并行柔性接口給水管道水平彎頭支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算優(yōu)化的研究

苑立雙 張皓天 干杰軍 管濱 楊曉偉 馮長(zhǎng)富

中建三局安裝工程有限公司，中國(guó)·北京 100089

以某輸配水管道工程為依托，針對(duì)圖紙中支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那闆r及標(biāo)準(zhǔn)圖集不完善之處，查閱設(shè)計(jì)文獻(xiàn)及標(biāo)準(zhǔn)圖集，分析壓力管道支墩結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)以及受力計(jì)算中需要考慮的問(wèn)題。通過(guò)軟件模擬受力分析制定出適合并行柔性接口給水管道支墩設(shè)計(jì)及計(jì)算的解決方案，使室外埋地給水管道柔性接口得到更有效的保護(hù)。

柔性接口；給水管道支墩；支墩結(jié)構(gòu)

1 引言

為提高供水的可靠性和穩(wěn)定性，在市政管道工程建設(shè)與改造中多采用雙管路供水，即兩條并行管線之間設(shè)置連通管。日常同時(shí)使用，發(fā)生故障時(shí)互為備用，無(wú)需整條管線全部停止運(yùn)行，以此保證供水體系的運(yùn)行。

設(shè)計(jì)規(guī)范明確指出管道中水流通過(guò)承插接頭的彎頭、三通支管等處產(chǎn)生的外推力大于接口所能承受的拉力時(shí)應(yīng)設(shè)置支墩，以防止接口松動(dòng)脫節(jié)。其相關(guān)設(shè)計(jì)原則及計(jì)算一般可以參照《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第三版）《10s505+柔性接口給水管道支墩》《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）等資料的相關(guān)內(nèi)容。

查閱以上設(shè)計(jì)資料，其指導(dǎo)支墩設(shè)計(jì)是針對(duì)于單根供水管道系統(tǒng)，在雙管路或多管路并行靠近排列時(shí)，支墩安裝空間不足導(dǎo)致指導(dǎo)性不強(qiáng)。支墩是保證壓力管道受力風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)安全性的重要構(gòu)筑物，起到阻止管線彎頭側(cè)移的作用。為滿足市政管網(wǎng)建設(shè)的實(shí)際需要，提出多條并行管線支墩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算方案勢(shì)在必行[1]。

2 工程概況

某輸配水管網(wǎng)工程總長(zhǎng)22km，在用地紅線12m寬的帶狀范圍內(nèi)敷設(shè)4條給水管線，采用PVC-UH橡膠圈承插接口管道，設(shè)計(jì)地基承載力≥100Kpa，管道工作壓力為1.1Mpa，試驗(yàn)壓力為1.5Mpa，埋深不小于2.2m，如圖1，圖2所示。

圖1 管道溝槽橫斷面圖

圖2 管道排布平面圖

2.1 支墩設(shè)置原則

（1）采用承插接口管道，應(yīng)根據(jù)其接口允許承受的內(nèi)壓力和管配件形式，按試驗(yàn)壓力進(jìn)行支墩計(jì)算。

（2）支墩不應(yīng)設(shè)置在松土上；利用土體被動(dòng)土壓承受推力的水平支墩的后背必須為原狀土，并保證土體與支墩緊密接觸，如有空隙需用與支墩相同材料填實(shí)。

（3）水平支墩后背土壤的最小厚度應(yīng)大于墩底在設(shè)計(jì)地面以下深度的3倍。

（4）支墩的尺寸是隨管徑、管道彎角的角度、管道的設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力、覆土深度、土壤等效內(nèi)摩擦角、地基承載力特征值等參數(shù)的變化而變化的。

（5）大尺寸支墩可能在城鎮(zhèn)建設(shè)中受施工作業(yè)面的限制而難以實(shí)施，遇到這種情況時(shí)，工藝設(shè)計(jì)人應(yīng)避免在施工作業(yè)面受制區(qū)域設(shè)計(jì)大尺寸支墩。

（6）當(dāng)支墩尺寸超過(guò)8m時(shí)，應(yīng)在長(zhǎng)度方向的支墩表面雙向布置溫度應(yīng)力鋼筋。

2.2 單管支墩的設(shè)計(jì)原則及公式

（1）管道截面計(jì)算外推力：考慮接口允許承受內(nèi)水壓后的管道截面計(jì)算外推力P：

式中P0——按國(guó)家驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)壓力（N/mm2）。

Ps——各種接口允許內(nèi)水壓力（N/mm2）。

D——管道內(nèi)徑（mm）。

k——考慮把接口不均勻性等因素取用的設(shè)計(jì)安全系數(shù)（k ＜1）。

（2）水平彎管截面計(jì)算外推力P 對(duì)支墩產(chǎn)生的壓力R如圖3所示。

式中α——彎管的角度（°）

圖3 彎管受力示意圖

（3）水平彎管的支墩，截面外推力的合力R 應(yīng)小于支墩后背被動(dòng)土壓力與支墩底面摩擦阻力之和，如圖4所示。

KR≤支墩總阻力T:

T=T1+T2(N)

式中K——安全系數(shù)，K ≥1.5。

TI——被動(dòng)土壓力（N）。

T2——底面摩擦力（N）。

以圖4所示水平單彎管支墩為例；

圖4 水平彎管支墩計(jì)算

其中φ——土層內(nèi)摩擦角。

γ——支墩底面上的土層重力密度（N/m3）。

h1——支墩頂在設(shè)計(jì)地面以下深度（m）。

h2——支墩底在設(shè)計(jì)地面以下深度（m）。

l——支墩長(zhǎng)度（m）。

G——整個(gè)支墩的重量（N）。

f——支墩與土壤間的摩擦系數(shù)。

3 支墩設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題

查閱《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第三版）《10s505+柔性接口給水管道支墩》《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）等資料，資料中所有支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸設(shè)計(jì)都基于單管道支墩。

支墩結(jié)構(gòu)分成兩部分，采用油氈或模板等材料隔開，形成沉降縫。第一部分為包裹管道彎頭部分的混凝土墩，主要承受管道彎頭的外推力、墩底摩擦力、以及支墩靠背的反推力。第二部分為原狀土與第一部分支墩之間的混凝土墩，主要承受第一部分支墩所給的水平推力、底面摩擦力、被動(dòng)土壓力。

若參照單管道支墩標(biāo)注圖集布置方式，存在以下兩點(diǎn)問(wèn)題：

（1）多條并行管道臨近排列時(shí)施工空間不足，無(wú)法滿足“水平支墩后背土壤的最小厚度應(yīng)大于墩底在設(shè)計(jì)地面以下深度的3倍的要求”的問(wèn)題。

（2）管道截面計(jì)算外推力計(jì)算公式中未明確考慮大落差給水管道產(chǎn)生水錘時(shí)的安全系數(shù)。

若將多條管道水平彎頭整體澆筑在一個(gè)整體支墩內(nèi)則存在以下兩點(diǎn)問(wèn)題：

（1）在將多條管道同時(shí)澆筑至一個(gè)整體的支墩內(nèi)時(shí)，必須考慮支墩平面尺寸過(guò)大會(huì)導(dǎo)致支墩相對(duì)于管道更不容易發(fā)生沉降，若管道和支墩之間的沉降存在不均勻沉降的情況，則容易發(fā)生彎管接頭處的承插口漏水等問(wèn)題。

（2）若彎頭處存在滲漏等情況，采用多管道一體支墩會(huì)造成彎頭拆卸維修困難的問(wèn)題。

基于以上兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路中的幾點(diǎn)問(wèn)題分析，制定以下設(shè)計(jì)點(diǎn)：

（1）分析單管道支墩的受力，保證多個(gè)單管道支墩之間的受力平衡后不影響各管道的接口穩(wěn)定性。

（2）為避免將并行管道水平彎頭澆筑至一個(gè)整體的支墩內(nèi)，在支墩與管道之間存在不均勻沉降的情況下造成接口滲漏等問(wèn)題，應(yīng)避免采用整體支墩的方案。

（3）為方便管道彎頭等容易滲漏點(diǎn)維修，并行相鄰管道水平彎頭支墩單獨(dú)設(shè)置為宜。

（4）在大落差柔性接口給水管道水平彎頭支墩設(shè)計(jì)前應(yīng)充分分析管網(wǎng)產(chǎn)生的最大水錘，以免在最不利的情況下導(dǎo)致彎頭等最不利點(diǎn)接口松動(dòng)[2-3]。

4 相鄰多管道支墩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

圖5 并行壓力管道水平彎管支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力分析示意圖1

圖6 并行壓力管道水平彎管支墩示結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力分析示意圖2

設(shè)計(jì)步驟：

（1）支墩材料一般選擇C15混凝土，在支墩施工空間受限的情況下，為保證抗壓強(qiáng)度要求，對(duì)管道形成有效保護(hù)，建議采用C20或更高標(biāo)號(hào)的混凝土。

（2）各混凝土支墩自成整體，澆筑時(shí)采用油氈將各支墩隔開。

（3）支墩寬度設(shè)計(jì)應(yīng)考慮與其所支撐的管道中心線對(duì)稱，以提高其垂直方向的穩(wěn)定性。

（4）支墩的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)應(yīng)先根據(jù)管材允許受力強(qiáng)度完成核算，避免因?yàn)殚L(zhǎng)度取值過(guò)小造成其支撐的管材所受單位面積的壓力超過(guò)其承受范圍而造成管材局部切應(yīng)力較大而破損。

（5）支墩的高度設(shè)計(jì)應(yīng)核算，避免各支墩保護(hù)層厚度取值過(guò)小造成混凝土支墩強(qiáng)度不足而產(chǎn)生開裂，≤DN450的管道保護(hù)層取200mm。

（6）初步完成支墩結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)→支墩受力計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核→支墩尺寸調(diào)整→支墩受力計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度再?gòu)?fù)核。

（7）支墩初步設(shè)計(jì)時(shí)不考慮設(shè)置支墩F，當(dāng)計(jì)算不滿足T-1.5R ≥0，則考慮增加支墩F。

經(jīng)表1計(jì)算在未設(shè)支墩F的條件下，如圖5所示，T-1.5R=-527.91KN，無(wú)法滿足要求，需增大支墩靠背尺寸以增大被動(dòng)土壓力。

經(jīng)表2計(jì)算在增加支墩F的條件下，如圖6所示，T-1.5R=43.11KN，滿足要求。

表1 支墩試算表

表2 支墩試算表

5 軟件模擬及驗(yàn)證

對(duì)以上滿足水平彎頭受力要求的混凝土支墩模擬受力分析，進(jìn)一步驗(yàn)證支墩抗壓強(qiáng)度是否滿足要求。模擬軟件采用Solidworks，建模數(shù)據(jù)采用“支墩試算表2”的數(shù)據(jù)以及C20混凝土的張力強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等技術(shù)參數(shù)。模擬驗(yàn)證結(jié)果如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 支墩E強(qiáng)度模擬圖

圖8 支墩D強(qiáng)度模擬圖

圖9 支墩B強(qiáng)度模擬圖

圖10 支墩F強(qiáng)度模擬圖

以上支墩強(qiáng)度模擬結(jié)果滿足要求。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)圖集的支墩設(shè)計(jì)未考慮在并行相鄰柔性接口給水管道水平彎頭處的應(yīng)用，存在一定的局限性。在采用以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算優(yōu)化后更適用于工程實(shí)際。

（2）支墩結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)需要充分考慮大落差柔性接口給水管道水平彎頭處可能產(chǎn)生的水錘，以免在產(chǎn)生水錘的最不利點(diǎn)受力計(jì)算不足造成接頭處漏水。

（3）以上的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算優(yōu)化方案在工程實(shí)際中簡(jiǎn)單快捷、思路清晰、適用性強(qiáng)。

（4）根據(jù)支墩試算表1、支墩試算表2分析穩(wěn)定管道的支墩提供的水平推力主要來(lái)自于最外側(cè)支墩的被動(dòng)土壓力，因此在支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在滿足支墩強(qiáng)度要求的前提下可適當(dāng)將內(nèi)側(cè)支墩結(jié)構(gòu)尺寸減小，將最外側(cè)管道支墩的靠背截面尺寸加大，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)條件及安全需求。

（5）根據(jù)軟件受力模擬分析，支墩內(nèi)部受力主要來(lái)自于各支墩之間的擠壓，應(yīng)力主要集中在包裹管道的上下保護(hù)層部分，因此需適當(dāng)加厚管道支墩上下保護(hù)層的厚度。

（6）采用以上優(yōu)化思路不僅滿足管道運(yùn)行安全要求，并且方便拆卸維修，適應(yīng)發(fā)展需要。