計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)熱力管道墻式固定墩

周 彬

近幾年集中供熱事業(yè)快速發(fā)展,熱力工程設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。在熱力管線工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中墻式固定墩的計(jì)算設(shè)計(jì)比較普遍。在熱力工程設(shè)計(jì)時(shí)間比較緊、任務(wù)繁重、計(jì)算量較大的情況下,為了縮短設(shè)計(jì)時(shí)間,保證設(shè)計(jì)出圖質(zhì)量,我院充分利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),利用了AutoCAD內(nèi)部用戶化CAD系統(tǒng)的AutoLISP語言實(shí)現(xiàn)對(duì)AutoCAD的圖形實(shí)體和各種參數(shù)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行存取和編輯,使設(shè)計(jì)和繪圖融為一體。

1 概述

熱力工程中管線受力分析十分重要,因此我們分析了工藝受力的特點(diǎn)及管道對(duì)墻式固定墩的作用力:1)管道熱脹冷縮受約束產(chǎn)生的作用力(過渡段的摩擦力或錨固段的軸向力);2)內(nèi)壓力產(chǎn)生的不平衡力(固定點(diǎn)兩側(cè)管道橫截面不對(duì)稱在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的不平衡力,也包括波紋管補(bǔ)償器端波環(huán)狀計(jì)算截面上的內(nèi)壓作用力);3)活動(dòng)端位移產(chǎn)生的作用力(補(bǔ)償器的彈性力或摩擦力,轉(zhuǎn)角管段升溫變形的軸向力)。由于這些原因在設(shè)計(jì)墻式固定墩時(shí)對(duì)于其體積、造價(jià)要求就比較嚴(yán)格了,手工計(jì)算較為復(fù)雜,需要精確計(jì)算。以下詳細(xì)論述完成墻式固定墩設(shè)計(jì)和出圖步驟。

2 程序運(yùn)行主框圖及運(yùn)行環(huán)境

圖1為墻式固定墩設(shè)計(jì)程序運(yùn)行主框圖。本程序利用AutoLISP語言編程,其程序和數(shù)據(jù)都采用符號(hào)表達(dá)式,簡單容易掌握。通過函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)對(duì)AutoCAD的二次開發(fā),使設(shè)計(jì)與繪圖融為一體。但其使用條件具有局限性,必須在AutoCAD環(huán)境下運(yùn)行。

3 墻式固定墩設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 確定墻式固定墩墻厚度

設(shè)計(jì)依據(jù):受沖切承載力計(jì)算:

式(1)中的系數(shù)η應(yīng)按下列兩個(gè)公式計(jì)算,并取其中較小值:

其中,FL為單管水平力設(shè)計(jì)值;βh為固定墻厚度影響系數(shù),當(dāng) h≤800 mm 時(shí),取 βh=1.0,當(dāng) h≥2 000 mm 時(shí),取 βh=0.9,其間按線性內(nèi)插法取用;ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;бpc,m為臨界截面周長上兩個(gè)方向混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力按長度的加權(quán)平均值,其值宜控制在1.0 N/mm2～3.5 N/mm2范圍內(nèi);um為固定墻厚1/2處孔徑;h0為去掉固定墻保護(hù)層厚度的固定墻有效厚度;η1為局部荷載或集中反力作用面積形狀的影響系數(shù);η2為臨界截面周長與板截面有效高度之比的影響系數(shù);βs為墻式固定墩設(shè)計(jì)中局部荷載或集中反力作用面積為圓形,取 βs=2;αs為板柱結(jié)構(gòu)中柱類型的影響系數(shù),墻式固定墩設(shè)計(jì)中取αs=40。

進(jìn)入＜確定墻式固定墩墻厚度＞選項(xiàng)卡,條件輸入采用對(duì)話框形式,將已知條件輸入。公式解釋:已知:1)單管水平力設(shè)計(jì)值FL;2)固定墻中心位置孔徑 um;3)混凝土等級(jí)相應(yīng)取值 ft。

其他參數(shù):假設(shè)固定墻厚 h0,βh根據(jù)假設(shè)固定墻厚取相應(yīng)值;бpc,m宜控制在1.0 N/mm2～3.5 N/mm2范圍內(nèi),由設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際工程確定;η按式(2),式(3)計(jì)算并取其中較小值;以上條件具備后將假設(shè)固定墻厚h0代入式(1)進(jìn)行試算:1)所得結(jié)果不滿足式(1)時(shí),應(yīng)調(diào)整所假設(shè)固定墻厚 h0,直到滿足式(1)且與FL取值接近即可;2)如所得結(jié)果滿足式(1)時(shí),但與FL取值差值較大時(shí)可適當(dāng)調(diào)整墻厚;3)如所得結(jié)果滿足式(1)時(shí),且與FL取值接近或相等時(shí)墻厚即可確定。

3.2 確定墻式固定墩整體尺寸

墻式固定墩通常采用倒T形,要使其安全使用且土建造價(jià)合理就需要對(duì)固定墩抗滑移、抗傾覆驗(yàn)算。

3.2.1 抗滑移條件

其中,Ka為抗滑移系數(shù);K為固定墩后背土壓力折減系數(shù),取0.4～0.7;Ep為被動(dòng)土壓力,N;f1,f2,f3分別為固定墩底面、側(cè)面及頂面與土壤產(chǎn)生的摩擦力,N;Ea為主動(dòng)土壓力,N,當(dāng)固定墩前后為黏性土?xí)rEa可略去;T為供熱管道對(duì)固定墩作用力,N。

公式解釋:1)K根據(jù)規(guī)范由設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程實(shí)際情況確定;2)Ep由式(6)求得;3)f1=0.9[(固定墩體積+固定墩上部土體積)×ρ]×um,f2=(ρ h1k+ρ h2k)×H/2,k為靜止土側(cè)壓力系數(shù),f3=2ρ vum+ρ1v1um;4)Ea由式(7)求得;5)T由工藝專業(yè)提供兩管水平推力標(biāo)準(zhǔn)值。

3.2.2 抗傾覆條件

3.2.3 土壤承載條件

其中,Kov為抗傾覆系數(shù);X1為被動(dòng)土壓力Ep作用點(diǎn)至固定墩底面距離,m;X2為主動(dòng)土壓力Ea作用點(diǎn)至固定墩底面距離,m;G1為固定墩上部覆土自重,N;b,d,h分別為固定墩幾何尺寸(寬、厚、高),m;h1,h2,H分別為固定墩頂面、管孔中心和底面與地面的距離,m;φ為回填土內(nèi)摩擦角,砂土取30°。

3.2.4 回填土與固定墩的摩擦系數(shù)

計(jì)算固定墩底面、側(cè)面和頂面與土壤的摩擦力時(shí),摩擦系數(shù)um按表1取用。進(jìn)入＜確定墻式固定墩整體尺寸＞選項(xiàng)卡,條件輸入采用對(duì)話框形式,將已知條件輸入。公式解釋:已知:1)固定墻幾何尺寸(厚、高、底板厚度、寬度);2)基礎(chǔ)底板上覆土厚度;3)基礎(chǔ)底板左邊、右邊凈長;4)地下水自然地面下埋深;5)防滑鍵幾何尺寸(高、寬);6)土的特性(密度、摩擦系數(shù)、相對(duì)密度、含水量、摩擦角、凝聚力系數(shù));7)兩管水平、垂直推力標(biāo)準(zhǔn)值;8)被動(dòng)土壓力折減系數(shù);兩管水平推力距防滑鍵底高度。將上述條件輸入后即可得出抗滑移條件、抗傾覆條件是否滿足式(4),式(5),如不滿足墻式固定墩尺寸,對(duì)其進(jìn)行調(diào)整直到抗滑移條件、抗傾覆條件滿足式(4),式(5)為止。

表1 回填土與固定墩的摩擦系數(shù)

3.3 配筋計(jì)算

根據(jù)工藝專業(yè)提供管道受力條件,通過計(jì)算求得彎矩值后,進(jìn)行相應(yīng)的配筋計(jì)算。程序中求鋼筋面積采用公式法,利用現(xiàn)行GB 50010-2002鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范中公式:

由以上公式求出x后即可得到鋼筋面積As。確定鋼筋直徑和根數(shù),得出鋼筋面積后,采用列表的形式,先確定直徑及鋼筋面積,然后求出鋼筋根數(shù),即可完成后續(xù)的繪圖工作。

4 畫墻式固定墩施工圖

繪圖功能和圖形交互編輯功能是AutoLISP開發(fā)AutoCAD的主要目的,AutoLISP本身并沒有提供用于直接生成圖形的函數(shù),但AutoLISP提供了比AutoCAD簡單而透明的接口功能,提供了一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部函數(shù)command,使得在AutoLISP程序中可以簡單而方便地調(diào)用AutoCAD命令,以完成要求的繪圖。利用command函數(shù)和一些與屏幕繪圖有關(guān)的函數(shù)編寫繪圖程序,在該程序中鋼筋直徑及根數(shù)一經(jīng)確定,輸入繪圖比例、繪圖基點(diǎn),程序即可完成墻式固定墩的繪圖工作。

5 結(jié)語

經(jīng)過多年的熱力工程設(shè)計(jì),該項(xiàng)程序已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,大大提高了熱力工程設(shè)計(jì)的效率,且計(jì)算精度高,避免了人為的一些計(jì)算錯(cuò)誤和圖面錯(cuò)誤,還提高了出圖質(zhì)量,保證了工期。隨著科技不斷發(fā)展,工程實(shí)踐的積累和理論學(xué)習(xí)的深入,該程序?qū)?huì)進(jìn)一步得到完善和提高,使熱力工程設(shè)計(jì)做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

[1] 王 飛,張建偉.直埋供熱管道工程設(shè)計(jì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[2] GB 50010-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].