直埋供熱管道倒T形固定支座設(shè)計(jì)

摘 要

摘要：介紹了直埋供熱管道倒T形固定支座的設(shè)計(jì)過程及構(gòu)造措施，進(jìn)行了實(shí)踐總結(jié)。關(guān)鍵詞：倒T形固定支座；設(shè)計(jì)與計(jì)算；構(gòu)造措施Design of Inverted T.shaped Fixed Support for Direct
摘要：介紹了直埋供熱管道倒T形固定支座的設(shè)計(jì)過程及構(gòu)造措施，進(jìn)行了實(shí)踐總結(jié)。
關(guān)鍵詞：倒T形固定支座；設(shè)計(jì)與計(jì)算；構(gòu)造措施
Design of Inverted T.shaped Fixed Support for Directly Buried Heat-supply Pipeline
ZHANG Yuchen，LIU Yongfeng，GAO Jiandong
Abstract：The design process and structural measures of inverted T-shaped fixed support for directly burieIt heat-supply pipeline are introduced.The practice sumglary is made.
Key words：inverted T-shaped fixed support；design and calculation；structural measure
1 概述
    隨著城市集中供熱的發(fā)展，熱網(wǎng)作為輸送熱量的設(shè)施起到了重要作用。在熱網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于受土壤的摩擦力、管道的內(nèi)壓力和補(bǔ)償器的彈性力產(chǎn)生沿管道軸向很大的推力，因此在直埋供熱管道中，固定支座是保證管道正常工作的關(guān)鍵之一。
    固定支座在管道運(yùn)行中起支撐和固定結(jié)構(gòu)作用，一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，它的形式通常有矩形、倒T形、單(雙)井形、翅形、板凳形等。在工程實(shí)踐中，尤其是在一級管網(wǎng)中，大管徑管道應(yīng)用非常廣泛，管道推力也很大，考慮到場地、開挖、施工和造價(jià)等因素，經(jīng)常會采用倒T形固定支座。本文對直埋供熱管道倒T形固定支座的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。
2 倒T形固定支座的設(shè)計(jì)
2.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定-陡驗(yàn)算[1]
   ① 受力分析
平行、垂直管道方向固定支座的受力分析見圖1、2。
 

圖中b——固定支座寬度，m
d——擋板墻厚度，m
    F——供熱管道對固定支座的推力，N
F1、F2、F3——固定支座底面、側(cè)面及頂面與土壤產(chǎn)生的摩擦力，N
    Fa——主動(dòng)土壓力，N，當(dāng)固定支座前后為黏性土?xí)r可忽略
Fp——被動(dòng)土壓力，N
h——固定支座高度，m
h1——固定支座頂面至地面高度，m
h2——管道中心距地面高度，m
h3——擋板墻高度，m
h4——底板翼緣高度，m
H——固定支座底面至地面的距離，m
L——底板翼緣長度，m
r1——主動(dòng)土壓力Fa作用點(diǎn)至固定支座底面距離，m
r2——被動(dòng)土壓力Fp作用點(diǎn)至固定支座底面距離，m
r3——固定支座側(cè)面摩擦力F2作用點(diǎn)至固定支座底面距離，m
W——固定支座自重，N
W1——固定支座上部覆土自重，N
σmax——固定支座底面對土壤的最大壓應(yīng)力，Pa
   ② 抗滑移驗(yàn)算
抗滑移系數(shù)K的驗(yàn)算式為：
 
式中Ks——抗滑移系數(shù)
    K——固定支座后背土壓力折減系數(shù)，取0.4～0.7
   ③ 抗傾覆驗(yàn)算
抗傾覆系數(shù)Kov的驗(yàn)算式為：
 
式中Kov——抗傾覆系數(shù)
    σd——地基承載應(yīng)力設(shè)計(jì)值，Pa
    ρ——土壤的密度，kg/m3
    g——重力加速度，m/s2
    ф——回填土內(nèi)摩擦角，(°)，砂土取30°
2.2 強(qiáng)度及配筋的計(jì)算
    為了保證固定支座有能夠承受管道推力的足夠強(qiáng)度，需要在固定支座的擋板墻及底板內(nèi)配置一定數(shù)量的鋼筋，見圖3。
 

2.2.1擋板墻配筋計(jì)算[2]
    ① 正截面受彎承載力計(jì)算
由于管道推力可能不同時(shí)發(fā)生在沿管道的兩個(gè)互為相反的方向，通常應(yīng)為雙向相同配筋，假設(shè)砼壓應(yīng)力合力作用在受壓鋼筋合力點(diǎn)處，這樣受拉(壓)鋼筋截面積As(As′)可以簡化計(jì)算為：
 
式中As、As′——受拉(壓)鋼筋截面積，m2
    M——計(jì)算配筋截面(擋板墻與底板的連接處)處的設(shè)計(jì)彎距，N·m
    σy——普通鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度，Pa
    ds′——受壓鋼筋合力點(diǎn)到截面受壓邊緣的距離，m
    ds——受拉鋼筋合力點(diǎn)到截面受拉邊緣的距離，m
    設(shè)計(jì)要求滿足計(jì)算配筋率大于等于最小配筋率。
    ② 斜截面受剪承載力計(jì)算及箍筋數(shù)量
    a. 確定剪力設(shè)計(jì)值
    剪力設(shè)計(jì)值即為管道的推力。
    b. 驗(yàn)算截面條件
對于厚腹梁，即一般梁有：
 
式中dw——擋板墻有效厚度，m，dw=d-ds′
    Fv——剪力設(shè)計(jì)值，N
    βc——混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)
    σc——混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度，Pa
    c. 確定箍筋數(shù)量
當(dāng)Fv≤0.70σtbdw或時(shí)，應(yīng)按照構(gòu)造配筋，并滿足：
 
式中σt——混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，Pa
    λ——計(jì)算剪跨比
    ρs,v,min——最小配筋率
    σy,v——配筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，Pa
    b. 當(dāng)Fv＞0.70σtbdw或時(shí)，斜截面受剪承載力一般由箍筋和彎起筋共同承擔(dān)，由于計(jì)算繁瑣，為方便施工，通常僅配箍筋。并滿足計(jì)算配筋率大于等于最小配筋率。
2.2.2底板配筋計(jì)算
    對固定支座矩形底板，應(yīng)驗(yàn)算擋板墻與底板交接處的受沖切承載力。固定支座底板受沖切承載力截面位置見圖4。

   ① 受沖切承載力驗(yàn)算[3]
 
式中FL——相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時(shí)作用在AL上的地基土凈反力設(shè)計(jì)值，N
    βhp——受沖切承載力截面高度影響系數(shù)
    bm——沖切破壞錐體最不利一側(cè)計(jì)算長度，m
   h4,0——底板沖切破壞錐體的有效高度，m
   σj——扣除基礎(chǔ)自重及其上土重后相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時(shí)的地基土單位面積凈反力，Pa
   AL——沖切承載力驗(yàn)算時(shí)取用的部分基底面積，m2，圖4中ABCD的面積
   bt——沖切破壞錐體最不利一側(cè)斜截面的上邊長，m，為固定支座寬度
   bb——沖切破壞錐體最不利一側(cè)斜截面的下邊長，m，為固定支座寬度
② 底板配筋計(jì)算[4]
底板計(jì)算截面所需的鋼筋截面積A的計(jì)算式為：
 
式中A——底板計(jì)算截面所需的鋼筋截面積，m2
并滿足計(jì)算配筋率大于等于最小配筋率。
3 倒T形固定支座的構(gòu)造措施
    ① 固定支座可不進(jìn)行剛度計(jì)算，但在計(jì)算沖切承載力時(shí)，應(yīng)考慮對沿?fù)醢鍓穸确较蜉^小的一側(cè)進(jìn)行抗沖切驗(yàn)算，以確定擋板墻的最小厚度。環(huán)形鋼擋板周邊混凝土受沖切分析見圖5。圖中d1、d2分別為環(huán)形鋼擋板到固定支座擋板墻邊距離，d1＞d2，單位為m。
    ② 管道穿過固定支座處，由于管道上環(huán)形鋼擋板對混凝土產(chǎn)生局部壓應(yīng)力，宜在孔邊加設(shè)隱肋[5]，且隱肋內(nèi)的鋼筋總截面積不宜小于被切斷鋼筋截面積的1.5倍，并應(yīng)配置箍筋，見圖6，圖中數(shù)值單位為mm。

    ③ 為了避免靠近環(huán)形鋼擋板兩邊的混凝土局部受壓，在環(huán)形鋼擋板兩側(cè)布置24根直徑不小于18mm的抗擠壓筋。固定支座抗擠壓筋布置形式見圖7。
 

   ④ 底部和周圍構(gòu)造回填：在固定支座底部換填厚度為200mm的毛石，周圍換填級配良好的砂石，這樣使得摩擦系數(shù)增大，底面和側(cè)面摩擦力增大，內(nèi)摩擦角增大，被動(dòng)土壓力增加，主動(dòng)土壓力減小。
   ⑤ 考慮到地面綠化和道路施工工藝，要求固定支座頂面覆土厚度不小于500mm。
4 實(shí)踐總結(jié)
    倒T形固定支座受力形式簡單，主要依靠土壤的土壓力和摩擦力來承受管道的推力，使設(shè)計(jì)相應(yīng)簡單并合理化。倒T形固定支座結(jié)構(gòu)形式簡單，只由擋板墻和底板兩部分組成。由于結(jié)構(gòu)布局簡單，在施工過程中，模板支護(hù)及鋼筋綁扎很規(guī)則，減小了施工難度，達(dá)到縮短工期的效果。
    在杭州市熱水網(wǎng)二通道工程中，地下管道復(fù)雜，供熱管道附近還有其他平行的市政管道，為了不影響其他管道的正常運(yùn)行，熱力管道固定支座的寬度就要求盡可能小。經(jīng)過分析，固定支座承受的軸向推力主要還是由底面的摩擦力(側(cè)面摩擦力較小)和被動(dòng)土壓力承擔(dān)。既然固定支座的寬度受到限制，被動(dòng)土壓力也相應(yīng)受到限制，那么我們通過增加固定支座底板長度，使底板與土壤的接觸面積增大，并增加了固定支座的自重，從而增加了底面和側(cè)面摩擦力，在沒有影響與之平行的管道或建筑物的同時(shí)，同樣可以抵抗管道的推力。
    對于該工程，管道最大推力為1400kN，經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算，固定支座的擋板墻和底板均能滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度和構(gòu)造要求，實(shí)際運(yùn)行效果良好。
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(本文作者：張玉晨 劉永風(fēng) 高建東 中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 天津 300074)