水利工程回填管計算方法淺議
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摘要:回填鋼管在水利供水工程中應用廣泛，高壓力、小管徑的鋼管按其剛度比計算基本為剛性管道。針對剛性管和柔性管兩種計算模型就其頂部土壓力、工況組合、彎矩系數(shù)等進行對比分析結(jié)果表明，水利工程供水鋼管剛度比大于1時，按照柔性鋼管計算也是安全的;同時通過對水利鋼管規(guī)范與給水埋地鋼管規(guī)范兩種計算方法進行對比，得出二者計算結(jié)果基本相當?shù)慕Y(jié)論。
關(guān)鍵詞:回填管;剛性管;柔性管;對比
隨著水利行業(yè)新一輪的大發(fā)展，水利工程承擔供水功能的工程越來越多，供水管道在工程中投資占比也相應增大，鋼管因其強度高、承壓大、材質(zhì)輕、良好的密封性和適應性強等優(yōu)點被廣泛應用于供水管道中，而回填鋼管由于其施工難度小，管道自身受力條件好、敷設(shè)經(jīng)濟等優(yōu)勢在供水工程中得到大量使用。以往水利工程供水管采用回填鋼管時，由于水利鋼管設(shè)計規(guī)范沒有相應的計算方法，回填鋼管參照《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》CECS141:2002設(shè)計計算，在新版《水利水電壓力鋼管設(shè)計規(guī)范中》(SL/T281－2020)中新增了回填管的計算方法，本文就水利鋼管新規(guī)范回填管設(shè)計計算的一些認識進行探討。
1剛性管與柔性管對比分析
1．1管道剛度比計算
水利鋼管規(guī)范中明確在回填管結(jié)構(gòu)分析中，鋼管可按柔性管計算。根據(jù)給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，對于埋設(shè)于地下的圓形管道結(jié)構(gòu)，管道結(jié)構(gòu)剛度與管周土體剛度比大于等于1時，管道應按剛性管道計算，其值按下式計算:αs=EsEd(tr0)3(1)式中:Es、Ed分別為管材彈性模量和管側(cè)土的綜合變形模量;t、r0分別為管壁計算厚度和鋼管結(jié)構(gòu)計算半徑。我國水利供水工程分布廣泛，尤其云南、貴州等地區(qū)的供水工程其特點是地形復雜，高差大、流量小，供水鋼管有壓力高、管徑小等特點。當鋼管壁厚和半徑比值增大時，大部分鋼管的管道與土體剛度比值均大于1。而剛性管和柔性管的計算分析中如頂部土壓力、荷載組合、管道彎矩系數(shù)均有所差異。
1．2頂部土壓力計算
作用在管道上的豎向土壓與開槽寬度、管材剛度等因素有關(guān)，根據(jù)土壓力理論及計算方法，管道頂部土壓并不等于管道直徑寬度范圍內(nèi)的豎向土體重量，埋地鋼管管體上的土荷載取決于管道上部土體與管兩側(cè)土體的相對豎向移動及其移動的趨向。柔性管道由于其頂部變形大，鋼管頂部土體下沉量大于兩側(cè)土體下沉量，管道頂部土體下沉過程中受兩側(cè)土體產(chǎn)生向上的摩擦力，管道上作用的土壓力小于管道直徑寬度范圍內(nèi)豎向土體的重量。剛性管道因其頂部變形小，管道頂部土體下沉量小于兩側(cè)土體下沉量，管道上作用的土壓力大于管道直徑寬度范圍內(nèi)豎向土體的重量。根據(jù)給水排水工程管道設(shè)計規(guī)范，管道每米豎向回填土壓力按下式計算:Fv=CγHD(2)式中:C、γ、H、D分別為土壓力系數(shù)、回填土容重、管頂回填土厚度、管道外徑。柔性管頂部土壓力受開槽寬度等條件影響較小，C值小于1，一般取1．0;剛性管頂部土壓力受開槽寬度影響較大，當開槽寬度比較大時，C值大于1，其值范圍在1．2～1．4之間，因此在開槽施工中，埋深與壓實度相同的剛性管豎向土荷載較柔性管荷載大20%以上。
1．3工況組合對比
剛性管道和柔性管道計算載荷組合有所不同，兩者工況組合對比見表1。剛性管道永久荷載彎矩計算見下式:式中:K1、K2、K3和K分別為管頂豎向荷載彎矩系數(shù)、管自重水重彎矩系數(shù)、側(cè)向土荷載彎矩系數(shù)和管道變形系數(shù);Fv、Fc、Gw和Gst為單位長度管頂荷載、管側(cè)土荷載、水重和管自重;P、r和t為水壓、管內(nèi)半徑和管壁計算厚度。其中剛性管道側(cè)向土荷載按下式計算:Fc=tan(45°－φ2)2γzD(4)式中:φ、z和D分別為土的內(nèi)摩擦角、地面至管中心的深度和管道外徑。由上述對比可知，剛性管道和柔性管道區(qū)別在于剛性管還需考慮側(cè)向土壓力的作用，根據(jù)側(cè)向土荷載公式計算，側(cè)向土壓力的數(shù)值基本在豎向土壓力的1/4～1/3之間。
1．4彎矩系數(shù)對比
剛性管和柔性管不僅在頂部土壓力計算和工況組合有差異，其彎矩系數(shù)也有所不同，表2中剛性管道彎矩系數(shù)摘自《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》，柔性管道的彎矩系數(shù)根據(jù)SL281－2020水利鋼管規(guī)范附錄E計算得出。通過表2數(shù)據(jù)對比，兩者豎向變形系數(shù)一致，剛性管的豎向荷載底部彎矩系數(shù)較柔性管底部彎矩系數(shù)大10%左右，在豎向荷載作用下管道底部截面內(nèi)壁受拉;在側(cè)向荷載作用下管道底部截面外壁受拉。因此，單獨作用豎向荷載的情況下，剛性管道底部管壁應力大于柔性管道，疊加側(cè)向土荷載作用后，剛性管道底部管壁應力有所減少，但整體應力水平仍高于柔性管道。
1．5小結(jié)
通過上述分析，當管道判定為剛性管道時其頂部豎向荷載較柔性管道豎向荷載增大20%以上;同時剛性管道頂部土體下沉量小于兩側(cè)土體，管道兩側(cè)受到管兩側(cè)土的主動土壓力;剛性管道在豎向荷載彎矩系數(shù)增大的情況下，管內(nèi)壁應力相應增大，同時由于受側(cè)向土壓力的作用管內(nèi)壁應力有所減小。經(jīng)計算對比分析，剛性管道應力水平高于柔性管道，在高壓淺埋管道設(shè)計中，由于水壓引起的環(huán)向應力占比較大，管道土荷載引起的應力變化對管道整體應力水平影響有限。
2水利規(guī)范SL/T281－2020與給水規(guī)范CECS141:2002鋼管計算比較
2．1規(guī)范系數(shù)對比
水利鋼管規(guī)范與給水埋地鋼管規(guī)范設(shè)計原理基本相同，不同之處在于水利規(guī)范采用允許應力法，即荷載不考慮分項系數(shù)，也未考慮管道的重要性系數(shù)，允許應力=屈服強度×允許應力系數(shù)×焊縫系數(shù);給水規(guī)范采用極限狀態(tài)設(shè)計方法計算，給水管道強度計算時，作用效應采用不同荷載乘以分項系數(shù)，還須考慮管道的重要性系數(shù)，管道結(jié)構(gòu)強度設(shè)計值=屈服強度/鋼材抗力分項系數(shù)。兩者對比見表3。水利規(guī)范中管壁單獨承受內(nèi)水壓引起的環(huán)向應力不大于0．55φσs，載荷組合引起的環(huán)向應力和等效應力不大于0．75φσs，管道水壓引起環(huán)向應力安全系數(shù)在1．9～2．0之間，內(nèi)水壓和外荷載組合應力安全系數(shù)在1．4～1．48之間，計算過程中兩者均需小于規(guī)范允許值。給水規(guī)范以管材Q235為例，對單獨承受水壓的環(huán)向應力值未做要求，僅要求內(nèi)水壓和外荷載組合應力小于管道結(jié)構(gòu)強度設(shè)計值，通過表3分析，管道荷載各分項系數(shù)均小于1．27，且管道組合應力還須乘以0．9的應力折算系數(shù)，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準Q235管材抗力分項系數(shù)為1．09，作為單線輸水管道時管道重要系數(shù)取1．1，綜合以上分析給水管道安全系數(shù)最大安全系數(shù)小于1．35，鋼管換算安全系數(shù)約在1．2～1．35之間。不同管材抗力分項系數(shù)有所不同，高強鋼分項系數(shù)會有所增大，但對最終分析結(jié)果影響甚小。
2．2設(shè)計算例
本節(jié)以某工程回填鋼管為例，對兩種規(guī)范設(shè)計進行比較，兩者計算已知條件見表4。鋼管按照雙管輸水布置，焊縫采用雙面對接焊，計算壁厚扣除2mm銹蝕余量。水利規(guī)范與給水規(guī)范各項荷載計算基本相同，僅在豎向荷載引起的管底彎矩計算中有所差異，水利規(guī)范在計算管底彎矩時給出了明確的公式(公式3)，并考慮內(nèi)水壓的影響，給水規(guī)范中未明確內(nèi)水壓的影響，只給出了彎矩折減系數(shù)0．7～1．0的范圍，二者計算應力結(jié)果見表5。鋼管穩(wěn)定性和剛度計算二者基本相同，在此不再贅述。結(jié)合以上分析和計算結(jié)果對比，水利規(guī)范與給水規(guī)范計算結(jié)果基本相當。
3結(jié)語
1)剛性和柔性兩種管道豎向土荷載的作用有20%以上的差別，但剛性管在疊加側(cè)向土荷載作用后與柔性管應力水平差別不大，尤其在淺埋管中，土壓引起的管底環(huán)向彎曲應力在計算中占比較小。在高壓管道中，管道壁厚增大使鋼管判別為剛性管道時，因水壓引起環(huán)向應力為其主要應力來源，故管道作為柔性管道計算也是安全的。2)剛性管道對其自身豎向變形有嚴格要求，其豎向變位一般小于1%D，而鋼管管材由于其自身有良好的韌性，超1%D的豎向變形并不會破壞鋼管的自身結(jié)構(gòu)，回填鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計計算判別剛性或柔性管道意義不大，鋼質(zhì)管道均可按照柔性管道設(shè)計計算。3)水利規(guī)范回填管與給水規(guī)范計算結(jié)果基本相當，以往水利工程供水管參照給水工程規(guī)范設(shè)計也能滿足水利規(guī)范的要求，給水規(guī)范對于單管輸水考慮了一定的結(jié)構(gòu)重要系數(shù)，水利工程設(shè)計時，對重要供水工程的管道設(shè)計時應考慮一定的安全裕度。
作者:張發(fā)茂 甘志軍 單位:中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司