直埋熱網(wǎng)管道固定支墩設(shè)計(jì)分析

摘 要：熱電廠熱網(wǎng)管道及城市集中供熱管道常采用直埋方式敷設(shè)，但對直埋管道固定支墩設(shè)計(jì)分析的相關(guān)理論及處理方法并不完善，本文在工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，對固定支墩尺寸設(shè)計(jì)、樣式、配筋計(jì)算進(jìn)行了分析總結(jié)，為類似設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：供熱管道；固定支墩；土壓力；設(shè)計(jì)

中圖分類號：TU995.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-3362（2013）10-214-01

引言

目前，隨著我國熱電廠的建設(shè)和北方地區(qū)城市集中供熱的發(fā)展，熱力管道敷設(shè)越來越廣泛。管道敷設(shè)方式主要為架空、地溝和直埋。

架空方式不但占據(jù)地下空間，而且需要地上空間，影響美觀，在地上空間有限的廠區(qū)及城市很受限制。

地溝敷設(shè)方式需要年年進(jìn)行維修，供熱成本較高，同時(shí)接縫多，熱損失大，能源浪費(fèi)嚴(yán)重，施工周期長，對城市交通影響大，工程造價(jià)高等問題。

經(jīng)過近年來的應(yīng)用證明，供熱管道直埋敷設(shè)具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，優(yōu)點(diǎn)如下：工程造價(jià)低；熱損失小，節(jié)約能源；防腐、絕緣性能好、使用壽命長；占地少、施工快、有利于環(huán)境保護(hù)和減少施工擾民。因此，直埋方式已成為供熱管道最普遍采用的敷設(shè)方式。

同架空敷設(shè)、地溝敷設(shè)供熱管道一樣，直埋供熱管道上設(shè)置固定支墩，其目的同樣是限制管道軸向位移。固定支墩一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

1 固定支墩形狀及間距

固定支墩形狀通常采用長方體、倒“T”形體、箱式等，其中長方體、倒“T”形體固定支墩應(yīng)用較多，箱式固定支墩和管道閥門小室、補(bǔ)償小室、泄水排氣小室等合用，以降低土建造價(jià)。

為了節(jié)約投資，固定支墩間距應(yīng)盡可能的大，同時(shí)固定支墩間距必須滿足下列條件：管道的熱伸長量不得超過補(bǔ)償器所允許的補(bǔ)償量；管道因膨脹和其他作用而產(chǎn)生的推力，不得超過支墩所能承受的允許推力。

2 固定支墩設(shè)計(jì)

2.1 固定支墩受力荷載

固定支墩主要承受管道的熱膨脹冷縮約束力、內(nèi)壓不平衡力和活動段位移產(chǎn)生的作用力，同時(shí)作用于固定支墩上的外力還有主動土壓力、被動土壓力、支墩與土的摩擦力。垂直外力有管道自重及管道內(nèi)介質(zhì)的重量、支墩及支墩上的土重量。

土壓力可按朗肯土壓力理論計(jì)算。在工程設(shè)計(jì)中，因工藝允許的管道位移量不能達(dá)到最終的被動土壓力，故設(shè)計(jì)中被動土壓力必須進(jìn)行折減，折減系數(shù)一般取K=0.4～0.7。

2.2 固定支墩設(shè)計(jì)穩(wěn)定性驗(yàn)算

2.2.1 抗滑移驗(yàn)算

（1）

式中 Ks—抗滑移系數(shù)；

K—固定支墩后背土壓力折減系數(shù)，取0.4～0.7；

Ep—主動土壓力（N）；

f1、f2、f3—固定支墩底面、側(cè)面及頂面與土壤產(chǎn)生的摩擦力（N）；

Ea—被動土壓力（N）；

T—供熱管道對固定支墩作用力（N）。

因混凝土側(cè)壁及頂面與填土間摩擦力不能精確計(jì)算，在實(shí)際計(jì)算中不考慮側(cè)壁及頂面和土之間的摩擦力，所以求得的抗滑移系數(shù)偏小。因此，這一理論用于工程中是偏于安全的。

2.2.2 抗傾覆驗(yàn)算

（2）

式中 Kov—抗傾覆系數(shù)；

X1—主動土壓力作用點(diǎn)至固定支墩底面的距離（m）；

X2—被動土壓力作用點(diǎn)至固定支墩底面的距離（m）；

G—固定支墩自重（N）；

G1—固定支墩上部覆土重（N）；

d—固定支墩厚度（m）；

H、h2—固定支墩底面、管道中心至地表面距離（m）；

Ep、Ea、T—見式（1）。

2.2.3 地基承載力驗(yàn)算

（3）

式中 Pmax—固定支墩產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力（Pa）；

M—作用于固定支墩底面的力矩（N.m）；

W—固定支墩底面的抵抗矩（m3）；

A—固定支墩底面面積（m2）；

f—地基承載力特征值（Pa）；

G、G1—見式（2）。

2.2.4 強(qiáng)度驗(yàn)算

管道固定支墩的強(qiáng)度及配筋計(jì)算應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（50010-2010）的規(guī)定。制作固定支墩所用混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C20，鋼筋直徑不應(yīng)小于9mm，間距不應(yīng)大于250mm。鋼筋應(yīng)雙向布置，保護(hù)層不應(yīng)小于30mm，固定墩穿洞口處應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)筋。

2.3 注意事項(xiàng)

在實(shí)際工程中當(dāng)管道推力很大時(shí)，同時(shí)固定支墩尺寸受場地等限制，為了減小固定支墩尺寸，可以采用以下?lián)Q填的方法，增大支墩的被動土壓力和摩擦力。

采用底部換填法。在支墩基礎(chǔ)的底部換填厚碎石墊層，摩擦系數(shù)可達(dá)到0.6，摩擦力比粘性土增加了1倍。支墩周圍換填粗砂，內(nèi)摩擦角可達(dá)到30°，被動土壓力比粘性土增加了1.1倍，主動土壓力比粘性土減小了1倍。

由于支墩受力比較復(fù)雜，因此支墩配筋沒有精確的計(jì)算模型，本文建議矩形固定支墩可按受沖切承載力構(gòu)件和局部受壓承載力構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算配筋。倒T形固定支墩上部構(gòu)件可按懸挑梁進(jìn)行計(jì)算，底部構(gòu)件可按獨(dú)立基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。

此外，埋地管道受到土壤的支承作用。因此，分析埋地管道及其固定支墩受力情況時(shí)，必須考慮土的差別所在。在固定支墩所受推力中，土壤對推力的影響最大，因此提高管道和固定墩周圍的土壤夯實(shí)程度對減小彎頭內(nèi)力有很大益處。

3 結(jié)語

本文對固定支墩進(jìn)行了簡要的受力和結(jié)構(gòu)分析，關(guān)于固定支墩的設(shè)計(jì)還涉及到很多內(nèi)容，隨著對直埋管道的理論研究和產(chǎn)品開發(fā)的不斷完善，對固定支墩的優(yōu)化設(shè)計(jì)也必然產(chǎn)生很好的效果，進(jìn)而充分發(fā)揮固定墩的作用。本文可作為同類型固定支墩的設(shè)計(jì)參考，對增加熱網(wǎng)管網(wǎng)的可靠性和使用壽命具有積極意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 王飛，張建云.直埋供熱管道工程設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2] 中華人民共和國建設(shè)部.CJJ/T 81-98 城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[3] 中國人民共和國建設(shè)部.05R410 熱水管道直埋敷設(shè)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.