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浅谈供热管道直埋固定墩结构设计

浏览次数: 日期:2015-09-24

【内容提要】直埋敷设已经成为一种常用的供热管道敷设方式,本文介绍了城市供热管道直埋固定墩的样式及计算方法,分析了直埋固定墩的受力情况,并对特殊条件下固定墩的优化设计进行了一些探讨。

 

【主题词】供热管道 直埋敷设 固定墩受力

 

一、 前言

 

  随着我国城市集中供热的快速发展,从上世纪80年代开始,供热管道直埋技术在引进、消化国外的先进技术和施工方法的基础上迅速发展,现已成为最普遍采用的敷设方式。行业标准《城镇直埋供热管道工程技术规程》(CJJ/T 81- 98)的颁布和实施,意味着我国供热管道直埋技术已规范化、制度化。随着城市的发展,区域供热的不断扩大,实际工程中的供热管道的管径也越来越大,住建部于2013年批准发布的《城镇供热直埋热水管道技术规程》(CJJ/T 81- 2013)即是针对原有规程的修订,这标志着供热管道的直埋技术达到成熟期,并开始进入新的起点。

 

 供热管道直埋敷设与其他敷设方式相比,其经济和社会方面的效益都较明显,具体表现为热损耗低、工程造价低、施工周期短、不受地下水位高低影响、维护工作量少、使用寿命长等优点。然而也相应存在着一些问题,如直埋敷设方式的推力较大(尤其是大直径管),固定墩的体积较大,相应的也带来了占地大,混凝土用量较大,一次性浇筑困难等问题。本文针对此问题对固定墩的设计及样式的选择进行了初步探讨。

 

二、 直埋固定墩的受力分析及布置

 

1. 直埋固定墩的受力分析

 

  直埋敷设的供热管道由于受到热媒的加热作用而产生膨胀伸长,因而与土壤有相对滑动的趋势,导致了土壤对管道沿轴向的摩擦力。同时,管道的活动端也有阻挡管道伸长的活动端阻力。为限制管道的轴向位移,保证管道及附件安全工作,需在直埋供热管道上设置固定墩,将管道分成若干补偿管段,分别进行热补偿,从而保证各个补偿器的正常工作。这样管道对固定墩的推力与固定墩在土中的摩擦力及墩的后背土压力就形成一种平衡。这是一种有条件的平衡,即在满足管道允许产生最大位移范围内的平衡。由管道产生的对固定墩的推力如完全用固定墩与土的摩擦力来平衡,那么混凝土的用量很大,造成浪费;若过大地利用固定墩的后背土压力,则在达到最大被动土压力来满足平衡时,固定墩位移量过大,管道运行不安全,所以只能在满足固定墩最大允许位移的条件下,剩余的推力由固定墩与土的摩擦力来平衡。近几年来,普遍采用了充分利用最大被动土压力,把墩与土壤摩擦力作为安全储备的方法。

 

  概括来说,管道对固定墩的作用力包括三部分:管道热胀冷缩受到土壤约束产生的作用力;内压产生的不平衡力;活动端位移产生的作用力。固定墩平衡管道对其的推力,主要依靠于固定墩迎土面的被动土压力和固定墩与土壤的摩擦力。

 

2. 固定墩的布置原则

 

  通常,管道两端同为补偿器或补偿弯管时,直管段上不应设固定墩。当管段一端为普通补偿器(非无推力补偿器),另一端为补偿弯管时,有选择的设置固定墩。当补偿器至弯管的摩擦力大于流体作用于弯管的内压推力时可不设置固定墩,否则直管上宜设置固定墩。

 

固定墩的间距应满足以下条件:

 

(1)管段的热伸长量不得超过补偿器所允许的补偿量;
(2)管段因膨胀和其他作用而产生的推力,不得超过支架所能承受的允许推力。

 

三、 固定墩的设计

 

1. 固定墩的形式

 

  固定墩通常采用长方体、T形体、箱式等。其中箱式固定墩和管道阀门小室、补偿小室、泄水排气小室等合用,以降低土建造价。

 

  固定墩常用形式如下图所示:

 

2. 固定墩的类型

 

1) 按照是否承受介质内压产生的轴向推力分为主固定墩和次固定墩。管段承受回填土摩擦力、补偿器变形的弹性力或摩擦力等,同时也承受介质内压轴向推力的固定墩称为主固定墩。仅承受回填土摩擦力、补偿器位移力等,而不受管道介质内压推力作用的固定墩称为次固定墩。

 

2) 按照是否布置固定墩分为固定墩和虚拟固定墩。当直埋管道利用驻点或锚固点进行自然锚固时,称之为虚拟固定墩。虚拟固定是直埋供热管网受土壤作用的结果,充分利用虚拟固定即可大大降低工程的投资又安全可靠。

 

3. 固定墩的设计

 

1) 固定墩的设计应满足下列要求:

 

a.固定墩不能倾覆
b.固定墩不能有过大沉陷(由于固定墩竖向荷载较小,此项可以满足要求)
c.固定墩不能滑移
d.保证地基的强度要求(由于固定墩一般面积较大,此项可以满足要求)
e.固定墩自身的强度,包括局部压应力的计算
f.地基整体滑动稳定性验算

 

2) 固定墩的稳定性验算:

 

抗滑移验算:K=(KsEp+f1+f2+f3)/(Ea+T)≥1.3
抗倾覆验算:Kov=[KsEpX2+(Gg+G1)d/2]/[EaX1+T(h2-H)]≥1.5
地基承载力验算:σmax≤1.2f
其中:

K:抗滑移系数
Ks:被动土压力折减系数,无位移取0.8~0.9,小位移取0.4~0.7
Ep:被动土压力,Ep=0.5ρgbh(h1+h2)tg2(45°+¢/2)
Ea:主动土压力,Ea=0.5ρgbh(h1+h2)tg2(45°-¢/2)
f1、f2、f3:固定墩底面、侧面及顶面与土壤的摩擦力
T:固定墩承受的推力
Kov:抗倾覆系数
X2:被动土压力Ep作用点至固定墩底面的距离
X1:主动土压力Ea作用点至固定墩底面的距离
Gg:固定墩自重
G1:固定墩上部覆土重
σmax:固定墩底面对土壤的最大压应力
f:地基承载力设计值
b、d、h:固定墩宽、厚、高尺寸
h1:固定墩顶面至地面的距离
h2:固定墩底面至地面的距离
H:管道中心线覆土深度
ρ:土密度,可取1800
g:重力加速度
¢:回填土内摩擦角,砂土取30°

 

3) 其他要求:

 

a.固定墩强度及配筋计算应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的相关规定执行。
b.制作固定墩所用的混凝土强度等级不应低于C30,钢筋应采用HPB300、HRB335,直径不小于10mm,其间距不应大于250mm。钢筋应采用双层布置,保护层不应小于40mm。
c.供热管道穿过固定墩处,除管道固定节两边应设置抗挤压加强筋外,对于局部混凝土高热区应采取隔热或耐热措施。
d.固定墩浇筑须待工艺热力管道连接调整就位后,与热力管上的挡板一同浇筑。
e.当地下水对钢筋混凝土有腐蚀作用时,应按现行国家标准《工业建筑防腐蚀设计规范》GB50046的规定对固定墩进行防腐处理。

 

四、 特殊条件下直埋固定墩的优化设计

 

  由于场地和外界条件的影响,管网敷设和固定墩位置的选择受到限制,导致某些管网的固定墩有时会承受较大的推力。由前文可知,平衡管道对固定墩的推力,主要依靠于固定墩迎土面的被动土压力和固定墩与土壤之间的摩擦力,因此较大的推力导致固定墩需要更大的占地面积和混凝土用量。由于我国大部分城市的供热行业相较其他市政行业起步较晚,地下管网分布错综复杂,有些时候受现场条件限制,固定墩无法按照计算出的尺寸设置,为保证施工能够顺利进行,保证供热管网能够安全可靠运行,需根据现场实际情况对固定墩的设计进行合理优化。根据笔者多年的设计经验,总结出以下几种方法:

 

1. 利用回填土与固定墩的摩擦系数不同,采用换填的方法增大固定墩与土壤之间的摩擦力,减小固定墩的大小。

 

回填土与固定墩的摩擦系数见下表:


土壤类别 摩擦系数
粘性土 可塑性 0.25-0.30
硬性 0.30-0.35
坚硬性 0.35-0.45
粉土 土壤饱和度<0.5 0.30-0.40
中砂、粗砂、砾砂   0.40-0.50
碎石土   0.6
可见,固定墩周围回填材料如采用砂石土,会较好的增加其摩擦力。

 

2. 改变固定墩形式,例如采用板凳形的固定墩。板凳形固定墩是在固定墩的底部沿宽度设两个抗剪齿,利用土的抗剪强度承担部分管道推力。要求开挖基槽时用人工挖土,保证两齿之间的土不被扰动,灌筑混凝土时两齿内满浇混凝土,不设模板。这样,管道的推力将由被动土压力及土的抗剪强度来平衡,而土的抗剪强度则大大超过固定墩与土的摩擦力值。利用了这一重要因素,不仅节约了占地面积,使混凝土用量大大减小,而且减小了一次浇筑混凝土的困难,提高了施工速度。

 

3. 因地制宜,根据现场的地质情况选择合适的方法增加固定墩的抗推力能力。如之前设计的某工程中,现场地基持力层为微风化岩石,基坑开挖困难,无法保证固定墩的设计高度。后参照岩石锚杆基础的设计方法,将固定墩的纵向受力钢筋直接锚入岩石内,使其承担部分推力,满足了设计要求。

 

五、 结束语

 

  综上所述,供热管道直埋固定墩在保障供热管网安全可靠运行中起着重要的作用,直埋固定墩的设计应结合现场实际情况,综合分析考虑其受力方式,灵活应用各种设计方法,以期在安全合理的前提下降低工程造价,提高经济效益。

 

参考文献:

 

1.王飞,张建伟.直埋供热管道工程设计.中国建筑工业出版社,2007
2.城镇供热直埋热水管道技术规程(CJJ/T 81-2013).中国建筑工业出版社,2013
3.建筑地基基础设计规范(GB50007-2011).中国建筑工业出版社,2012

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