談直埋供熱管道固定支墩的優(yōu)化設(shè)計

王 琴

(太原市熱力集團有限責(zé)任公司，山西 太原 030012)

我國北方冬季一般較長，且環(huán)境問題比較突出，越來越多的城市采用集中供暖的方式來緩解日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題。集中供暖是指由集中熱源(一般為電廠)工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的蒸汽、熱水，通過供熱管網(wǎng)傳遞給一個城市或部分區(qū)域以滿足其生產(chǎn)、采暖和生活所需的熱量的方式。集中供暖不僅給城市提供穩(wěn)定、可靠的熱源，改善人民物質(zhì)生活，而且能節(jié)約能源，減少城市污染，有利于城市美化，有效地利用城市有效空間。供熱管網(wǎng)的敷設(shè)方式可分為地溝敷設(shè)、架空敷設(shè)和直埋敷設(shè)三種。地溝敷設(shè)由于施工周期長，工程造價高，對城市環(huán)境影響大等缺點，逐漸被具有施工周期短，工程造價低，施工期間對道路居民環(huán)境影響小等特點的直埋敷設(shè)取代，供熱管道現(xiàn)普遍采用直埋方式進(jìn)行敷設(shè)。固定支墩作為直埋管線敷設(shè)的主要支撐結(jié)構(gòu)，通過對固定墩受力分析研究和優(yōu)化設(shè)計為大口徑直埋供熱管道工程施工降低工程造價，加快施工進(jìn)度和管網(wǎng)的安全生產(chǎn)運行具有重要的意義。

1 固定支墩受力分析

直埋供熱管道固定支墩主要承受的荷載可以分為水平荷載、垂直荷載以及扭矩(供、回水供熱管道運行時所承受軸向力不等)。水平荷載為管道在介質(zhì)冷熱運行過程中產(chǎn)生的軸向應(yīng)力、固定支墩由于受到軸向應(yīng)力產(chǎn)生位移承受的主動土壓力和被動土壓力、固定支墩與直埋回填材料間的摩擦力。垂直荷載為固定支墩的自重、固定支墩上覆土的自重、地面交通的活荷載以及供熱管道和管道內(nèi)介質(zhì)的重力。供熱管道在運行期間，固定支墩受到水平荷載和垂直荷載的合力作用，因此在固定支墩的設(shè)計時必須全面的考慮各類載荷的作用。以固定支墩寬、高、厚分別為b，h，d為例，固定支墩上覆土厚度為h1，地面交通活荷載為G1，固定支墩、供熱管道和管道內(nèi)介質(zhì)自重總和為G，固定支墩承受的軸向應(yīng)力為T，固定支墩承受的主動土壓力、被動土壓力分別為Ea，Ep，固定支墩的底面、側(cè)面、頂面與直埋回填料之間的摩擦力分別為f1，f2，f3，供熱管網(wǎng)運行時承受的扭矩為T，固定支墩受力如圖1所示。

供熱管網(wǎng)在運行期間，直埋供熱管道的供、回水管由于溫度的差異，產(chǎn)生的軸向應(yīng)力不同，固定支墩在設(shè)計時分為兩種：

1)按固定支墩錨死狀態(tài)設(shè)計時，固定支墩受軸向力、扭矩、切向力的作用；

2)按固定支墩允許有位移發(fā)生設(shè)計時，固定支墩受軸向力、扭矩、扭轉(zhuǎn)角作用。當(dāng)直埋供熱管道的供、回水管內(nèi)介質(zhì)溫度相等時，按固定支墩錨死設(shè)計或允許有位移設(shè)計時，固定墩僅受軸向力的作用。根據(jù)固定支墩的受力方式，傳統(tǒng)的設(shè)計方法只考慮了固定支墩受溫度和荷載作用的影響，對主、被動土壓力和填料摩擦力對固定支墩的作用影響考慮不足。在進(jìn)行固定支墩設(shè)計時，應(yīng)充分全面考慮各種類型荷載對固定支墩的影響，才能更加符合固定支墩在實際使用過程中的受力，保證設(shè)計的結(jié)果盡可能準(zhǔn)確。

2 固定支墩的設(shè)計原則

2.1 固定支墩類型

直埋供熱管道固定支墩根據(jù)形狀不同可以分為六種，分別為矩形、倒“T”形、翅形、板凳形、單井固定墩、雙井固定墩，具體如圖2所示。在設(shè)計中，根據(jù)直埋供熱管道的具體實際情況，選擇不同的類型，以達(dá)到縮短施工周期、降低工程造價和安全穩(wěn)定的目的。

2.2 固定支墩的穩(wěn)定性計算

固定支墩在設(shè)計中要滿足抗滑移驗算、抗傾覆驗算以及地基承載力驗算。

抗滑移驗算：

(1)

其中，KS為抗滑移系數(shù)；K為固定支墩被動土壓力折減系數(shù)，一般取0.4～0.7；Ep為被動土壓力，kN；Ea為被動土壓力，kN；Ff為直埋供熱管道固定支墩與回填料的摩擦力總和，kN；F為直埋供熱管道對固定支墩的最大推力值，kN。

其中，最大推力值F一般為水壓試驗推力、運行期間管道對固定支墩的推力以及設(shè)計固定支墩所承受單根還是雙根管道推力中的最大值。固定支墩與回填材料的摩擦系數(shù)，計算固定支墩底面、側(cè)面和頂面分別與回填材料的摩擦力時，摩擦系數(shù)按表1選取。

表1 固定支墩與回填材料的摩擦系數(shù)

抗傾覆驗算：

(2)

其中，Kov為抗傾覆系數(shù)；d2為被動土壓力作用點支固定支墩底面的距離，m；d1為主動土壓力作用點支固定支墩底面的距離，m；d3為主動土壓力作用點支固定支墩底面的距離，m；L為固定支墩的厚，m；G為固定支墩的自重和上覆荷載總和，kN。

地基承載力驗算：

σmax=1.2f

(3)

其中，σmax為固定支墩對地基的最大壓應(yīng)力，Pa；f為地基承載力設(shè)計值，Pa。

3 固定支墩受力的影響因素

在實際的施工和運行工況下，固定支墩的受力情況往往較為復(fù)雜，不僅僅包括上文提到的受力類型，還包括在供熱管道的安裝方式、供熱設(shè)備和土壓力等對固定支墩受力的影響。

3.1 直埋供熱管道不同安裝方式對固定支墩的受力影響

直埋供熱管道在實際工程中根據(jù)具體設(shè)計要求采用不同的安裝方式，一般為無補償冷安裝和有補償冷安裝。無補償冷安裝，施工簡單，安裝方便、施工時間短，但當(dāng)設(shè)計的固定支墩所需承受軸向應(yīng)力較大時，固定支墩的結(jié)構(gòu)尺寸也必須較大以保證在各種載荷作用下供熱管道的安全和平穩(wěn)。直埋供熱管道采用無補償冷安裝時，固定支墩的所承受的推力往往隨著管道的不同布置型式、設(shè)置的不同類型附件以及供熱管道直管段的長度等因素而變化。

有補償冷安裝，一般在設(shè)計時需設(shè)置較多的固定支墩和補償器，以使供熱管道對固定支墩的軸向應(yīng)力較低，固定支墩的尺寸往往較小，施工對周圍居民和交通影響小，是目前采用較多的敷設(shè)方式。直埋供熱管道采用有補償冷安裝時，需要在管線上設(shè)置較多的補償器，補償器的不同類型和安裝的不準(zhǔn)確往往造成供熱管道的軸向應(yīng)力與設(shè)計時不相符。

3.2 直埋供熱管道安裝不同設(shè)備對固定支墩的受力影響

直埋供熱管道上需要安裝多種供熱設(shè)備才能保證供熱系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行，如閥門、彎頭、封頭、變徑管以及各類套筒補償器等設(shè)備。供熱設(shè)備在供熱系統(tǒng)運行期間，會產(chǎn)生內(nèi)壓力。內(nèi)壓力一般多出現(xiàn)在彎頭、管道變徑及補償器處，供熱系統(tǒng)的運行壓力越大以及管道的管徑越大，作用在固定支墩上的內(nèi)壓力也越大。

3.3 土壓力對固定支墩的受力影響

直埋供熱管道的固定支墩在實際運行期間承受的土壓力為主動土壓力和被動土壓力。土壓力的大小和分布根據(jù)回填材料、固定支墩位移情況和固定支墩的截面剛度等因素發(fā)生改變而改變。

4 固定支墩的優(yōu)化設(shè)計

1)采用換填法，提高回填材料的摩擦系數(shù)。將固定支墩基礎(chǔ)底部粘性土換填為500 mm厚的碎石墊層，底部材料的摩擦系數(shù)可提高至0.60；將固定支墩周圍的細(xì)砂換填為粗砂，內(nèi)摩擦角可增加至30°，使得固定支墩承受的被動土壓力增大，主動土壓力減小。

2)設(shè)計時，采用允許固定支墩位移的計算方法。固定支墩的位移可以抵消部分管道運行時對支墩施加的軸向力，同時增加固定支墩底部所承受的回填料的摩擦力。

3)增加回填料的密實度，使固定支墩底面、側(cè)面和頂面承受的回填料摩擦力和被動土壓力增加。

5 結(jié)語

在直埋供熱管道的固定支墩設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)固定支墩的受力分析和受力影響因素，綜合全面考慮荷載作用，在保證供熱系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性的前提下，通過增加固定支墩承受的摩擦力、主動土壓力、被動土壓力和允許支墩位移來抵消軸向力的方法降低固定支墩的受力，以解決固定支墩設(shè)計體積大、施工造價高、施工難度大的難題。