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，得出二者計算結果基本相當?shù)慕Y論。
關鍵詞: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構設計規(guī)程》CECS141:2002設計計算，在新版《水利水電壓力鋼管設計規(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構分析中，鋼管可按柔性管計算。根據(jù)給水排水工程管道結構設計規(guī)范，對于埋設于地下的圓形管道結構，管道結構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土的綜合變形模量;t、r0分別為管壁計算厚度和鋼管結構計算半徑。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，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土體下沉量，管道頂部土體下沉過程中受兩側土體產(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豎向土體的重量。根據(jù)給水排水工程管道設計規(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、管側土荷載、水重和管自重;P、r和t為水壓、管內半徑和管壁計算厚度。其中剛性管道側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向土壓力的作用，根據(jù)側向土荷載公式計算，側向土壓力的數(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《給水排水工程結構設計手冊》，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壁受拉;在側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
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土體，管道兩側受到管兩側土的主動土壓力;剛性管道在豎向荷載彎矩系數(shù)增大的情況下，管內壁應力相應增大，同時由于受側向土壓力的作用管內壁應力有所減小。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)，管道結構強度設計值=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，僅要求內水壓和外荷載組合應力小于管道結構強度設計值，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)鋼結構設計標準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，但對最終分析結果影響甚小。
2．2設計算例
本節(jié)以某工程回填鋼管為例，對兩種規(guī)范設計進行比較，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)，并考慮內水壓的影響，給水規(guī)范中未明確內水壓的影響，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。結合以上分析和計算結果對比，水利規(guī)范與給水規(guī)范計算結果基本相當。
3結語
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構，回填鋼管結構設計計算判別剛性或柔性管道意義不大，鋼質管道均可按照柔性管道設計計算。3)水利規(guī)范回填管與給水規(guī)范計算結果基本相當，以往水利工程供水管參照給水工程規(guī)范設計也能滿足水利規(guī)范的要求，給水規(guī)范對于單管輸水考慮了一定的結構重要系數(shù)，水利工程設計時，對重要供水工程的管道設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)劃勘測設計有限公司