城市供热管道直埋固定墩设计不同类型比较

摘要：目前我国城市集中供热工程大多采用直埋供热管网，文章介绍了城市供热管道直埋固定墩的样式及计算方法，分析了直埋固定墩的受力情况，并对特殊环境下固定墩的设计及选择进行了探讨。

关键词：城市供热；直埋供热管网；固定墩；固定墩设计；主动土压力；被动土压力；静止土压力

中图分类号：TU995 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）07-0022-03

一、概述

目前我国城市集中供热工程大多采用直埋供热管网，采用直埋的敷设方式有以下优点：（1）管道直埋技术具有热损耗低、能耗低；（2）管道直埋技术工程造价低、防腐绝缘性好、使用寿命长；（3）管道直埋技术占地少、施工快等优点。通过近几年在我国大面积应用实践，在热力工程中，直埋已成为最普遍采用的敷设方式。

固定墩上土压力的大小及分布规律受到固定墩可能的移动方向、周围填土多少、填土面形式、固定墩的截面刚度和地基变形等一系列因素的影响。土压力一般可分为三种：主动土压力Ea，即固定墩向离开土体方向偏移，达到极限平衡状态，作用在固定墩上的土压力，与管道推力方向相同；被动土压力Ep，即固定墩向土体方向偏移，达到极限平衡状态，作用在固定墩上的土压力；静止土压力Eo，当固定墩静止不动，土体处于弹性平衡状态，作用在固定墩上的土压力。

土压力计算理论主要有古典的朗肯（Rankin，1857）理论和库伦（Coulonb，1773）理论。实验研究表明，在相同的条件下主动土压力小于静止土压力，而静止土压力又小于被动土压力，即Ea＜Eo＜EP。而且产生被动土压力所需的位移大大超过产生主动土压力所需的位移。但是设计中工艺允许的位移量不能超过25mm。因此不可能达到最终的被动土压力。故设计中必须进行折减，折减系数K=0.4～0.7，所以能抵抗管道推力的重要因素大大减少了。

固定墩与地基土接触面产生的擦力也是抵抗管道推力的重要因素。因此，当管道水平推力很大，固定墩周围有建筑物使支墩尺寸受限时，可利用回填土与固定墩的摩擦系数不同，采用换填的方法减小固定墩的大小使其不致影响周围的构建筑物。

二、固定墩样式

固定墩样式根据工程实际情况及设计要求等通常分为以下几种：矩形固定墩、倒T形固定墩、单井室固定墩、双井室固定墩、梯形固定墩、板凳形固定墩等。其中单井室固定墩及双井室固定墩的计算方法同矩形固定墩及梯形固定墩计算方法相同，而倒T形固定墩与板凳型固定墩计算方法类似。本文通过对矩形固定墩及板凳型固定墩的计算比较进行初步探讨。

三、不同类型固定墩计算方法

固定墩主要承受管道的水平推力，同时，作用于固定支墩上的水平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。

1．对于矩形固定墩的计算根据《城镇直埋供热管道工程技术规程》中的计算方法需要对固定墩进行稳定性验算及抗倾覆验算具体计算方法如下：

（1）抗滑移验算公式：

Ks=（KFp+Ff）/（Fa+F）≥1.3

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；

Fp——被动土压力作用力，kN；

Fa——主动土压力作用力，kN。

（2）抗倾覆验算：

Kov=（Fpd2+GL/2）/（Fad1+Fd3）≥1.5

式中：Kov——抗倾覆系数；

d2——被动土压力作用点至固定墩底面的距离，m；

L——固定墩长度，m；

d1——主动土压力作用点至固定墩底面的距离，m；

d3——管道推力作用点至固定墩底面的距离，m。

在管道推力达到最大推力的瞬间，支墩产生微小的位移，此时主动土压力还没有达到最大，所以上述两式的计算结果是偏于安全的。

2．对于板凳型固定墩的计算可参照《架空热力管道支架简化计算图册》中的计算方法做抗倾覆验算。

本文的基础单位底面积ω固的计算在考虑垂直荷载的同时，主要承受的是水平方向的荷载。计算方法如下：

水平推力f产生的抗倾覆力矩M：

M=f（h+H1）

H1——管道中心距底板顶面高度；

H——脚梁高度；

F——水平推力。

取：γ=20kN/m3

γ为基础底面以上基础和回填土的平均重力密度

支架稳定安全系数K=1.8（按固定支架取值）

根据力矩平衡原理，可得下列方程式：

ABh0γ×A/2=KM

B——基础宽度；

h0——基底埋深；

A——基础长度。

令A/2=1m，则公式简化为：

ω×20h0= KM

则固定支架所需的基础单位底面积ω固为：

ω固=km/（20h0）

当基础单位底面积ω求得后，即可计算基础的长A、宽B。计算方法是：先假定A，再求B：

B=ω/（A×A/2）=2ω/A2

建议基础的适宜长宽比为：

固定支架：A/B=1.0～1.2

由于此计算方法未考虑管道自重及挡板墙的作用，故所得计算结果偏于安全的。

对于壁板如推力较小，可以按悬臂板考虑；如果推力较大，按悬臂板考虑不经济，也可以在管道两侧加上肋墙，如图2所示。

四、固定墩样式比较

矩形固定墩施工方便，计算中受力明确（主要以抗滑移为主）。但由于矩形固定墩的推力较大（尤其是大直径管），所以固定墩的体积较大，相应的也带来了占地大，相应浪费材料，且一次性浇筑困难（固定墩原则上不允许留施工缝）等问题。

板凳型固定支墩是一种轻型板肋结构，其受力稳定原理，主要是依靠支墩底板以上回填土重来抗衡固定支墩所承受的管道推力。从而使支墩工程量大大减少。板凳形固定墩能利用土的抗剪强度，但是要求施工开挖基槽时用人工挖土，保证两腿之间土不被扰动，灌筑混凝土时两腿内满浇混凝土，不设模板。这样，管道的推力将由被动土压力及土的抗剪强度来平衡，而土的抗剪强度则大大超过固定墩与土的摩擦力值。利用了这一重要因素，不仅节约了占地面积，使混凝土用量大大减小，而且减小了一次浇筑混凝土的困难，提高了施工速度，解决了直埋敷设管道推力所带来的许多问题。由于板凳型固定支墩的构件布局科学合理，因此它是工程量小、配筋少、投资省的最佳的固定支墩。但由于板凳型固定墩施工支模板比较复杂，施工周期较长。

单井室和双井室固定墩多用于固定墩与管道井室组合的设计。所以在固定墩样式的选择上矩形固定墩还是板凳型固定墩应根据具体情况确定。建议对于推力较小，采用矩形固定墩，推力较大的采用板凳型固定墩。

五、结语

综上所述，直埋管道固定墩设计应结合现场实际环境，综合分析考虑其多种受力方式，灵活应用各种设计方法，以期在安全合理的前提下降低工程造价，提高经济效益。

参考文献

[1] 城镇直埋供热管道工程技术规程（CJJ/T81-98）[S]．

[2] 王希杰．实用供热外管网土建设计手册[M]．中国建筑工业出版社．

[3] 建筑地基基础设计规范（GB50007－2002）[S]．

[4] 李岱森．简明供热设计手册[M]．中国建筑工业出版社，1998.

（责任编辑：王书柏）

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