《钢管特殊铺设的设计与结构分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钢管特殊铺设的设计与结构分析（28页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、埋地埋地输水输水钢管的设计钢管的设计与与结构分析结构分析 特殊铺设特殊铺设的结构的结构分析与计算分析与计算 译者注 本文译自美国土木工程学会 ASCE 之工程实践的手册与报告 119 MOP 119 Buried Flexible Steel Pipe Design and Structural Analysis 7 SPECIAL CONSIDERATIONS 为了计算方便 已将英制单位转换成 公制单位 纰漏之处请与译者联系 设计人员有时要面对标准埋地管道条件以外的情形 在这种情况下 标准的 设计和分析需结合特殊情况 本文将叙述几种特殊情况下相关的设计和分析 1 同一管沟内同一管沟内设设双排
2、管道双排管道 双排管在同一管沟的情况将引发设计者质疑埋地柔性管的基本原理是否还适 用 虽然基本原理仍然有效 这部分内容还要增加管之间土壤分析以及地面重荷 载 地面荷载需要在三个地方特别注意 注意最小覆土下的钢管变形 环变形的阻力一方面来自环刚度 竖向荷载作用在管上使管环压缩失效 或起拱线处土壤滑动 竖向荷载作用在两管之间的土块上 如果地面荷载下管强度没问题 最后 一步需确定最小管间距 图 1 两管之间的管土块 截面 A A 需支撑地面部分动荷载 W 和阴影部分的静荷载 当埋地钢管双排布置时 之前的单管分析原理仍然适用 包括最小覆土深度 要求 然而 双排埋管设计要求增加一个地面重载的分析 如图
3、1 所示 将两管 1 之间的土块看作是一个自由体 AA 为两管最近处截面图 这个土截面需承受上 方阴影部分的全部重量加上部分地面荷载 W 即图中的动荷载 起拱线处截面 AA 土块很重要 它受两侧管约束 从设计上来讲 这个土块强度需大于竖向荷 载 1 1 强度强度 土截面性能极限既要考虑管壁环刚度 也要考虑自身的竖向压缩强度 设计 取小值 管壁环刚度为钢的屈服强度 土的强度为滑动时的竖向应力 y比水 平应力 x 对于粘结性差的覆土 当竖向和水平应力比 y x 1 sin 1 sin 时 土块滑动 截面 A A 土块上的竖向应力为 y 阴影部分的土重 X 动荷载 0 447W Hc p 2 如图
4、1 所示 水平土壤应力 x为管壁作用到土块上压力 对 于柔性管道 作用在截面 A A 的水平压力等于作用在管上的垂直土压力 Pd 因 此 x Pd 总的来说 动荷载压力较小 因为它不是直接作用在管上 所以动荷 载作用不明显 对于粘结性强的土质 滑动时的土壤强度 y x可以经三轴剪力试验获得 其之间压力等于管壁支撑土壤的水平压力 如果水位高于 A A 土壤压缩强度为有效的竖向应力 y除以水平应力 x 土 块滑动时的比值 y x 1 sin 1 sin 管道水压参与这个应力计算 1 2 应力应力 如果土壤与管壁保持连结 这个土块可以依照一个相同的或转换的部分 作 为加强的混凝土块进行分析 由于环境
5、温度 湿度和动荷载的变化 土壤与管壁 的连结会变动 很难保证 保守来讲 这个连结为零 因此 钢管和土壤的应力 计算应分别进行 1 3 钢管设计钢管设计 在分析土块之前 首先应保证钢管设计有足够强度 其环向压缩公式为 2 或写为 2 1 式中 钢管外径 mm 单位管长的管壁面积 mm 管环压缩强度 等于钢材最小屈服强度 MPa 安全系数 管上最大土壤竖向压力 MPa 环向压缩最差的情况是动荷载 W 直接压在钢管上 这里 Pv Pl Pd 有效动 荷载 Pl可以由布西内 Boussinesq 或纽马克 Newmark Dunn 等人 1980 方法 得到 如果 W 被看作是线荷载 根据布西内公式
6、0 477 2 相对应 2 地 如果假设动荷载 W 表面分布荷载 可以使用纽马克整合公式 一定深度下等于 轮胎印的最大宽度 纽马克整合公式与布西内公式基本上结果相同 简化起 见 使用更简单的布西内公式 两个公式的埋深都要大于在塔锥形分析中要求 的最小深度 算例算例 1 管上动荷载 管上动荷载 设钢管 1 873 3mm 7 95mm 248 21MPa 埋深 457 2mm 单位土重 t 1 922 2kg m3 设地面轮压 W 9 072kg 验算钢管强度 1 动荷载直接作用在钢管上 首先计算管上竖向土压力 0 477 9072 457 2 2 100 98 1873 3 457 2 1 1
7、2 25 4 1922 2 9 8 1003 203 53 256kPa 然后验算 作用下钢管的应力 2 256 1873 3 2 7 95 248 21 1000 30161 248210 8 2 2 动荷载接近钢管 根据管土作用分析 假定标准 AASHTO HS 20 双轮胎印 为 203mm 610mm 胎压 717kPa 如果突然停车或轮胎掉了等负面影 响 最小覆土高度 要求是多少 最小覆土下的最大弯矩 M 0 022 rs2 则 M 0 022 1873 3 1000 2 2 25 4 0 49 而且 Mc1 Is 248 21MPa 屈服强度 Is ts3 12 7 953 12
8、41 87mm3 c1 ts 2 7 95 2 3 98mm 则 M Is c1 248 21 1000 41 87 10002 25 4 3 98 66 3N m 屈服点的 最大弯矩 带入等式 M 0 49 3 66 3 0 49 135kPa 根据管土作用分析的公式 W Hc 203 Hc 610 其中 W 9 072kg 则 135 9072 9 81 Hc 0 203 Hc 0 61 Hc2 0 813 Hc 0 12383 9072 9 81 1000 135 Hc2 0 813 Hc 0 535 0 Hc 0 43m 这里的最小覆土深度是保守的 考虑的条件是线性荷载 没有考虑管长方
9、 向的强度 总之 如果埋深为 0 43m 9 072kg 重的轮压需引起注意 考虑一个 2 倍安全系数 最小覆土深度大约为 0 9m 1 4 土块的设计土块的设计 下面的分析只针对柔性管 假设管子有足够强度抵抗环向压缩荷载 参看图 1 两个柔性管截面 A A 上的竖向荷载不小于 2PvDp 2 PvDp 设计土块时 保守地 假设管壁承受竖向荷载 PvDp 其为总荷载的一部分 其它部分由土壤承受 最大 荷载发生在重载位于截面 A A 的中间 而不是在管顶上方 在这个位置 A A 处 的动荷载压力最大 管壁需承受静荷载 tHcDp 管上动荷载压力Pl太小可以忽略 在最小覆土高度下 其由环刚度支撑
10、但是 不能忽略截面 A A 处的动荷载 截 面 A A 处的竖向土应力 y必须小于竖向土壤压缩强度 S 竖向应力为徒荷载除 以截面积 2 式中 y 截面 A A 处竖向土壤应力 kPa 1psf 0 048kPa Q tHcDp 截面 A A 处土壤支撑荷载 总荷载减去管壁支撑荷载 kN m Q 截面 A A 处的竖向荷载 wd wl kN m t 土壤单位重量 kg m3 Hc 覆土高度 m Dp 钢管外径 m X 两管之间 A A 截面的宽度 m 竖向土压缩强度 kPa sf 安全系数 单位管长上的 Q 为图 1 阴影部分土重量静荷载 wd和部分地面动荷载 W 作用在 A A 上的 wl
11、单位长度 l 静荷载 wd为单位土壤重量乘以阴影面积 wd l X Dp Hc Dp 2 Dp 2 2 2 t 3 4 动荷载 wl为图 1 中 A A 截面动荷载压力图示的体积 它借助布西内或纽马克 公式计算 塔锥形穿透应力分析在这里不适应 因为覆土高度比最小覆土要 求大很多 布西内公式单位长度的动荷载 wl为 wl 0 477WX Hc Dp 2 2 4 算例算例 2 竖向土壤应力和安全系数 竖向土壤应力和安全系数 算例 1 中的钢管为双排敷设 两管间距 X 304 8mm 本算例埋设条件相 同 设地面轮压 W 9 072kg 钢管外缠绕防腐 Dp Do 1 873 3mm 求图 1 中
12、截面 A A 的竖向土壤应力 土壤滑动的安全系数 1 截面 A A 处的竖向荷载 首先确定截面 A A 处的竖向荷载 Q Q wd wl wd由公式 3 得到 式中 l 1m wd l X Dp Hc Dp 2 Dp 2 2 2 t 1 0 3048 1 8733 0 4572 1 8733 2 1 8733 2 2 2 1 9222 31 26kN m 动荷载 wl由公式 4 计算 wl 0 477WX Hc Dp 2 2 0 477 9072 0 3048 0 4572 1 8733 2 2 6 66 kN m 然后 Q 31 26 6 66 37 92kN m Q tHcDp 37 92
13、 1 9222 0 4572 1 8733 9 81 21 77 kN m 从等式 2 竖向土应力 单位长度 1m 上的竖向应力为 y 21 77 1 0 3048 71 42kPa 2 安全系数 安全系数 sf Px x 抵抗应力 实际应力 如图 2 所示 截面 A A 处的颗粒 状的土块滑动 x y 1 sin 1 sin 5 对于柔性管环 Px Pd tHc 因此 Px 1 9222 0 4572 9 81 8 62kPa 当土块滑动时 土块水平方向宽度增加 钢管直径减小 如果土块经一定的 压缩 则土壤摩擦角 30o x y 1 sin 1 sin y 3 23 81kPa 图 2 两管
14、之间的土块与管详图 因此 安全系数 sf Px x 8 62 23 81 0 36 小于 1 0 土块会滑动 增加土 壤摩擦角到 45o只增加安全系数到 0 7 仍然会导致土壤滑动 其他消除潜在滑 动的选择包括增加 X 或 H 在两管之间添加水泥 或调整以上三项 这种两管之间土块边界的分析是保守的 忽略了钢管长度方向的约束力和覆土 深度 而且 也忽略了覆土的拱作用 基于这个固有的保守原则 安全系数可 以小于 1 5 2 平行管沟平行管沟 埋地柔性钢管依赖于埋设的稳定性 支撑侧压缩的土壤和顶拱的刚性 当 一个管沟平行开挖在另一个管道旁时会发生什么呢 主要问题是新开挖管沟与 另一个管道之间的最小间
15、距 以及致使管沟发生坍塌的变量 犹他大学在 1968 年将这些作为课题进行了研究 为了减少这些变量 假设环刚度为零 试验的 结果是保守的 因为没有管道环刚度是零 大多数柔性管道的 D t 比小于 300 如果 D t 比为 600 其环刚度近似等于零 在回填土时其管道将会保证圆 度 6 图 3 竖向最大挖深 总的来说 如果土壤很差 没有粘结性 管沟壁应有一个小于土壤摩擦角 的安定角 管沟土在这个安定角产生滑动 在这个安定角上不能挖至原有埋 地管沟 如果土壤有粘性 管沟壁可以垂直 如图 3 所示 当设计平行管沟时 主要考虑的要是有足够的间距 保证临近原有管道的 管沟壁稳定 原有埋地管道的竖向土压
16、力使管道产生一个水平压力 如果这个 力过大会使管沟临近一侧发生挤出 如图 3 所示 相邻管沟壁抵抗冲击荷载的 能力取决于土壤特性 覆土高度和管径 根据这些参数 可以计算出相邻沟壁 与现有埋地管道的最小间距 X1 柔性管道受竖向棱形土荷载下 在土壤潮湿的 颗粒土的试验中得到 X1 1 4HcDp Z 考虑一个大致的安全系数 2 得到 X1 3HcDp Z 其中 Z 为管沟竖向稳定的最大挖深 并取决于土壤强度 这个值 是在试验沟槽确定的 或者根据公式 Z 2c t tan 45o 2 获得 因为没有考虑 管道本身的刚度 所以这个分析是保守的 计入环刚度会减小 X1值 具体变化 需要由管土系统试验来确定 Z 新沟最大挖深 m X1 相邻管壁与现有管道的最小间距 m Hc 覆土深度 m Dp 现有管道直径 m t 单位土重 kg m3 c 土壤粘结力 kPa 土壤摩擦角 度 算例算例 3 最小管沟间距最小管沟间距 设管径为 1 219m 覆土深度 1 524m 土壤粘结力为 27 58kPa 土壤摩擦角 为 30o 单位土重为 2002 31kg m3 求相邻管壁与现有管道之间最小间距 7 Z
