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管道的计算方法

负载

作用在地下管道上的荷载主要有管道自重、管道内介质压力、纵横向土压力、地下水压力、地面活载(交通荷载)引起的纵横向压力和地震作用,其中:,除管道自重和管道内介质压力外,它们与管道周围土壤直接或间接相关。土壤不仅对管道施加荷载,而且还制约着管道的变形。当圆形或椭圆形管道承受垂直土压力时,垂直直径减小,水平直径增大。但是,由于管道被土壤包围,产生了水平土压力。刚性管如钢筋混凝土、铸铁、石棉水泥等刚性管,其刚度大,纵横向变形小,所引起的土的弹性抗力很小。因此,作用在管道上的水平土压力通常计算为主动土压力。对于钢管、波纹钢管、玻璃管等柔性管,在竖向土压力作用下,其变形可达到管径的2-5%,相应的水平变形受土的弹性抗力约束,从而使管道对竖向土压力的承载力相应提高。

浓度因子

管道上的垂直荷载应等于管道上部土壤质量的重量乘以一个大于1的系数,称为集中系数。我国一般采用1.05-1.4。当管沟的宽度很窄或管道埋在没有管沟的地方时,管道上的垂直荷载应等于管道上部土壤的重量乘以浓度系数小于1,因为管道两侧的土壤受到向上摩擦。柔性管体的竖向位移较大,上部土体之间的摩擦力影响较小。垂直土压力承担管道上部土体的重量。

土壤压实度的影响

土的相对沉降和弹性抗力取决于土的性质和密实度。因此,对于有沟槽的埋地管道,管道两侧回填的压实度应大于90%,对于柔性管道,应大于95%。管道顶部的回填土还应根据不同部位设置相应的压实度要求,以尽量减小作用在管道上的土压力。

地面车辆的作用

当管道顶部土壤较薄时,应考虑地面车辆通过土壤向管道传递的压力。当车辆以集中力的形式作用在地面上时,可以用Boussinesq弹性半无限体理论进行计算。在实际应用中,可以简化为分布角法,即假定地面集中荷载与垂直线呈30°-45°的分布角均匀向下扩散。当管顶覆土超过2m时,可忽略车辆荷载的影响。

管道荷载计算图

对于圆形刚性管,竖向和水平土压力一般作用在管道的顶部和两侧作为均匀的压力,而基床的反作用力按均匀或一定的分布规律作用在管子的方位角的范围内。当是土基床时,可以采用抛物线形。如果是混凝土基床,则反作用力接近均匀分布,甚至两侧的反作用力大于管道底部的反作用力。由于施工条件的限制,地基席承角为小于90°,混凝土基床最大支承角为180°。因此,利用混凝土基床可以提高钢管的承载力。在工程实践中,还根据试验结果,采用了土压力和地基土反力的假设。对于柔性管道,由于土的弹性阻力,管道两侧的荷载图形可以用抛物线表示,管道中心的压力值最大。根据两侧回填土的实测数据和工程实践经验,可以确定土的弹性抗力。

截面计算

根据弹性理论得到管道各截面的内力后,根据强度选择截面尺寸。对于混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土管道,必须检查其抗裂性能,控制裂缝宽度。还应检查钢管的稳定性和刚度。为了计算自应力混凝土管和铸铁管的强度,有时需要对标准管段进行强度对比试验。本厂生产的各种标准规格的管道,其承载力一般按本厂提供的技术指标计算。

管桩基础

在挖沟埋管时,管基础上的附加荷载很小,只有在可靠的原状土层上才需要铺设管道,地基不能处理。但是,如果管道敷设在回填土、淤泥或被原有地基超挖或损坏的土层上,管道只能在地基得到妥善处理后铺设。当管道沿长度方向穿过不同地层或相邻区段,其竖向荷载变化较大时,管道可能会沿纵向产生较大的不均匀沉降,因此,基础应采用柔性界面或沿纵向方向处理,以防止管道破裂。

圆截面管大多是工厂生产的标准化产品。分块运至现场进行安装和接口。同时,浇筑模板,浇筑管基础混凝土,可以加快施工进度,保证工程质量。


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