（R-r）/2（cm）；

W：?jiǎn)挝还荛L(zhǎng)的管壁截面系數(shù)（cm3/cm）；

I：?jiǎn)挝还荛L(zhǎng)在管壁截面慣性矩（cm4/cm）；

δ：管壁厚度（cm）。

2.4 管道在荷載作用下的直徑變形率（上限5%）

其中：

E：管材的彈性模量（MPa）；

K1：管道在靜荷載作用下，管道垂直方向直徑變形的計(jì)算系數(shù)；

K2：管道在活荷載作用下，管道垂直方向直徑變形的計(jì)算系數(shù)。

3 集裝箱中心站通信管材的不同應(yīng)用環(huán)境

1）管道敷設(shè)在綠化帶內(nèi)

當(dāng)管道敷設(shè)在綠化帶內(nèi)時(shí)，管道上方主要承受的是靜荷載，通信管材埋深為0.7 m。

2）管道敷設(shè)在箱區(qū)道路下，與道路垂直

因箱區(qū)道路鋪面結(jié)構(gòu)層厚約80 cm，此時(shí)管材上方承受靜荷載與活荷載（取活荷載重量為30 t），通信管材埋深≥1.2 m。

3）管道敷設(shè)在箱區(qū)道路下，與道路平行

結(jié)合箱區(qū)平面布置總圖，集裝箱與箱區(qū)道路距離在1.5 m左右，此時(shí)可將管道敷設(shè)在兩者之間，這時(shí)管材承受的主要是靜荷載，管材埋深≥1.5 m計(jì)算。

4）管道敷設(shè)在箱區(qū)集裝箱堆場(chǎng)正下方

管道敷設(shè)在箱區(qū)集裝箱正下方時(shí)，管道上方主要考慮承受道路及集裝箱滿載靜荷載，通信管材埋深≥1.5 m（箱區(qū)鋪面結(jié)構(gòu)層厚度1.2 m）。

4 管材的彎曲應(yīng)力及直徑變形率計(jì)算

目前，市場(chǎng)上可供作為通信管道的材料主要包括鍍鋅鋼管、PVC管、PVC-U管、HDPE、玻璃鋼夾砂管，其主要特性如表1所示。

表1 通信管道材料的特性

PVC管材柔韌性有限,脆性大，難以滿足集裝箱箱區(qū)的荷載要求；玻璃鋼夾砂管雖然強(qiáng)度最大，但價(jià)格最貴，本文不推薦。而PVC-U和HDPE管作為新型管材產(chǎn)品，已在各種建設(shè)項(xiàng)目中普遍采用，本文將主要針對(duì)PVC-U管、HDPE管進(jìn)行比選。

考慮我國(guó)對(duì)柔性管的變形計(jì)算都采用Spangler推導(dǎo)的依何華公式，在實(shí)際應(yīng)用中，管道的直徑變形率ε按不超過5%控制。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管道敷設(shè)在不同環(huán)境下直徑變形率進(jìn)行計(jì)算。

4.1 PVC-U管材

PVC-U管材（PVC-U φ110管材厚度為3.5 mm，φ160管材厚度5 mm）在不同埋深情況下的彎曲應(yīng)力及直徑變形率計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，在PVC-U管材與道路方向垂直或位于集裝箱堆場(chǎng)正下方時(shí)，管材直徑變形率不滿足要求，其余情況均滿足。

表2 RVC-U管材的彎曲應(yīng)力及直徑變形率計(jì)算

4.2 HDPE管材

HDPE管材（HDPE φ110管材厚度為5.3 mm，HDPE φ160管材厚度為7.7 mm）在不同埋深情況下的彎曲應(yīng)力及直徑彈性變形率計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，當(dāng)HDPE管材位于集裝箱堆場(chǎng)正下方時(shí)，管材直徑變形率不能滿足要求，其余情況均滿足。

表3 HDPE管材的彎曲應(yīng)力及直徑彈性變形率計(jì)算

5 通信管道材料的選擇

綜合考慮PVC-U與HDPE管造價(jià)及在不同埋深條件下的彎曲應(yīng)力及直徑變形率，在鐵路集裝箱中心站，當(dāng)通信管道敷設(shè)在綠化帶或與道路平行敷設(shè)時(shí),可以采用PVC-U管材，降低工程造價(jià)；當(dāng)通信管道敷設(shè)在集裝箱箱區(qū)堆場(chǎng)正下方或與道路垂直敷設(shè)時(shí),為穩(wěn)妥起見,宜采用鍍鋅鋼管。

6 結(jié)束語(yǔ)

在鐵路集裝箱中心站中，通信管道由于工程規(guī)模較大，因此，有必要追蹤通信管道材料的更新?lián)Q代，選擇最佳性價(jià)比的管道材料應(yīng)用于工程實(shí)際，有效地節(jié)省工程投資。

[1]江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院．管道埋深及荷載計(jì)算.

[2]高復(fù)棟．埋地硬聚氯乙烯排水管道設(shè)計(jì)施工中的若干問題[J].特種結(jié)構(gòu)．1999（3）：1-8.