埋地压力钢管结构计算规律分析.pdf

年第 期水利规划与设计科研与管理:/埋地压力钢管结构计算规律分析吴国茂(遵义市水利水电勘测设计研究院有限责任公司 贵州 遵义)摘要:现阶段埋地钢管使用越来越多 理论越来越成熟 但计算公式复杂 影响因素较多 为了找到相互之间的规律 通过公式推导和大量的数据分析的方式 得到埋地钢管管底环向弯曲应力、内水压环向应力及总环向应力与参数壁厚、半径、管底土弧中心角、回填土埋深、车辆荷载、内水压力、温差等变量关系 分析了正常运行工况与充水工况、放空工况之间的环向应力关系 为研究设计者提供参考依据关键词:埋地钢管 管底环向弯曲应力 总环向应力 内水压力中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:吴国茂(年)男 高级工程师:引言在水库、引调水、给排水工程中 多数为输水管道 在高水头、跨公路、减小占地、经济环保及复杂地形等输水埋地钢管使用越来越高 国内埋地管设计及理论最先在给排水设计规范中 由于水利水电行业通常水头内水压力高 罗加谦等通过某工程高水头埋地压力钢管设计研究 为后续高水头埋地管道设计提供了的依据石长征等通过给排水规范中埋地钢管的公式将其中极限状态设计方法改为原水利水电钢管设计规范的允许应力法 得到计算结果与国外规范相接近 说明此法在水利水电行业设计中具有较好的适用性 值得进一步的探讨 伍鹤皋等针对内压对回填钢管有复圆作用 对管底弯矩影响较大 在弯矩计算公式中加入内水压力项计算内水压力对弯矩的影响 随后纳入水利行业钢管设计规范 使埋地钢管的结构计算理论在水利水电行业越来越成熟 段正刚等针对现阶段钢管设计规范编制了结构计算及程序 张发茂等通过回填刚性管和柔性管两种模型对比分析得出刚性钢管按柔性钢管计算是安全的 水利规范的允许应力法与给水钢管规范的极限状态设计方法对比得出二者计算结果基本相当 伍鹤皋等基于正交试验法对埋地钢管参数敏感性进行分析 得到回填土和垫层的变形模量是影响埋地钢管结构的最主要因素 而沟槽的形态也对钢管结构产生较大的影响 陈万波等针对埋地钢管变形公式系统规律分析 得到钢管的最大允许埋深与管侧土变形模量 和/的关系 在水重作用下钢管变形会加大 水压作用下钢管变形会大幅度的复圆 而高 约束作用下能够部分削弱水压的复圆效果 徐春峰等认为埋地管道强度、刚度及抗浮刚度不要求 选择换管侧埋置土或砼包管比增加管道壁厚更合适 杨晓蕾等利用给排水规范公式得到管底弯曲环向应力最大时与/的函数关系 现阶段研究者们只是针对某工程或某公式进行分析 没有系统深入对各公式中应力与各参数之间、各工况之间的相互关系进行分析 为了解决设计者困惑提高设计理论水平 本文通过系统分析 得到回填压力钢管计算的相关规律 埋地钢管结构计算相关公式根据水利水电工程压力钢管设计规范有:()()()科研与管理水利规划与设计 年第 期()()()()()()式中 内水压力 钢管半径 钢管壁厚、与管底土弧中心角有关的系数 管侧土综合变形模量 钢材的弹性模量 管顶竖向荷载 单位长度管道内水重 单位长度管道自重 各荷载在管底引起的弯矩 管底环向弯曲应力 总环向弯曲应力 管顶埋深 单个轮压 放空时内外压差 管道外压 钢管临界外压总体来说 埋地管影响主要因素有、文中主要针对这些参数进行分析 正常运行工况下应力与各参数关系 管底环向弯曲应力、总环向应力与壁厚、半径关系将公式()带入()得到()()设各参数见表 表 各参数设定值/(/)/(/)/()/台/(/)/不同壁厚 与总环向弯曲应力、总环向应力的关系如图 所示 从图 可以看出 随着壁厚 增加 管底环向弯曲应力 先增大后减小总环向弯曲应力 整体出现减小趋势 但在较低水头下 出现与 相近的规律 原因是低水头下产生的环向应力太小不足以改变 的规律 得到与 相近的规律 在不同内水压力 作用下 越大 越小 而 越大 说明当内水压力增加时 可以减小 相应对 有减小作用 但内水压力的增加对 增加幅度大 因此总体上 呈增大趋势图 不同内水压下环向弯曲应力 与壁厚 关系图 不同内水压下总环向应力 与壁厚 关系在不考虑管道自重 中壁厚 的影响下 对公式()管底环向弯曲应力 中壁厚 求导 得到计算公式如下:()可以通过公式()计算最大弯曲应力 对应的壁厚 当为管内充水或放空工况时 即不考虑内水压力 的作用得到最大弯曲应力 对应壁厚 当同时变化壁厚、半径 情况时 其他参数见表 得到总环向应力 如图 所示规律图 /总环向应力()与、关系 年第 期水利规划与设计科研与管理图 /总环向应力 与、关系从图 中可以看出 相同 的情况下 随着 的增加 先增大后减小 呈增大趋势通过变化内水压、和管底土弧中心角 下 环向弯曲应力 最大时/一般在/之间 管底引起环向弯曲应力与管底土弧中心角的关系通过图 对比分析不同管径得到 管底弯曲应力 与土弧中心角 的呈反相关关系 随着 增大而迅速减小 当 时 弯曲应力最小当 时 弯曲应力比(弯曲应力与最小弯曲应力比)约为 当 时 弯曲应力比约为 当 时 弯曲应力比约为 当 时 弯曲应力比约为 因此 在 之间时 是较为经济安全的角度范围图 不同管径下环向弯曲应力比与管底土弧中心角的关系 管底环向弯曲应力与埋深 车辆荷载关系根据计算公式()、()可以看出 当无车辆荷载 时 弯曲应力 与埋深 为线性关系当有车辆荷载 作用需要通过分析 设汽车单个车轮轮压 分别为、其他参数见表 可分别得到不同 下 与 的关系 如图 所示图 不同车辆荷载下环向弯曲应力与埋深关系通过图 分析得到在有汽车荷载情况下 当埋深 较小时 环向弯曲应力较大 随着埋深增加底部环向弯曲应力先减小后增大 当埋深 时 汽车荷载的变化对环向弯曲应力影响较小 在汽车荷载下埋深 之间 环向弯曲应力 最小 管径较小时取大值此外 通过对公式 进行分析 当 时 计算得到的 比实际作用于管道上荷载大 因此对公式()进行适当修正 当 时得到公式如下:()()()修正后得到管底引起环向弯曲应力 与埋深的关系如图 所示 通过对比分析 埋深较浅段修正后的弯曲应力有明显减小图 不同车辆荷载下环向弯曲应力与埋深关系(修正后)管底环向弯曲应力、总环向弯曲应力与内水压、管侧土变形模量关系给排水规范环向弯曲应力 未考虑内水压 作用 水利钢管设计规范中考虑了 后 管底科研与管理水利规划与设计 年第 期环形弯曲应力 有减小作用 总体上环向弯曲应力 与水压(为水头)是反相关关系 环向弯曲应力 与内水压 是正比例关系结合表 的除管经外参数(时 )在变化管侧土变形模量 的情况下 得到总环向应力 与、关系如图 所示图 总环向应力 与、关系图 总环向应力 与、关系从图 中可以看出 总环向应力 在 较大时 随着内水压 增加出现一直增大的趋势而 较小时 会出现先减小后增大的趋势 当/水头 某个值时会出现 的最小值因此 需对公式进行详细分析 根据计算公式:()()()为了得到 的最小值 对式()中内水压 求导 换算得到:()()当 时 水压力值为负值 说明不存在最小总环向应力 值 与内水压 呈递增关系 当 时 说明存在最小总环向应力 值 随着内水压 增大呈先减小后增大关系 第四强度理论总应力与温差关系根 据 第 四 强 度 理 论总 应 力 结合表 参数 变化内水压力 得到不同温差下总应力 与 时的总应力 比 其关系如图 所示图 不同 情况下总环向应力比与温差关系图 不同 情况下总环向应力比与温差关系总体分析来看 总应力随着温差的变化呈先减小后增大的趋势 最小值在温降处 一般在 之间 相同温差情况下 温升较温降的总应力大 内水压 越大 土变形模量 越小 温度的变化对总应力的影响越小 相同温差下内水压 的变化较土变形模量 敏感 三种工况对比分析对正常运行工况、充水工况及放空工况进行对比 充水工况是相对正常工况不考虑内水压 作用情况 放空工况相对正常工况下不考虑内水压 和管内水重 年第 期水利规划与设计科研与管理 正常工况与充水工况对比分析利用表 参数 在不同、的情况下 得到总环向应力 与、关系如图 所示 从图 中可以看出 当、较大时 为了找到相互之间关系 设正常工况与充水工况下总环向应力 时 有()()()对公式()推导化简得到 ()式中的理论 为图 中正常工况与充水工况的交线 因此 当内水压力存在 时有 若 可不考虑计算充水、放空工况图 总环向应力 与、关系 正常工况与放空工况对比分析当正常工况与放空工况下 总环向应力 时 此公式不易展开化简 从图 及大量数据分析来看 当回填土 时 一般可以得到正常工况下最小值 管壁抗外压稳定分析根据管道临界外压 公式为:()()()()()当不设加劲环时 为了求得 最小值通过求导得到()()()一般情况下 /一般在 之间 /得到 之间即带入 或 时求得 最小当设置加劲环时 公式太复杂且随加劲环间距变化 这里不进行分析 结论()本文通过求导以及推导得到:最大管底环向弯曲应力 时壁厚的 的计算公式 最小总环向弯曲应力 值时内水压的计算公式 当正常工况与充水工况下总环向弯曲应力相等时的内水压力 的计算公式 通过对汽车荷载下管顶竖向压力公式的修正 使公式更符合实际()通过分析得到随着壁厚 的增加管底环向弯曲应力 先增大后减小 总环向弯曲应力 呈减小趋势 但在较低水头下 会出现与弯曲应力相近的规律 随着半径 的增加 环向弯曲应力 先增大后减小 总环向应力 呈增大趋势最大环向弯曲应力 在/一般在/之间()管底弯曲应力与土弧中心角 的呈反相关关系 当 在 时 最大应力比约为 之间 为较为经济安全的角度范围()在有汽车荷载情况下 随着埋深增加 底部环向弯曲应力先减小后增大 当埋深大于 时 汽车荷载的变化对环向弯曲应力影响较小 在汽车荷载下埋深 之间环向弯曲应力 最小()总环向应力 随着内水压 增加出现呈增大的趋势 而 较小时 会出现先减小后增大的趋势()总应力随着温差的变化呈先减小后增大的趋势 最小值一般在 之间 内水压力 越大 土变形模量 越小 温差变化对总应力的影响越小 而相同温差下内水压 的变化较土变形模量 敏感()当不设加劲环时 或 求得管道临界外压值最小(下转第 页)科研与管理水利规划与设计 年第 期图 巴溪河段陡坡泄水频谱根据声景问卷测验 民众对陡坡泄水比跌水具有更高的喜欢程度 跌水工况下 只有当跌水高度小于某值时 才会为民众认可 而陡坡泄水的工况认可度很高 各陡坡泄水声景得分接近 甚至难以区分最佳陡坡泄水频谱 动态频谱工况相比稳态频谱工况 若水流连续性出现较大变化、或边界的复杂程度较高 使得声音监测出现偶发性、间断性的变化 此时泄水频谱则呈现动态变化动态变化频谱图是不能做均化平衡处理的 由于其展现出的声景复杂性 丰富化 量化分析研究要求更高 动态频谱像是跳动的音乐节奏 其探讨应更具细致化 对问卷的要求也会更高 结论泄水声景的优化设计可以从响度、频谱两个角度进行展开 本文通过对巴溪河段的跌水、陡坡的声景展开系列调研和分析 得到结论如下:()响度既是泄水声景的美化指标 又受环境要素制约 其优化设计宜重点参照环境噪音规范()跌水落差、泄水流量为影响响度的两个重要水力指标 相比泄水流量 跌水落差对响度的影响更为明显 可优先作为响度控制的指标()跌水与陡坡泄水的频谱图是不同的 跌水频谱图形态相似程度较高 且等效声级强度()值越低的频谱 更能为听众接受 更符合美化标准 陡坡泄水的频谱图在低频段有交叉 相比之下 陡坡泄水普遍为民众接受参考文献 张敏秋 杨文明 张君伟 等.龙湾河流域景观河道设计新思路.水利规划与设计():.胡滨滨.以水生态文明理念引领城市河流景观规划设计.水利规划与设计():.郭晓玮.科学的植物配置是塑造中小河流生态景观的重要途径.水利建设与管理():.王凌 罗述金.城市湿地景观的生态设计.中国园林():.李团胜 石铁矛 肖笃宁.大城市区域的景观生态规划理论与方法.地理学与国土研究():.李国棋.声景研究和声景设计.清华大学.孙春红.城市公园声景的评价与设计.西南大学.(上接第 页)王立辉 钟昊林 余志明 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