多排平行管線鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)程序開發(fā)與研究

許合偉

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

一、程序研發(fā)背景

泵站出水壓力管線采用明管設(shè)計(jì)時(shí)，在明管轉(zhuǎn)彎處、分叉處、不同管材接頭處和明管直線段較長時(shí)應(yīng)設(shè)置鎮(zhèn)墩。在明管直線段上設(shè)置的鎮(zhèn)墩，其間距不宜超過100m。鎮(zhèn)墩作為保證壓力明管線安全穩(wěn)定運(yùn)行的一項(xiàng)重要建筑物，布置在管線轉(zhuǎn)角處的鎮(zhèn)墩可分為豎向轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)墩、水平轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)墩和空間轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)墩。

對(duì)于管徑不全相同的多排平行長距離輸水壓力明管線，同時(shí)為了盡量節(jié)省工程投資，管線間距布置時(shí)會(huì)盡量小，能滿足管道安裝、檢修即可，水平轉(zhuǎn)角處鎮(zhèn)墩做成聯(lián)合鎮(zhèn)墩的形式較為合適。然而，鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)是一項(xiàng)比較繁瑣和需要多次反復(fù)的工作，特別對(duì)于長距離輸水管線，鎮(zhèn)墩數(shù)量多，設(shè)計(jì)任務(wù)繁重。為了能方便快捷地進(jìn)行鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)，目前已有學(xué)者利用Auto CAD軟件并結(jié)合其二次開發(fā)功能研制開發(fā)了幾種單排管線鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算程序[1]~[3]，但尚無適用于多排平行管線鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)的程序。

鹽環(huán)定揚(yáng)黃工程更新改造項(xiàng)目共七座泵站，泵站出水管線主要采用明管敷設(shè)，主管管材為BCCP管和PCP管，承插連接。二泵站管線共3排主管道和1排灌溉管道，主管道為2排DN2000和1排DN1800，從GX0+000至GX4+820為BCCP管，從GX4+820至GX5+537為PCP管。灌溉管道為DN800 PCP管，結(jié)束于樁號(hào)GX2+809處，共5個(gè)水平轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)墩。三泵站管線共3排主管道，主管道為2排DN2000和1排DN1800，從GX0+000至GX2+160為BCCP管，從GX2+160至GX3+081為PCP管，共3個(gè)水平轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)墩。四泵站管線共3排主管道，主管道為2排DN2000和1排DN1800，從GX0+000至GX4+435為BCCP管，從GX4+435至GX5+065為PCP管，共8個(gè)水平轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)墩。

各泵站壓力管線管道數(shù)量不同管徑也不完全相同，特別是在管線水平轉(zhuǎn)角處設(shè)置的鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩底面設(shè)計(jì)為六邊形較為合理，但鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算較為繁瑣。鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算可以利用excel表格進(jìn)行，但需要利用AutoCAD先繪制出鎮(zhèn)墩底面形狀并查詢出鎮(zhèn)墩底面形心、兩條形心主軸及底面對(duì)兩條形心主軸的慣性矩。從初擬鎮(zhèn)墩尺寸到尺寸調(diào)整至滿足鎮(zhèn)墩穩(wěn)定要求，需要反復(fù)進(jìn)行多次計(jì)算，過程比較繁瑣。

本課題為了方便快捷地對(duì)水平轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)墩進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合AutoCAD提供的查詢?nèi)S實(shí)體形心位置、體積、慣性矩等幾何特性的命令工具，通過利用AutoCAD VBA二次開發(fā)語言編制成程序，程序首先根據(jù)輸入的鋼管數(shù)量、管徑、壁厚、管道間距、管道水平和豎向轉(zhuǎn)角、鎮(zhèn)墩控制尺寸、內(nèi)水壓力、摩擦系數(shù)等參數(shù)，構(gòu)造出鋼管、鎮(zhèn)墩的三維實(shí)體和形心主慣性平面，利用CAD命令Mass Prop求出所需的幾何特性值，然后計(jì)算鎮(zhèn)墩承受的荷載，最終計(jì)算輸出鎮(zhèn)墩底面各控制點(diǎn)的應(yīng)力和鎮(zhèn)墩的抗滑安全系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算分析及體形輸出的程序化。

為了方便快捷地對(duì)多排平行管線水平轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)墩進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合AutoCAD提供的查詢?nèi)S實(shí)體形心位置、體積、慣性矩等幾何特性的命令工具，通過利用AutoCAD VBA二次開發(fā)語言編制完成了多排平行管線鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)程序，從而實(shí)現(xiàn)了多排平行管線鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算分析及體形輸出的程序化。

二、程序主要功能及編制思路

可利用本程序?qū)闻殴芫€或多排平行管線進(jìn)行鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)，鎮(zhèn)墩類型包括豎向轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)墩、平面轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)墩、空間轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)墩。目前本程序最多可用于六排平行管線的鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)。

首先，程序根據(jù)輸入的管道信息（管道數(shù)量、管徑、壁厚、管道間距、管道水平和豎向轉(zhuǎn)角、內(nèi)水壓力等）、鎮(zhèn)墩信息（鎮(zhèn)墩體型自動(dòng)生成控制參數(shù)、摩擦系數(shù)、埋深等參數(shù)），構(gòu)造出管道、鎮(zhèn)墩的三維實(shí)體和形心主慣性平面，利用CAD命令Mass Prop求出所需的幾何特性值，然后計(jì)算鎮(zhèn)墩承受的荷載，計(jì)算鎮(zhèn)墩的抗滑安全系數(shù)，并判斷抗滑安全系數(shù)是否滿足規(guī)范要求，若不滿足程序自動(dòng)加大鎮(zhèn)墩尺寸，重新生成三維實(shí)體鎮(zhèn)墩和計(jì)算鎮(zhèn)墩的抗滑安全系數(shù)，直至抗滑安全系數(shù)滿足規(guī)范要求?？够踩禂?shù)滿足要求后，程序計(jì)算出鎮(zhèn)墩底面的基底應(yīng)力，判斷鎮(zhèn)墩底面基底應(yīng)力是否滿足地基承載力的要求，若滿足程序終止并輸出最終的計(jì)算結(jié)果，若不滿足鎮(zhèn)墩底部自動(dòng)增加擴(kuò)展基礎(chǔ)，重新生成三維實(shí)體鎮(zhèn)墩和計(jì)算鎮(zhèn)墩基底應(yīng)力，直至基底應(yīng)力滿足地基承載力要求。最終輸出鎮(zhèn)墩的抗滑安全系數(shù)和鎮(zhèn)墩底面各控制點(diǎn)的應(yīng)力。

三、程序主要編制依據(jù)

（一）根據(jù)鎮(zhèn)墩受力特點(diǎn)，作用于鎮(zhèn)墩上的力主要有以下幾類

1.平面彎管鎮(zhèn)墩受內(nèi)水壓力的軸向力F及合力R：

式中：D為管徑；

r為水容重；

H為作用于管中心線的水頭；

α為管道的平面轉(zhuǎn)彎角度，見下圖。

圖1 平面轉(zhuǎn)角管道鎮(zhèn)墩受內(nèi)水壓力示意圖

2.立面彎管鎮(zhèn)墩受內(nèi)水壓力的軸向力F及合力R1、豎直合力R2：

式中：D為管徑；

r為水容重；

H為作用于管中心線的水頭；

α為管道的立面轉(zhuǎn)彎角度，見下圖。

圖2 立面轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)墩受內(nèi)水壓力示意圖

3.彎管處水流的離心力R0：

式中：g為重力加速度；

α為管道的轉(zhuǎn)彎角度，其余同上。

4.彎管處水流的離心力R0：

式中：g為重力加速度；α為管道的轉(zhuǎn)彎角度，其余同上。

根據(jù)《基于VB語言的鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序開發(fā)與研究》一文中介紹，彎管處水流離心力R0與彎管處內(nèi)水壓力R的軸向力相比較小，計(jì)算中可忽略不計(jì)。

5.管重及水重

6.地震荷載

（二）鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式按照以下進(jìn)行計(jì)算

土基或巖基采用抗剪公式：

巖基也可采用抗剪斷公式：

式中：Kc——抗滑安全系數(shù)；

∑G——作用于鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)底面以上的全部豎向荷載；

∑H——作用于鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)底面以上的全部水平向荷載；

A——鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)底面面積；

f——鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)底面與地基之間的摩擦系數(shù)；

f’——巖基上鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)底面與地基之間的抗剪斷摩擦系數(shù)；

C’——巖基上鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)底面與地基之間的抗剪斷粘結(jié)力。

3、鎮(zhèn)墩基底應(yīng)力按照以下公式計(jì)算：

式中：

Z——計(jì)算點(diǎn)到XOY平面的高度，取坐標(biāo)的絕對(duì)值。

四、程序主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

本程序默認(rèn)將水平轉(zhuǎn)角或空間轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)墩底面設(shè)計(jì)為六邊形，豎向轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)墩底面設(shè)計(jì)為矩形。對(duì)于明管鎮(zhèn)墩，當(dāng)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)已滿足規(guī)范要求而基底應(yīng)力又超過地基承載力允許值時(shí)，鎮(zhèn)墩底部可以考慮增加懸挑以減少基底應(yīng)力。

（一）主要參數(shù)定義

管道編號(hào)順?biāo)鞣较驈挠蚁蜃笠来芜M(jìn)行編號(hào)。

管線水平轉(zhuǎn)角，逆時(shí)針為正。

上游管道中心線與水平面的夾角，管道中心線在轉(zhuǎn)折點(diǎn)水平面上方夾角為正。

下游管道中心線與水平面的夾角，管道中心線在轉(zhuǎn)折點(diǎn)水平面上方夾角為正。

圖3 鎮(zhèn)墩平面示意圖

（二）程序設(shè)計(jì)界面

圖1 程序數(shù)據(jù)輸入界面

圖2 程序計(jì)算結(jié)果輸出界面

（三）程序自動(dòng)輸出的鎮(zhèn)墩三維模型示例

算例1 鎮(zhèn)墩三維模型（底部無懸挑）

算例2 鎮(zhèn)墩三維模型（底部有懸挑）

結(jié)語：

本文針對(duì)多排平行管線水平轉(zhuǎn)角鎮(zhèn)墩，經(jīng)過研究開發(fā)了多排平行管線鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)程序，利用該程序用戶可通過可視化界面直接輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，包括管道信息和鎮(zhèn)墩信息，運(yùn)行后將自動(dòng)生成三維實(shí)體鎮(zhèn)墩并可通過可視化界面直接查看計(jì)算結(jié)果。目前該程序已應(yīng)用于實(shí)際工程的設(shè)計(jì)中去，提高了工作效率，具有一定的推廣價(jià)值。