管道鎮(zhèn)墩設(shè)計程序化計算的思路和應(yīng)用

(陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710018)

1 鎮(zhèn)墩的結(jié)構(gòu)形式及荷載

1.1 鎮(zhèn)墩的結(jié)構(gòu)形式

鎮(zhèn)墩是一種管道支承結(jié)構(gòu)，其作用是固定管道并承受管道傳來的軸向力。在平面上，管道的轉(zhuǎn)彎處由于水流離心力、水壓力及溫度變化等作用，有使管節(jié)拉裂、變形縫張開、管軸線變形等趨勢；在縱向上，斜坡上的管道有下滑的傾向。設(shè)置鎮(zhèn)墩后，這些不平衡力可由鎮(zhèn)墩承擔(dān)，從而改善管道本身的受力狀況。

鎮(zhèn)墩設(shè)計一般都為重力式，其作用是利用自重維持其本身的穩(wěn)定，以達(dá)到平衡這些作用于鎮(zhèn)墩上的不平衡力。

1.2 鎮(zhèn)墩的荷載計算及荷載組合

鎮(zhèn)墩作為管道的固定端，承受著由上、下游壓力水管傳來的軸向力、部分管重、水重產(chǎn)生的法向力和地震荷載，其中軸向力為主要荷載。根據(jù)規(guī)范及相關(guān)教材，鎮(zhèn)墩計算時需考慮基本荷載組合及特殊荷載組合。其中基本荷載組合包括管道正常運行情況和正常停機情況(上游停水，閘閥關(guān)閉，管內(nèi)充滿靜水)，特殊荷載組合包括事故停機情況(發(fā)生事故停泵水錘)和地震情況。

在進(jìn)行以上荷載組合時，應(yīng)注意各力的作用方向，尤其是溫度變化產(chǎn)生的力，在溫升和溫降兩種情況下，作用力方向恰好相反。同時由于各項荷載在力的分解及合成過程中會出現(xiàn)方向不同，故在荷載組合時易出現(xiàn)錯誤。

2 鎮(zhèn)墩程序化設(shè)計的計算

2.1 計算程序的基本思路

鎮(zhèn)墩作為管道的重要支承結(jié)構(gòu)，它的穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個輸水系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。因此，需要通過必要的穩(wěn)定計算來確定鎮(zhèn)墩的體型。在長距離輸水工程中，受地形地質(zhì)等條件的限制，設(shè)置在管道轉(zhuǎn)角處的鎮(zhèn)墩個數(shù)成百上千，涉及到的結(jié)構(gòu)計算工作量巨大，批量化計算就具有十分重要的意義。

本次鎮(zhèn)墩設(shè)計的計算程序的基本思路即是以各項荷載的計算參數(shù)為程序輸入，以上述公式作為基本算法，以滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)計算要求的體型結(jié)構(gòu)尺寸作為程序的輸出，通過程序的不斷迭代，最終實現(xiàn)對每個鎮(zhèn)墩進(jìn)行計算的目的。同時為方便施工，對所計算的鎮(zhèn)墩按照一定的方差，進(jìn)行了歸并處理。

2.2 計算程序的基本算法

鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求包括了鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算、抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)計算及地基承載力驗算。上述計算均以各力的水平合力∑X和垂直合力∑Y為基本參數(shù)，因此在鎮(zhèn)墩計算程序化的過程中，將其計算過程作為基本算法，具體計算如下：

∑X=∑A1×cosα1+∑A2×cosα2-∑Q1×sinα1-∑Q2×sinα2

∑Y=∑A1×sinα1+∑A2×sinα2+∑Q1×cosα1+∑Q2×cosα2

式中：∑A1和∑A2分別為鎮(zhèn)墩上段和下段管軸方向合力；∑Q1和∑Q2分別為鎮(zhèn)墩上段和下段垂直管軸方向合力；α1和α2分別為鎮(zhèn)墩上下段管道傾角；∑X和∑Y分別為鎮(zhèn)墩水平和垂直方向的合力。

3 鎮(zhèn)墩程序簡介

3.1 平臺語言及工具

《陜水環(huán)院鎮(zhèn)墩計算軟件》由我院自主開發(fā)。為充分考慮軟件的的擴展性、安裝使用的便捷性等因素，確定了軟件開發(fā)的平臺語言及工具分別為：Windows X86或X64平臺和C#語言，版本確定為V1.0。

3.2 軟件構(gòu)架

軟件采用構(gòu)建陜水環(huán)院水利計算工具包的思路，采用項目管理的方法進(jìn)行計算，即：每一個計算過程都作為一個項目(Project)進(jìn)行存儲和管理。在對軟件包進(jìn)行功能擴展時，可以將新的計算功能作為一個項目類型進(jìn)行擴充。

軟件開發(fā)不是單純的計算過程界面化，更多地是考慮怎么統(tǒng)籌考慮設(shè)計軟件架構(gòu)和功能的合理性。

3.3 軟件計算方案

3.3.1 原始數(shù)據(jù)

可對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)：導(dǎo)入數(shù)據(jù)、追加數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)；并可通過雙擊單元格，對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要修改。

3.3.2 參數(shù)設(shè)置

可對計算參數(shù)進(jìn)行維護(hù)：導(dǎo)入配置、保存配置；可以通過輸入框?qū)?shù)進(jìn)行修改，并對參數(shù)進(jìn)行保存；通過設(shè)置“按方量進(jìn)行規(guī)整”，將會對計算結(jié)果按照鎮(zhèn)墩體積進(jìn)行規(guī)整。如圖1所示。

圖1 方案規(guī)整

3.3.3 數(shù)據(jù)檢查

通過點擊，對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，顯示以下提示，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)檢查

3.3.4 方案運算

點擊，對方案進(jìn)行計算，計算完成將會有如下提示，如圖3所示。

點擊“抗滑計算”、“抗傾計算”、“基底應(yīng)力”選項卡，查看計算結(jié)果。

3.3.5 成果導(dǎo)出

點擊，導(dǎo)出計算成果，將會有進(jìn)度條和導(dǎo)出完成提示，如圖4所示：

圖4 成果導(dǎo)出

3.3.6 查看成果

成果有：計算成果匯總表和計算書，如圖5所示。

圖5 成果查看

4 結(jié)語

軟件初版研發(fā)后，在陜西省抗旱應(yīng)急水源項目和吳起縣薛岔水源地供水工程中進(jìn)行應(yīng)用。通過鑒選分析，軟件計算成果和傳統(tǒng)計算表格成果雖存在差異，但差異不大，基本都在±1%左右。尤其是在設(shè)計工作中，軟件的運用極大的提高了工作效率，改變了逐個進(jìn)行鎮(zhèn)墩計算的復(fù)雜局面。

由于我們在軟件研發(fā)過程中思路還不夠開闊，加之每一項工程設(shè)計的地理環(huán)境差異，建議在使用過程中，應(yīng)對涉及到參數(shù)作相應(yīng)的調(diào)整，并對成果進(jìn)行合理性分析，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時消除，同時對軟件進(jìn)行升級優(yōu)化。軟件在計算中自動生成每個鎮(zhèn)墩的詳細(xì)結(jié)構(gòu)計算書，設(shè)計人員需對計算書進(jìn)行認(rèn)真校核，確認(rèn)無誤后方可使用計算結(jié)果。