長距離輸水工程管道結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

任創(chuàng)社，李 貞，嚴(yán)得俊

（新疆伊犁花城勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,新疆 伊寧 835000）

本項(xiàng)目擬通過引用H 河水源,經(jīng)輸水管道自壓供水,解決K 市中心城區(qū)及工程沿線共計(jì)8 個(gè)城鎮(zhèn)居民近期19.2788 萬人、遠(yuǎn)期25.5358 萬人的綜合生活用水安全問題,為項(xiàng)目涉及區(qū)域居民提供優(yōu)質(zhì)、安全、可靠的飲用水源,實(shí)現(xiàn)較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

本項(xiàng)目屬于城鎮(zhèn)供水工程,具有管徑較大、長距離壓力輸水的特點(diǎn)且沿途地形復(fù)雜,工程復(fù)雜程度和技術(shù)含量高。目前長距離大口徑輸水工程中,常用的有鑄鐵管、鋼管、混凝土管、玻璃鋼管等,而鋼管機(jī)械強(qiáng)度較好,可以承受較高壓力,對地形適當(dāng)性較強(qiáng),并且可以采取涂層防腐等[1]。根據(jù)供水工程要求,結(jié)合現(xiàn)有管材、依據(jù)相關(guān)規(guī)范、規(guī)程以及已建管道工程經(jīng)驗(yàn),對供水管線所用管材進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)比選,本次長距離供水有壓重力輸水管道中小口徑（DN600 mm～1200 mm）比選選取內(nèi)容分別為管壁結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝、管材規(guī)格、力學(xué)性能、水力特性、耐腐蝕性、密封性能、耐水錘能力、抗震性能、安裝性能、管理維護(hù)、使用壽命、基礎(chǔ)處理、工程投資等方面,選用DN1200 mm×8 mm,DN900 mm×7 mm,DN900 mm×8 mm,DN700 mm×8 mm 壓力等級為0.8 MPa～2.0 MPa 涂塑鋼管。計(jì)算選用典型管材規(guī)格最薄壁厚計(jì)算,內(nèi)徑900 mm,壁厚7 mm,并選取2 種荷載情況,①最大覆土厚度H1②最小覆土H2+車荷載。

1 計(jì)算選用管道根據(jù)實(shí)際情況得出的已知條件

選用管道的內(nèi)徑D=900 mm；選用管道管壁設(shè)計(jì)厚度t=7 mm；運(yùn)行情況下管頂最小覆土H2=1.5 m；管道以上地面堆積荷載標(biāo)準(zhǔn)值qmk=10 kN/m2,準(zhǔn)永久值系數(shù)q=0.5；管道的運(yùn)行時(shí)實(shí)際內(nèi)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值選取Fwd.k=1.0 MPa；管內(nèi)在真空狀態(tài)時(shí)壓力標(biāo)準(zhǔn)值選用Fvk=0.05 MPa；選用管道管材及焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=215 MPa；選用管道管材彈性模量Ep=206000 N/mm2；鋼材的重度γst=78.5 kN/m3；鋼材的泊松比υp=0.3；管道頂部及兩側(cè)回填土的重度γs=18 kN/m3、變形模量Ee=8 MPa、泊松比υs=0.4；管道開挖基槽兩側(cè)原狀土變形模量En=8.85 MPa；管中心處基槽寬度Br=1.7 m；土弧基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算中心角度為90°。水力計(jì)算公式中,與管道內(nèi)壁粗糙程度相關(guān)的系數(shù)是影響計(jì)算結(jié)果的重要參數(shù),內(nèi)壁一般需進(jìn)行防腐處理,經(jīng)過涂裝的管道內(nèi)壁要光滑得多[2],本次管內(nèi)防腐為環(huán)氧樹脂涂層；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γo=1.1。

2 荷載計(jì)算

（1）運(yùn)行情況下,管頂?shù)呢Q向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式如下：

式中：Ci為土壓力系數(shù),對柔性管道應(yīng)取1.0；D1為管道外徑,0.9+0.007×2=0.914 m；Hs為覆土厚度；H1為最大覆土厚度,此值按現(xiàn)場實(shí)際情況采用8.5 m；H2為有機(jī)械荷載情況下的最小覆土厚度,綜合考慮取1.5 m。

情況①：Fsv,k=139.84 kN/m

情況②：Fsv,k=24.68 kN/m

（2）管道結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式如下：

（3）管內(nèi)水重標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

3 強(qiáng)度計(jì)算

（1）管道兩側(cè)土綜合變形模量計(jì)算。

根據(jù)已知條件Br/D1=1.7/0.914=1.86；Ee/En=8/8.85=0.904

查表得計(jì)算參數(shù)ζ=1.076

計(jì)算可得：管道兩側(cè)土的綜合變形模量 Ed=ζEe=1.076×8=8.61 MPa

（2）荷載qik計(jì)算。

依據(jù)管道管徑,此次計(jì)算考慮管道會存在兩個(gè)以上單排輪壓綜合影響的情況,按兩個(gè)以上單排輪壓綜合影響傳遞到管道頂部的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值,按下式計(jì)算：

式中：n 為車輪的總數(shù)量；Dbj為沿車輪著地分布寬度方向,相鄰兩個(gè)車輪間的凈距,m；Qvk為輪壓傳遞到管頂處的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2；Qvi,k為車輛的i 個(gè)車輪承擔(dān)的單個(gè)輪壓標(biāo)準(zhǔn)值,kN；ai為i 個(gè)車輪著地分布長度,m；bi為i 個(gè)車輪著地分布長度,m；H 為自車行地面至管頂?shù)纳疃?m；uD為動(dòng)力系數(shù)。

根據(jù)規(guī)定后軸重力標(biāo)準(zhǔn)值為2×140 kN,既Qvk=140 kN,后輪著地寬度及長度為0.6 m×0.2 m。

情況①：qvk=1.64 kN/m2

情況②：qvk=26.6 kN/m2

qik取堆積荷載10 kN/m2或車荷載qvk兩者取大值。

（3）荷載組合下管壁界面上最大彎矩按此式計(jì)算：

式中：M 為在荷載組合作用下,管壁截面上的最大彎矩,N·mm；為彎矩折減系數(shù),可取0.7～1.0；Ep為管材彈性模量,N/mm2,可按表8.4.1-8 采用；Kgm、Kυm、Kwm分別為管道自重、豎向土壓力,管內(nèi)水重作用下管壁截面的最大彎矩系數(shù)；b0為計(jì)算寬度,mm；r0為計(jì)算半徑,mm；t0為計(jì)算壁厚,mm,可取t0=0.975 t-1.5；qik為地面車輛荷載或堆積荷載,應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)條件選其大者；γGj為鑄鐵管道結(jié)構(gòu)自重作用分項(xiàng)系數(shù),可取1.2；γG,sυ、γG,ep分別為豎向土壓力及管側(cè)土壓力分項(xiàng)系數(shù),可取為管內(nèi)水重作用分項(xiàng)系數(shù),可取γG,sυ=1.27；γG,ep=1.0；γGw為管內(nèi)水重作用分項(xiàng)系數(shù)，可取1.20；為設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力及地面車輛荷載或堆積荷載的分項(xiàng)系數(shù),可取1.40；c為可變荷載組合系數(shù),可取0.90。

情況①：M=0.411 kN·m/m=411N·mm/mm

情況②：M=0.145 kN·m/m=145 N·mm/mm

（4）管道在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下,會在管壁界面上產(chǎn)生拉力,因此設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下管壁界面上的拉力設(shè)計(jì)值按下式計(jì)算：

（5）管道在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下,會在管壁界面上產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力,因此管壁截面的最大環(huán)向應(yīng)力σθ按下式計(jì)算：

情況 ①：σθ=204.92 MPa；ησθ=184.43 MPa

情況 ②：σθ=141.08 MPa；ησθ=126.97 MPa

鋼管管壁界面的最大環(huán)向應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。

（6）在閉合溫差的條件下,管道將沿縱向產(chǎn)生縱向應(yīng)力。管壁縱向力按式計(jì)算：

閉合溫差為降溫時(shí)計(jì)算：

情況①：σx=139.34 MPa

情況②：σx=120.19 MPa

閉合溫差為升溫時(shí)計(jì)算：

情況①：σx=-16.39 MPa

情況②：σx=-35.54 MPa

（7）在閉合溫差升降時(shí),管壁會產(chǎn)生較大的應(yīng)力,計(jì)算管壁最大組合折算應(yīng)力按下式計(jì)算：

閉合溫差為降溫時(shí)計(jì)算：

情況①：σ=179.44 MPa ≤f=215 MPa

情況②：σ=130.56 MPa ≤f=215 MPa

閉合溫差為升溫時(shí)計(jì)算：

情況①：σ=211.45 MPa ≤f=215 MPa

情況②：σ=160.19 MPa ≤f=215 MPa

鋼管管壁最大組合折算應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。

4 管壁截面的穩(wěn)定驗(yàn)算

（1）首先計(jì)算鋼管管壁失穩(wěn)時(shí)的折皺波數(shù)n 值,取值應(yīng)使Fcr,k為最小值并為≥2 的正整數(shù)；100to/Do=0.55,Ed=8.61 MPa,n=4。

（2）鋼管管壁截面的臨界壓力按下式計(jì)算：

（3）鋼管管壁截面穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)滿足下式：

情況①：Fsυ,k/2r0+Fυk+qik=0.2142 MPa

情況②：Fsυ,k/2r0+Fυk+qik=0.1038 MPa

情況①：0.5842/0.2142=2.73 ≥Kst=2.0

情況②：0.5842/0.1038=5.63 ≥Kst=2.0

5 變形驗(yàn)算

管道在變形驗(yàn)算是管道結(jié)構(gòu)分析中最為重要的一環(huán),過大的變形量影響管道的正常運(yùn)行和使用。

鋼管管道在準(zhǔn)永久組合作用下的最大豎向變形Wd,max應(yīng)按下式計(jì)算：

表1 管道結(jié)構(gòu)計(jì)算成果表

鋼管的豎向變形滿足要求。

同理計(jì)算其他管段管道結(jié)構(gòu)計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算,DN1200 mm×8 mm 的管道極限覆土厚度6.7 m,DN900 mm×7 mm 的管道極限覆土厚度8.5 m,DN900 mm×8 mm 的管道極限覆土厚度5.0 m,DN700 mm×8 mm 的管道極限覆土厚度4.5 m。管道壁厚均可滿足結(jié)構(gòu)要求。

6 結(jié)論

本次按此方法計(jì)算所采用管道工程已建成2 年,管道運(yùn)行一切正常,達(dá)到了使用要求,通過工程實(shí)施,改善了當(dāng)?shù)仫嬎|(zhì),使當(dāng)?shù)鼐用癯陨狭朔判牡淖詠硭?；減少了常見傳染性疾病的發(fā)生,有效提高了健康水平、生活質(zhì)量以及工作條件。今后還需要進(jìn)一步結(jié)合地區(qū)特性,分析研究有關(guān)系數(shù)取值的合理性和適用性,并根據(jù)現(xiàn)在信息化發(fā)展的需要,布設(shè)一些探測監(jiān)測設(shè)施,不斷收集關(guān)于管道結(jié)構(gòu)分析中的相關(guān)數(shù)據(jù),以更合理更經(jīng)濟(jì)地服務(wù)于工程建設(shè)。