直埋热网管道固定支墩设计分析

直埋热网管道固定支墩设计分析

摘要：热电厂热网管道及城市集中供热管道常采用直埋方式敷设，但对直埋管道固定支墩设计分析的相关理论及处理方法并不完善，本文在工程实践基础上，对固定支墩尺寸设计、样式、配筋计算进行了分析总结，为类似设计提供参考。

关键词：供热管道；固定支墩；土压力；设计

引言

目前，随着我国热电厂的建设和北方地区城市集中供热的发展，热力管道敷设越来越广泛。管道敷设方式主要为架空、地沟和直埋。

架空方式不但占据地下空间，而且需要地上空间，影响美观，在地上空间有限的厂区及城市很受限制。

地沟敷设方式需要年年进行维修，供热成本较高，同时接缝多，热损失大，能源浪费严重，施工周期长，对城市交通影响大，工程造价高等问题。

经过近年来的应用证明，供热管道直埋敷设具有良好的社会效益和经济效益，优点如下：工程造价低；热损失小，节约能源；防腐、绝缘性能好、使用寿命长；占地少、施工快、有利于环境保护和减少施工扰民。因此，直埋方式已成为供热管道最普遍采用的敷设方式。

同架空敷设、地沟敷设供热管道一样，直埋供热管道上设置固定支墩，其目的同样是限制管道轴向位移。固定支墩一般为钢筋混凝土结构。

1 固定支墩形状及间距

固定支墩形状通常采用长方体、倒“T”形体、箱式等，其中长方体、倒“T”形体固定支墩应用较多，箱式固定支墩和管道阀门小室、补偿小室、泄水排气小室等合用，以降低土建造价。

为了节约投资，固定支墩间距应尽可能的大，同时固定支墩间距必须满足下列条件：管道的热伸长量不得超过补偿器所允许的补偿量；管道因膨胀和其他作用而产生的推力，不得超过支墩所能承受的允许推力。

2 固定支墩设计

2.1 固定支墩受力荷载

固定支墩主要承受管道的热膨胀冷缩约束力、内压不平衡力和活动段位移产

生的作用力，同时作用于固定支墩上的外力还有主动土压力、被动土压力、支墩与土的摩擦力。垂直外力有管道自重及管道内介质的重量、支墩及支墩上的土重量。

土压力可按朗肯土压力理论计算。在工程设计中，因工艺允许的管道位移量不能达到最终的被动土压力，故设计中被动土压力必须进行折减，折减系数一般取K=0.4～0.7。

2.2 固定支墩设计稳定性验算

2.2.1 抗滑移验算

（1）

式中Ks—抗滑移系数；

K—固定支墩后背土压力折减系数，取0.4～0.7；

Ep—主动土压力（N）；

f1、f2、f3—固定支墩底面、侧面及顶面与土壤产生的摩擦力（N）；

Ea—被动土压力（N）；

T—供热管道对固定支墩作用力（N）。

因混凝土侧壁及顶面与填土间摩擦力不能精确计算，在实际计算中不考虑侧壁及顶面和土之间的摩擦力，所以求得的抗滑移系数偏小。因此，这一理论用于工程中是偏于安全的。

2.2.2 抗倾覆验算

（2）

式中Kov—抗倾覆系数；

X1—主动土压力作用点至固定支墩底面的距离（m）；

X2—被动土压力作用点至固定支墩底面的距离（m）；

G—固定支墩自重（N）；

G1—固定支墩上部覆土重（N）；

d—固定支墩厚度（m）；

H、h2—固定支墩底面、管道中心至地表面距离（m）；

Ep、Ea、T—见式（1）。

2.2.3 地基承载力验算

（3）

式中Pmax—固定支墩产生的最大压应力（Pa）；

M—作用于固定支墩底面的力矩（N.m）；

W—固定支墩底面的抵抗矩（m3）；

A—固定支墩底面面积（m2）；

f—地基承载力特征值（Pa）；

G、G1—见式（2）。

2.2.4 强度验算

管道固定支墩的强度及配筋计算应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》（50010-2010）的规定。制作固定支墩所用混凝土强度等级不应低于C20，钢筋直径不应小于9mm，间距不应大于250mm。钢筋应双向布置，保护层不应小于30mm，固定墩穿洞口处应设置加强筋。

2.3 注意事项

在实际工程中当管道推力很大时，同时固定支墩尺寸受场地等限制，为了减小固定支墩尺寸，可以采用以下换填的方法，增大支墩的被动土压力和摩擦力。

采用底部换填法。在支墩基础的底部换填厚碎石垫层，摩擦系数可达到0.6，摩擦力比粘性土增加了1倍。支墩周围换填粗砂，内摩擦角可达到30°，被动土压力比粘性土增加了1.1倍，主动土压力比粘性土减小了1倍。

由于支墩受力比较复杂，因此支墩配筋没有精确的计算模型，本文建议矩形固定支墩可按受冲切承载力构件和局部受压承载力构件进行计算配筋。倒T形固定支墩上部构件可按悬挑梁进行计算，底部构件可按独立基础进行计算。

此外，埋地管道受到土壤的支承作用。因此，分析埋地管道及其固定支墩受力情况时，必须考虑土的差别所在。在固定支墩所受推力中，土壤对推力的影响

最大，因此提高管道和固定墩周围的土壤夯实程度对减小弯头内力有很大益处。

3 结语

本文对固定支墩进行了简要的受力和结构分析，关于固定支墩的设计还涉及到很多内容，随着对直埋管道的理论研究和产品开发的不断完善，对固定支墩的优化设计也必然产生很好的效果，进而充分发挥固定墩的作用。本文可作为同类型固定支墩的设计参考，对增加热网管网的可靠性和使用寿命具有积极意义。

参考文献

[1] 王飞，张建云.直埋供热管道工程设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2] 中华人民共和国建设部.CJJ/T 81-98 城镇直埋供热管道工程技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[3] 中国人民共和国建设部.05R410 热水管道直埋敷设[S].北京：中国建筑工业出版社，2005.