管道补偿与固定墩推力计算浅析

【摘要】通过实例，介绍城市供热管道直埋固定墩的L型布置时转角固定的计算方法。

【关键词】固定墩；直埋；受力。

中图分类号：TU984文献标识码： A

0.引言

目前，直埋敷设因工程造价低、热损失小、防腐绝缘性能好、施工速度快等优势，已在供热领域被广泛采用。在供热管道直埋敷设中，L型管线布置是常见的布置形式。在管线L型布置时，固定墩和设计者如何能设计安全、可靠、合理、经济的固定墩是整个热力管网正常运行的关键。本文通过实际的供热工程，详细介绍在热力管道直埋敷设设计中L型管线布置时固定墩受力的计算方法。

1.工程概况

管道管径为DN800,管道壁厚为10mm，管网热媒为高温热水，供回水温度为130/70℃，设计压力为1.6Mpa。管道采用高密度聚乙烯预制保温管道，管道的安装温度取10℃。

管道采用有补偿直埋敷设，通过在弯头、三通、变径等管件附近设置固定墩和补偿器，使管件的受力在许用应力范围内。补偿器采用直埋性波纹补偿器。L型布置处管道平均埋深为1.5m，弯头距固定墩的弯臂长为25米，弯头采用R=1.5DN的热压弯头。

2.固定墩受力分析

根据《城镇直埋供热管道工程技术规程》（以下称为规程），

计算直埋固定墩的水平推力时，应考虑升温和降温，并选择最不利的情况和最大温差进行计算。直埋管道对固定墩的推力，应包括：

⑴管道热胀冷缩并受到约束产生的作用力。

⑵管道径向内压产生的不平衡力。即当管道两端固定，管道内压力升高时，便产生环向应力。

⑶活动端位移产生的作用力。如补偿器弹性力等。

转角固定受力可分为两种形式，当llmin时，H=N-0.8Ff①；

当llmin时，H= Fmaxl+ N-0.8 Ff-PdA0②

式中，Fmax- 土壤与管道的最大摩擦力

l- 管线布置的长度

Ff- 补偿器的摩擦力

PdA0- 弯头产生的盲板力

N- 管道受热伸长所受的土壤反力

由公式②可知，固定墩受力仅按最大摩擦力Fmax计算，当管线布置长度适当时，固定墩的推力将变得很小，甚至趋近于0，这只是适用于管道运行初期。当管线布置长度使固定墩受力很小时，在管线运行末期，土壤与管道间摩擦系数将由最大逐渐向最小转化，固定墩的受力也将随之改变，此时，固定墩受力为

H= Fminl+ N-0.8 Ff-PdA0③

以上只讨论了管道升温过程中固定墩的受力，当管道处于降温过程中时，弯头的弯臂产生收缩，形成一定的收缩长度，此时，弯头产生的盲板力与管线的摩擦力方向相同，固定墩受力为

H= Fminl+ N+0.8 Ff+PdA0④。

可见，固定墩受力分析时若只考虑最大摩擦力Fmax，固定墩在运行末期将会因受力变化而产生位移，最终导致管线的破坏。固定墩受力分析应由公式①②③④综合决定。

3.管道单位长度摩擦力的计算

根据规程，预制保温管与土壤间的摩擦力用以下公式计算：

F=πρgμ(H+DC/2)*DC

式中，F为单位长度摩擦力；ρ为土壤密度，取1800kg/m3；μ为摩擦系数，最大值取0.4，最小值取0.2；H为管顶覆土深度，取1.5m；DC为预制保温管外径，取0.95m。经计算，Fmax=41590.98N/m，Fmin=20795.49N/m

4.补偿器的摩擦力计算

补偿器摩擦力是补偿器的性能参数，其数值大小与制造工艺密切相关。经查阅相关样本，取DN800波纹管补偿器的摩擦力为34264N。

5.土壤反力的计算

规范中没有明确给出土壤反力的计算公式，一般计算过程中，会对土壤反力进行估算，或是省略计算这一项，这将会使固定墩的受力增大，土建设计有通过增大固定墩尺寸来满足受力要求，这不但增加工程造价，还增加了工程的实施难度。土壤反力可按以下公式计算：

N= [EAα(T1- T0)+Ps*A0- Aνσh- 0.5FL]*(1+CM)/[1+CM+A*tan2(ψ/2)/2k3IL]

土壤反力与弯臂长度和摩擦阻力有关，与弯臂长度成正比，与摩擦阻力成反比。经计算，Nmax=431784N，Nmin=418075N。

6.计算结果

根据计算，弯头的弯臂长度远远小于弯头的过渡段长度，因此，公式①在此不适用。

根据公式计算得出：公式②得636573N,公式③得120407N，公式④得2289076N。

可见，公式④的计算结果远大于公式②和③的计算结果，固定墩受力分析应考虑管道降温状态下的力学模型。由公式④得出的固定墩受力较大，土建设计时应进行尺寸优化。

7.固定墩尺寸优化

目前应用的固定墩设计方法是按锚死固定墩的要求设计的，而且仅考虑了墩子与土壤之间的静摩擦力，其体积大、消耗材料多、施工难度大，因而成本较高。

评价固定墩设计水平的依据是固定墩可提供推力与其自身的重量（或费用）之比。比值越小，说明投资大，效益低。根据实际管线中的强度，对于保护弯头的固定墩，一般不必要求固定墩必须被锚死，而是可以根据实际情况，计算出固定墩轴向允许的位移值大小。这样，当墩子有位移时，作用于上面的土壤压缩反力就开始上升，固定墩的承载能力也随之提高。由于土壤是可缩的非刚性体，施工中虽然要求固定墩周围土壤夯实，但也不可能达到刚性体，因此，固定墩微量位移的事实是存在的，而实际工程中保护弯头的固定墩发生微量位移（例如10～20 毫米），也不会给系统造成多大影响，但其所受推力大大减小，从而有效缩减固定墩尺寸。

因此，采用固定墩发生微量位移的设计及计算方法，对于管线的安全运行、降低固定墩的造价及环境保护，都具有非常重要的意义。

8. 结束语

经过对工程的分析，可得出如下结论：

⑴计算固定墩受力时应考虑摩擦力、盲板力和土壤反力的综合作用。

⑵固定墩尺寸设计时可采用固定墩发生微量位移的设计及计算方法。

参考文献

[1]王飞，张建伟，直埋供热管道工程设计[M]北京，中国建筑工业出版社，2006

[2]中华人民共和国行业标准城镇直埋供热管道工程技术规程（CJJ/T 81-98）,1998．