直埋敷设供热管道垂直荷载计算方法的研究

直埋敷设供热管道垂直荷载

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计算方法的研究

哈尔滨工业大学　邹平华☆　那　威　宋　艳北京热力集团　杨　帆　胡宝娣

摘要　介绍了四种常用垂直荷载计算方法:《城镇直埋供热管道工程技术规程》法、

Marsto n 法、Г・К・Клейн法和棱柱荷载法。给出了计算垂直荷载的土壤垂直压力因数曲线, 讨论了考虑沟槽为直壁沟槽或斜壁沟槽、管道为刚性或柔性管道时的垂直荷载计算方法及适用条件。实例计算结果表明, 沟槽为斜壁沟槽的Г・К・Клейн法计算结果最小《城镇直埋供, 热管道工程技术规程》法计算结果最大; 载。

关键词　供热管道　直埋敷设　垂直荷载　C a l c ul a ti e t l l o a d f or

b a ti n g p ip e li n e s

By inghua ★, Na Wei , Song Y an , Y ang F an and H u Baodi

Abst r a ct 　Presents f our conve ntional calculation met hods i. e. t he Technical specification f or directly buried heating pipeline engineering in city met hod , Marst on load met hod , Гmet hod a nd p rism load ・К・Клейнmet hod. Provides t he curves of soil vertical p ressure coefficie nt t o calculate vertical load a nd discusses t he calculation met hod a nd its application conditions f or vertical or lea n walls in pip e cha nnels a nd f or rigid or flexible pipes. The calculation results show t hat t he result by Г・К・Клейнmet hod f or lean wall in t he pipe channel is t he least a nd t hat by t he first met hod is t he largest and t he vertical load in actual engineering is close t o t hat by t he p rism load.

Keywor ds 　heating pipeline , directly buried laying , vertical load , flexible pip e , rigid pipe ★Harbin Institute of Technology , Harbin , China

0　引言

正确计算直埋供热管道上的垂直荷载关系到管道的强度和应力计算、固定支架的受力和竖向稳

定性验算, 对管道安全可靠运行有着重要影响。管网造价在供热系统的总投资中占有很大的份额, 垂直荷载的大小与供热系统的经济指标密切相关。在管道设计中, 工程人员采用的直埋管道垂直荷载计算方法多种多样, 计算中忽视直埋敷设供热管道　3

的柔性特性以及沟槽型式(直壁和斜壁) 的情况时有发生。采用不同的计算方法得到的管道垂直荷载、土壤摩擦力以及固定墩受力偏差很大。合理计算直埋管道承受的垂直荷载有重要的实用意义和经济意义。

☆邹平华, 女,1944年4月生, 大学, 教授, 博士生导师

150090哈尔滨市南岗区海河路202号哈尔滨工业大学二

校区2612信箱

(0451) 86282272

E 2mail :zph @hit.edu. cn 收稿日期:20050126修回日期:200505

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国家自然科学基金资助项目(编号:50378029) ; 国家“十五”重点科技攻关计划资助项目(编号:2002BA107B02)

本文详细分析并对比了国内外直埋敷设供热

管道的垂直荷载理论模型和计算方法, 根据直埋管道的刚性或柔性特性和沟槽型式, 讨论了各方法的适用条件, 给出并分析了计算实例。1　直埋敷设管道垂直荷载的几种计算方法1. 1　《城镇直埋供热管道工程技术规程》法

(CJJ /T 《城镇直埋供热管道工程技术规程》

) 中规定, 直埋供热管81—98) [1](下文简称《规程》

美国艾奥瓦州立大学工程系的Anson

Marston 于1913年提出了埋地管道垂直荷载的计算方法, 即Marston 荷载方程式[2]。国内的《输油

(G B 50253—管道工程设计规范》94) [3]规定采用

美国Marston 荷载法来计算埋地管道的垂直荷载。

Marston 荷载理论认为:埋设管道的沟槽是在未被扰动的土壤内挖出的一个较狭窄的土槽, 沟槽内给管道施加荷载的为一棱柱土体。回填土在沟槽帮上产生剪切力和摩擦力。在管道上方土壤微元上, 底部垂直力与侧边剪切力的和等于顶部垂直力与微元重量的和(见图2) , 如式(4) 所示

。

道单位管长上的垂直荷载Q 包括三部分:单位管长上的垂直土壤重力、预制保温管自重和净土压力造成的剪切力(如图1所示) 。垂直荷载可按式(1) 计算

。

图2　Marston 垂直荷载示意图

Q =G W +G +S F (1)

其中

G W =

(HD

K

2ρ

+D K g

8

)

(2) (3)

(V +d V ) +

B d

d h =V +ρgB d d h (4)

S F =ρg H +

(

2

)

2

K 0tan Φ

式(1) ～(3) 中　Q 为单位管长上的垂直荷载,N/

m ; G W 为单位管长上的土壤重力,N/m ; G 为单位管长的直埋保温管道自重(包括介质和保温材料) , N/m ; S F 为单位管长上的土体造成的剪切力,N/m ; H 为管顶回填土高度,m ; D K 为直埋保温管道外壳外径,m ; ρ为土壤密度,kg/m 3; g 为自由落体加速度, g =9. 8m/s 2; K 0为土壤静压力因数, K 0=1-sin Φ, Φ为土壤的内摩擦角。

为了便于与其他垂直荷载计算方法比较, 计算直埋供热管道单位管长上的垂直荷载时不将单位管长的直埋供热管道自重计算在内。

《规程》法适合于敷设于直壁沟槽中的刚性管道的垂直荷载计算。1. 2　Marston 法

　　当h =H 时, 对上式进行积分求解, 可得:

(5) Q =C d ρgB d H

其中

B -2K C d =μH 2K ′

μ(6)

式(4) ～(6) 中　V 为回填土中任一水平面上的垂

直压力(以单位沟长计) ,N/m ; K 为单位侧压力与单位垂直压力之比; μ′为回填土与沟帮摩擦因数, μ′=tan Φ; B d 为管顶沟宽,m ; h 为从地表面向下到任一回填平面的距离,m ; C d 为管道上方土壤垂直压力因数。

根据埋设管道的沟槽内土壤的类型, 在表1中

μμ可查得K ′值。再根据H/B d 和K ′的值, 可从图3中查得C d [2,4]。

Marston 法适合于敷设于直壁沟槽中的刚性

管道的垂直荷载计算。

μ表1　不同土壤类型的K ′值

编号

1234

μK ′

0. 1920. 1650. 1480. 132

土壤类型

砂土及腐植土(干燥) 砂土、腐植土(湿的及饱和的) 及硬黏土塑性黏土图4　敷设管道的沟槽为斜壁沟槽时的示意图

垂直荷载的Г・К・Клейн法计算公式。

1. 4　棱柱荷载法

直埋敷设供热管道采用的钢管在土壤荷载下有一定的适应变形的能力, 管道是柔性的。柔性管道刚性小于侧帮回填土, 故在管道两侧引发了被动土壤支撑力, , 2,5], 并参E B31. 4中埋地管道上方应, 埋地钢管垂直荷载采用棱柱荷载

(G B 计算方法。我国《输油管道工程设计规范》

50253—2003) [6]改进了《输油管道工程设计规范》(G B 50253—94) [3]中关于埋地管道垂直荷载计算公式规定, 不再使用Marston 法, 而规定采用棱柱荷载计算公式计算单位管长埋地管道的垂直荷载。计算公式为

(9) Q =ρgB c H 　　棱柱荷载法适用于计算柔性管道的垂直荷载。

美国学者对刚性及柔性管道进行了长达21年的荷载实验[2], 整理得到的实验结果如图5所示

。

1,2,3,4同表1中土壤类型编号

图3　管道上方土壤垂直压力因数C d 曲线

1. 3　Г・К・Клейн法

俄罗斯学者Г・К・Клейн在其著作а[4]

) труб, уло енныхвземл出:, ; 刚性较强的单元承受的荷载必占总荷载的大部分, 若回填土很松散, 管道则几乎要承受全部垂直荷载, 此时管道所承受的垂直荷载则为Marston 荷载; 但若回填土夯得较实, 则管道只承受全部荷载中的一部分, 此时应对Marsto n 荷载的计算式加以修正, 修正式为

ρgB d Q =C d ′

2

(7)

式中　B c 为保温管道外径, m ; C d ′为垂直压力因数, 其计算式为

B -2K C d ′=

μ2K ′

μ(8)

　　国内的直埋管道多敷设于斜壁沟槽内, 对于这

种宽度随深度变化的沟槽, 用式(7) 和(8) 计算其垂直荷载[4], 但应采用管顶高度处的槽宽B 作为计算槽宽, B d 为距地面H /2处的槽宽, 按H/B d 来确定垂直压力因数C d ′, 如图4所示。

Г・К・Клейн法适用于计算敷设于直壁沟槽或斜壁沟槽中的刚性管道的垂直荷载。计算斜壁沟槽中管道的垂直荷载时,

需修正直壁沟槽中管道

图5　刚性及柔性管道垂直荷载实验曲线

从图5中可以很明显地看出, 在钢管和混凝土

管道外径近似相等的条件下, 采用Marston 荷载公式计算得到的钢管垂直荷载远大于实际值, 钢管上的垂直荷载在数值上趋近于用棱柱荷载计算公

　　　　　　　　暖通空调HV &A C 　2005年第35卷第11期　　　　设计参考

式计算得到的荷载。

2　算例分析

在砂土中分别挖直壁沟槽和斜壁沟槽, 管顶覆土厚度为1. 60m 。直壁沟槽的沟槽宽1. 05m ; 斜壁沟槽的沟槽底宽1. 278m , 坡度(高∶宽) 为1∶0175。沟槽中管道外径为D N 450( 478mm ) 。土壤密度为1925kg/m 3。埋地管道的材料为Q235号钢, 其密度为7800kg/m 3, 管壁厚7mm 。如图6所示, 试计算直埋敷设供热管道的垂直荷载

。

3　结论

・75・

图6　直壁沟槽和斜壁沟槽内管道

垂直荷载计算示意图

本文详细总结了国内外四种直埋敷设供热管道的垂直荷载计算方法, 并给出了使用Marston 法和Г・К・Клейн法计算垂直荷载所需的土壤垂直压力因数的计算图表。

算例表明在相同的条件下, 《规程》法、Marston 法、Г・К・Клейн法和棱柱荷载法等垂直荷载计算方法的计算结果差别较大。各计算结果与采用棱柱荷载法的计算结果相比, 分别是棱柱荷载值的230%,172%,125%。

Marston 法和Г・К・Клейн法未在《规程》中应用, 但刚性及柔性管道的实验验证了工程实际情况下钢管的垂直荷载在数值上趋近于棱柱荷载。在今后修订《规程》或实际应用时, 1/A P , 著. 地下管设计. 北京:机械工业出版社,

2003. 7

25

3　G B 50253—94　输油管道工程设计规范

4　КлейнГК. Расчеттрубуло енныхвземле. М:

2. 1　《规程》法

G W =S F

(HD

K

2+g =3=ρg )

2

tan =18782N/m

Q =G W +S F =33976. 3N/m

Госстройиздат, 1957. 125

2. 2　Marston 法

μ查表1, 可知, 砂的K ′=0. 165, ==

B d 1. 05m

5　СазоноваРМидр. БесканальныетеплопроводыРасчет

ипроектированиеСправочник. Киев. Будi вельник,

1985. 8

10

6　G B 50253—2003　输油管道工程设计规范

1. 52。查图3, 可得C d =1. 19。

Q =C d ρgB d =25255. 5N/m

2

2. 3　Г・К・Клейн法(直壁沟槽)

C d ′计算方法同2. 2节, C d ′=C d =1. 19。

・简讯・

05S K604《民用建筑工程设计常见

ρgB d =18376. 4N/m Q =C d ′

2

2. 4　Г・К・Клейн法(斜壁沟槽)

斜壁沟槽的沟底宽度B 为1. 278m , 在沟槽深度为0. 8m 处宽度为3. 195m , B d =3. 195m , 则

==0. 50。B d 3. 195m

问题分析及图示———暖通空调专业》

05SK604《民用建筑工程设计常见问题分析及图

示———暖通空调专业》由中国中元兴华工程公司编制。图集针对民用建筑设计中暖通空调及动力专业中供暖、通风、空气调节工程, 消防工程, 动力工程, 环保等几部分设计过程中的常见问题, 进行了全面整理和分析, 用图示的方式进行表述, 简明直观地提出解决问题的办法, 并提出改进措施; 图集采用图文并茂和对照比较的编排方式, 便于读者对问题的理解, 避免在设计中类似问题再现, 以提高设计质量。

本图集有助于民用建筑工程暖通空调及动力专业设计过程中对设计规范的理解, 并正确应用于暖通空调及动力专业的设计过程中。

(中国建筑标准设计研究院)

μC d ′计算方法同2. 2节, 查表1可知砂的K ′=0. 165, 可得C d ′=0. 46。

Q =C d ρgB

2

=9936. 1N/m

2. 5　棱柱荷载法

Q =ρgB c H

=14722. 4N/m