架空壓力管道盲板力的處理方案

羅瑞敏 談祥君（杭州華龍交通勘察設(shè)計有限公司，浙江 杭州 310000）

架空壓力管道盲板力的處理方案

羅瑞敏 談祥君
（杭州華龍交通勘察設(shè)計有限公司，浙江 杭州 310000）

摘 要：架空壓力管道支撐結(jié)構(gòu)是土建工程中一種較特殊的結(jié)構(gòu)物，其特別之處在于：當(dāng)存在管道彎曲、安裝閥門、流通截面發(fā)生變化等情況時，在這些特殊節(jié)段上管道內(nèi)部的流體壓力不能達(dá)到自平衡，這個不平衡的壓力就會對管道節(jié)段產(chǎn)生一個力的作用。由內(nèi)部流體壓強(qiáng)的作用對管道產(chǎn)生的力叫盲板力。在管道尺寸較大內(nèi)壓較高的場合，這個盲板力大得驚人，往往會成為控制支撐結(jié)構(gòu)物設(shè)計的主要因素。在設(shè)計中，如何合理有效的處理盲板力是一個十分關(guān)鍵的技術(shù)問題。本文結(jié)合筆者工作中的一項(xiàng)工程設(shè)計實(shí)踐對盲板力在土建結(jié)構(gòu)中的解決方案進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：壓力管道；支撐結(jié)構(gòu)；盲板力

由于壓力管道的盲板力屬于流體力學(xué)的范疇，而土建工程師們?nèi)粘９ぷ髦忻鎸Φ牧W(xué)問題決大多數(shù)屬于固體力學(xué)的范疇，因此在處理有關(guān)壓力管道的支架時流體壓力引起的盲板力問題容易被忽視，在東北地區(qū)熱網(wǎng)建設(shè)過程中，由于對盲板力這一作用處理不當(dāng)造成的工程事故時有發(fā)生。本文介紹的壓力管道支架設(shè)計中對盲板力的處理方式，希望能給同行提供一個有益的參考。

1 常見壓力管道盲板力作用情況簡介

當(dāng)一段管道其內(nèi)壁四周承受的壓力可以達(dá)到平衡時，流體壓力對該管道節(jié)段的作用僅表現(xiàn)為管道的內(nèi)力；當(dāng)一段管道內(nèi)流體壓強(qiáng)作用在管壁上形成的壓力不能達(dá)到平衡時，此時該管道節(jié)段需要在外力的參與下才能夠達(dá)到平衡狀態(tài)，此時流體壓強(qiáng)對管道形成的合力就叫做“盲板力”。例如對于管道的彎曲節(jié)段，由于沿管軸線四周管壁的面積分布不對稱，因此流體壓強(qiáng)作用在管壁四周的壓力就不能平衡。以矩形截面的管道為例，說明管道彎曲段盲板力產(chǎn)生的原因：

圖1（a）所示的矩形截面彎頭，管道內(nèi)輪廓尺寸為d×h，內(nèi)部壓強(qiáng)為P，該彎頭曲線內(nèi)側(cè)面（曲面ABCDEK）面積要小于外側(cè)面（曲面A’B’C’D’E’K’）面積，其上、下內(nèi)壁面積相等，假定彎頭是剛性的，流體壓強(qiáng)在上、下表面上產(chǎn)生的壓力可以相互抵消，而沿曲線半徑方向的壓力則不能抵消，如果在彎頭的彎曲平面內(nèi)建立如圖1（b）所示的坐標(biāo)系，根據(jù)幾何關(guān)系和力學(xué)關(guān)系可以得出內(nèi)部壓強(qiáng)在頭上產(chǎn)生的合力為：

該合力沿x、y軸的分量分別為：

當(dāng)α＝90°時：

以上式①～⑤中，An為管道截面流通面積。

以上公式就是作用在壓力管道彎曲段上的盲板力表達(dá)式。除了在管道彎曲段會出現(xiàn)不平衡的盲板力之外，在管道截面發(fā)生變化、安裝閥門、管道端部堵頭等位置也會出現(xiàn)不平衡的盲板力。例如當(dāng)管道截面從A1變化至A2時，管道變化段內(nèi)產(chǎn)生的盲板力為

在安裝有調(diào)壓閥門的位置，若閥門前、后管道流通面積和流體壓強(qiáng)分別為A1、A2、P1、P2，則在閥門節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的盲板力為：

對于管道端部的情況，流通面積為A、壓強(qiáng)為P的管端堵頭板上產(chǎn)生的盲板力即為：

2 供熱管線支撐結(jié)構(gòu)中盲板力的解決方案

筆者在最近正在施工的東北某電廠熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目中負(fù)責(zé)熱網(wǎng)主干線跨河支撐結(jié)構(gòu)物的設(shè)計工作，該項(xiàng)目中熱網(wǎng)主干線由4根Φ1220×14mm主管構(gòu)成，跨河架空段結(jié)構(gòu)立面布置如圖2所示：

在供熱管道跨越主河槽段，由于航道通航需要主橋標(biāo)高較高，過河之后，為節(jié)省河灘部分支架結(jié)構(gòu)工程費(fèi)用，供熱管道在主橋兩端下彎降低標(biāo)高以減小河灘上支架高度，架空段兩端管道再次下彎埋入地下。按管道工藝專業(yè)提供給土建結(jié)構(gòu)專業(yè)的技術(shù)資料，每根管道豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值為17kN/m，彎頭處盲板力的水平向分量為2500kN，四根管道累計為10000kN。

圖1

圖2

圖3

對于一般工程結(jié)構(gòu)物來說，10000kN（即1000t）的水平荷載是一個不小的數(shù)值，對這一荷載必須引起相當(dāng)?shù)闹匾?。對于支撐結(jié)構(gòu)來說，承受豎向荷載的結(jié)構(gòu)受力問題較容易解決，而要抵抗很大的水平荷載，在設(shè)計難度和經(jīng)濟(jì)代價方面都要大得多。

分析該架空熱力管道的“盲板力”的作用情況，管道在每次下彎的過程中同時存在兩個直角彎頭，其受力情況如圖3（a）所示：

圖3（a）中，上、下兩個彎頭“盲板力”的豎向分量通過管道豎直段的受拉可以實(shí)現(xiàn)自平衡，剩下一高一低兩個水平分量需要傳遞給固定支撐結(jié)構(gòu)。由于上、下兩個固定支撐承受的水平力的方向相反，如果在兩個固定支撐之間設(shè)一組斜向撐桿，通過斜撐的受壓抵消兩個固定支撐處的水平向荷載，這樣上、下兩個支架的受力變成了承擔(dān)斜撐的豎向分量，由此可將固定支架的荷載由水平力轉(zhuǎn)化為豎向力，從而使得支架受力條件得到明顯改善。如圖3（b）所示。

基于以上分析，在該項(xiàng)目的支架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，供熱管道在鋼桁架主橋兩端的高、低固定支架之間設(shè)置了一組斜向平衡撐桿，平衡撐桿共由5根Φ500×24鋼管組成，如圖4所示。

經(jīng)計算分析表明，采用這一構(gòu)造方式使兩個支架間的“盲板力”相互平衡是有效的，通過斜撐的作用高、低支架間水平荷載可抵消90%以上。

在管道架空段起、終點(diǎn)位置，由于該位置管道埋入地下的深度較大（在最大凍土深度以下），若仍采用設(shè)置斜撐的處理方式，下端基礎(chǔ)開挖較大，而且如果采用與主橋端部相同的鋼構(gòu)件撐桿，其一半埋入地下、一半暴露在外，防腐問題不易解決。考慮到此處管道支架高度不大，設(shè)計采用了群樁基礎(chǔ)與抗推能力較強(qiáng)的箱形墩身項(xiàng)結(jié)合作為管道端部的固定支架，如圖5所示。

圖4

比較圖4與圖5兩類支架，雖然圖4所示的支架高度較大，且較高一側(cè)需要同時承擔(dān)跨河主桁架的荷載，由于引入斜撐后上、下兩個彎頭固定位置的水平荷載相互抵消，因此支架構(gòu)造可以做得較為輕巧，每個基礎(chǔ)僅采用了6根1.2m鉆孔灌注樁。圖5所示的支架由于受條件限制，沒有采用使上下彎頭的水平向盲板力相互平衡的措施，支架需要抵抗管道上端巨大的水平力，因此支架構(gòu)造尺寸相對大的多，其基礎(chǔ)需要12根1.5m樁方可滿足抗推和抗傾覆的受力要求。

圖5

結(jié)語

總結(jié)該項(xiàng)目中架空供熱管道支架設(shè)計的經(jīng)驗(yàn)，在管道規(guī)模較大、盲板力水平較高的場合，如果遇到管道工藝設(shè)計以兩個相連的直角彎頭改變設(shè)計標(biāo)高的情況，在條件允許時，這一位置的固定支架可以通過在上、下兩個支承間設(shè)置斜撐，使兩個彎頭的水平向盲板力形成對頂，引入斜撐后單個支架的受力由水平向的推力轉(zhuǎn)變成為豎向的上拔或下壓，大大改善了支架的受力條件。該熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目熱網(wǎng)主干線跨河架空段的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在高、低固定支架間引入斜撐的處理措施獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號：TU81

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A