淺談城市直埋供熱管道固定墩推力計(jì)算方法

曹原

(日照市政務(wù)服務(wù)中心，山東 日照 276800)

固定墩是城市直埋供熱管道中主要的受力體，其作用是將管道分為若干補(bǔ)償段，各段獨(dú)立進(jìn)行熱補(bǔ)償，保證管道的安全正常運(yùn)行。供熱管道在正常運(yùn)行時(shí)，固定墩水平主要承受熱膨脹力、泊松拉應(yīng)力、摩擦力、盲板力、補(bǔ)償器的位移阻力、土壓力等。傳統(tǒng)的固定墩推力合成計(jì)算是按照固定墩靜止不動(dòng)，位移為零，作用在固定墩上的土壓力是靜止土壓力，此時(shí)，土體和固定墩都處于彈性平衡狀態(tài)。此種受力分析中，固定墩的水平推力完全由固定墩與土壤之前的摩擦力相平衡，現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中，固定墩的尺寸要求大，而且不經(jīng)濟(jì)。設(shè)計(jì)中過多地利用固定墩所受摩擦力與水平推力平衡，在達(dá)到最大土壤摩擦反力后，固定墩發(fā)生的位移量過大，超過了管道的最大允許變形量，就會(huì)造成管道的破壞。而實(shí)際運(yùn)行過程中，固定墩埋置在地下時(shí)，在主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力及溫度效應(yīng)作用下會(huì)發(fā)生微量位移。為了既滿足安全正常運(yùn)行又使得固定墩的尺寸最小，本文建立了固定墩的受力模型，充分考慮了在各種荷載作用下，固定墩發(fā)生微量的位移效應(yīng)，較傳統(tǒng)固定墩靜止受力分析，本受力模型更加接近固定墩實(shí)際受力狀態(tài)。

1 固定墩受力分析

1.1 固定墩受力模型

當(dāng)管道兩段都設(shè)置有補(bǔ)償裝置時(shí)，管段能自由伸縮，直管段不需要再加設(shè)固定墩。當(dāng)管段一端為普通補(bǔ)償器，另一端為補(bǔ)償彎管時(shí)，此種管道結(jié)構(gòu)形式在設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多，需要設(shè)置固定墩。根據(jù)工程實(shí)際情況，選取管道公稱直徑為DN1000，L1長度為600m，L2長度為590m 設(shè)計(jì)供回水溫度為130℃/70℃，設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa，受力模型如圖1 所示。

1.2 固定墩受力分析

固定墩寬、厚、高分別為b、d、h，固定墩墩頂覆土高度為h1，在供熱管道運(yùn)行過程中，隨著管內(nèi)水溫的升高，固定墩在管道熱膨脹力作用下，產(chǎn)生微量軸向位移，管道運(yùn)行時(shí)，固定墩受力如圖2 所示。

直埋供熱管道的軸向力有主動(dòng)軸向力和被動(dòng)軸向力，主動(dòng)軸向力包括熱膨脹力和泊松力，被動(dòng)軸向力有土壤摩擦力、補(bǔ)償器位移阻力、主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力。固定墩在管道運(yùn)行過程中受力俯視圖如圖3 所示。

圖2 固定墩受力分析

圖3 固定墩受力俯視圖

1.3 A1A1 面管道施加給固定墩的受力P1

土壤會(huì)給直埋供熱管道摩擦作用，本文研究的是大口徑直埋供熱管道，所以管道重力，水重力不能忽略。單位管長的最小摩擦阻力為：

經(jīng)計(jì)算最小摩擦力為29.83kN/m。

為計(jì)算固定墩處于錨固段還是過渡段，需要計(jì)算過渡段最大長度：

經(jīng)計(jì)算Lmax=586m，可知L1＞L2＞Lmax。因此，固定墩處于錨固段，管道熱伸長完全受阻，熱膨脹力完全轉(zhuǎn)化為管道內(nèi)力。此時(shí)，是管道中內(nèi)力、軸向應(yīng)力最大的直線管段，是直管段強(qiáng)度驗(yàn)算的重點(diǎn)。A1A1面管道施加給固定墩的軸向力P1=Na1=[αE(t1-t0)-νσt]A×106=17483kN （3）

1.4 A2A2 面管道施加給固定墩的受力P2

L2段處的固定墩處于完全錨固段，其受到的主動(dòng)力包括熱膨脹力和泊松力，因此，段的熱膨脹被完全壓縮。此時(shí)，直埋供熱管道的軸向內(nèi)力等于主動(dòng)力減去內(nèi)壓不平衡力。L2段處的固定墩處于錨固段，合成推力時(shí)，此側(cè)推力乘以0.9的安全系數(shù)。

1.5 主動(dòng)土壓力Pa 和被動(dòng)土壓力Pp

在施工時(shí)，雖然要對(duì)固定墩的土壤夯實(shí)，但是，土壤也不是理想的剛性體，所以在熱力管道實(shí)際運(yùn)行時(shí)，固定墩存在實(shí)際微量位移。在熱力管道的運(yùn)行過程中，隨著溫度的升高，在熱膨脹力的作用下，固定墩隨著供熱管道同步離開填土移動(dòng)，此時(shí)，固定墩墻后填土作用力為主動(dòng)力要大于主動(dòng)土壓力；固定墩向填土擠壓，固定墩墻前填土為被動(dòng)作用力要小于被動(dòng)土壓力，因此，作用在固定墩墻前和墻后兩側(cè)的土壓力同時(shí)存在，其大小為主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力之間的數(shù)值，具體作用力的大小與固定墩發(fā)生的微量位移量、固定墩的剛度、固定墩的高度、填土性質(zhì)等有關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)[5],考慮位移效應(yīng)的主（被）動(dòng)土壓力計(jì)算表達(dá)式統(tǒng)一為

傳統(tǒng)的微量位移范圍的最小值是30mm，一般認(rèn)為達(dá)到主動(dòng)土壓力時(shí)的位移量Sa為（0.003 ～0.005）H，而被動(dòng)土壓力的位移量Sp為（0.02 ～0.05）H，H 為擋土墻的高度。本文以達(dá)到主動(dòng)土壓力時(shí)位移量的最小值和微量位移最小值中取最小者，利用上式經(jīng)計(jì)算取為9.6mm。經(jīng)計(jì)算主動(dòng)土壓力Pa=362.54kN，被動(dòng)土壓力Pp=1114.15kN。

1.6 固定墩與土壤的摩擦力Ff

當(dāng)供熱管道受熱膨脹時(shí)，固定墩會(huì)隨受力與土壤發(fā)生相對(duì)位移，土壤會(huì)給固定墩摩擦力作用，產(chǎn)生土壤軸向摩擦力。摩擦力由三部分組成：固定墩底面與土壤的摩擦力，固定墩側(cè)面與土壤的摩擦力，固定墩頂面與土壤的摩擦力，其計(jì)算公式為：

1.7 固定墩推力計(jì)算HT

固定墩的推力計(jì)算分兩種情況：固定墩不發(fā)生位移和固定墩發(fā)生允許微量位移。

（1）固定墩不發(fā)生位移，其水平推力：

（2）固定墩發(fā)生允許微量位移umax=9.6mm，其水平推力：

2 結(jié)語

本文基于固定墩發(fā)生微量位移的實(shí)際情況，在充分考慮主動(dòng)軸向力、固定墩與土壤的摩擦力、管道和水的重力、主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力等受力的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了固定墩水平推力的計(jì)算公式。以實(shí)際工程計(jì)算可知，與固定墩不發(fā)生位移情況比較，合理控制固定墩的微量位移可以大大減少固定墩的水平推力，而且更符合固定墩的實(shí)際受力狀態(tài)，進(jìn)而節(jié)約工程成本，達(dá)到最佳安全性和經(jīng)濟(jì)合理性。建議在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，按允許固定墩發(fā)生允許微量位移進(jìn)行受力分析。