镇墩结构设计探讨

2016-02-15乌鲁木齐市达坂城区水务监察大队

河南水利与南水北调 2016年11期

□肖璐(乌鲁木齐市达坂城区水务监察大队)

镇墩结构设计探讨

□肖璐(乌鲁木齐市达坂城区水务监察大队)

镇墩在工程设计上应用比较广泛，对管道或水工建筑物起到稳定及保护的作用，通常在地形的突变处，管道的转弯处和分叉处设混凝土镇墩，教科书及规范仅对稳定和地基应力做了相应的规范和要求，仅适用于一般的镇墩设计，对于斜管和水平管段的设计理论不够全面，文章对镇墩设计及结构计算进行详细说明，通过整理公式的计算，旨在对镇墩设计起到推动作用。

镇墩;管道力;结构设计

0 引言

镇墩属重力式结构，利用自重维持稳定。结构设计的内容：验算在最不利组合情况下抗滑稳定和抗倾稳定，验算镇墩各危险断面的应力、地基应力及稳定。

1 作用于镇墩上的荷载及计算条件

作用于镇墩上的荷载分为2大类：一类是直接作用于镇墩的力；另一类是通过管身传给镇墩的力。水流给管壁的摩擦力（又称为拖曳力）和温度变化的力影响，在工程设计中忽略不计。

1.1 直接作用于镇墩上的荷载

有：由水压力产生沿管轴方向的轴向力；弯管水流离心力；镇墩自重；侧向土压力。

1.1.1 由内水压力产生的轴向力

在管道转弯处，内水压力将产生沿管轴方向的轴向力，直接作用域镇墩上。

式中：γ—水容重 γ=10 kN/m3；D—管道内径（m）；，H1，H'1—弯管段起始段和末端段中心的测压管水头，m。

1.1.2 弯管段水流离心力

水流在弯管段流动产生离心力，通过管壁传给镇墩。作用线与管段中心角的角平分线重合。

式中：m—弯管段水体的质量（m=w/g），a—离心加速度（a=V2/R），W—弯矩段水体重量，V—管内流速（m/s），g—重力加速度（m/s2），D—管内径（m），L’—弯中心线弧长

离心力的合力分解为两个轴向力：

1.1.3 弯管水体重

式中：b—弯矩段起点，终点至支管管端长度（m），其余符号同前。

1.1.4 镇墩自重

可根据镇墩尺寸计算。镇墩在水位以下用浮容重。

1.1.5 作用于镇墩的水平土压力

镇墩四周都有填土，为安全，一般只考虑镇墩上游侧面的主动土压力。按填土与镇墩顶面平计算。

式中：ka—主动土压力系数，，γs—土容重（kN/m3），B—镇墩宽度（m），D1—管的外径（m），h2—镇墩底至顶的高度（m），h1—斜管段管端断面中心线至填土顶面高度（m）。

1.2 通过管身传给镇墩的荷载

有：管道自重，管内水重，水面以下管道的上浮力，管道上的土压力。

1.2.1 管身自重

管端分为斜管和水平管，根据尺寸自重可求得。将自重分解为平行于管轴线和垂直于管轴线的2个分力。前者是下滑力，后者起阻滑作用。

管身自重：G1L1=πDcpδγhL1（kN）（7）

分解为：轴向分力：A3=G1L1sinα;垂直分力：N1=G1L1cosα

式中：L1—斜管长度（m）,G1—单位长斜管自重（kN/m）,Dcp平均直径（m）,，γh—管材容重（kN/m3）,其余符号同前。

1.2.2 管内水重

斜管与水平管段管内水重可分解为平行轴向与垂直轴线的2个分力，由于轴向分力已包括在前述的水压力产生的轴向分水A1、A1’之内，故此处仅考虑垂直管线的分力。

1.2.2.1 斜管段：

管内水重：G2L1=πR20γL1（8）

垂直分力：N2=G2L1cosα （9）

式中：R0—管内半径（m）,G2—单位长斜管水重（kN）。

1.2.2.2 水平管段

管内水重：G2L2=πR20γL1（10）

垂直分力：N'2=G2L2（11）

1.2.3 管道的上浮力

该工程省略不计。在大河中的工程不应省略。

1.2.4 管道填土压力

管道填土压力可分为沟埋式土压力和上埋式2种土压力计算。一般填土较浅，可按上埋式土压力计算。除计算GB外，还需考虑管顶水平线至管腹间填土压力GN。土压力分解为轴线方向和垂直方向分力。

1.2.4.1 斜管段：

上埋式填土压力：GB=KγSHD1（12）

式中：H—管顶以上填土高度（m）,γS—填土容重（kN/m3）, D1—管外径（m）,K—系数。

刚性管按(表1)选用。柔性管在任何情况下均取K=1,按填土尺寸计。

填土压力：（GB+Gn）L1（kN）（13）

轴向分力：A5=（GB+Gn）L1sinα （14）

垂直分力：N4=（GB+Gn）L1cosα （15）

表1 系数K值表

1.2.4.2 管身摩擦力

以上斜管段的轴向分力之和是促使管段身沿座垫表面向下滑动的力，称下滑力。垂直于管轴线传给坐垫力之和在管底与座垫之间产生摩擦力，阻止管身下滑。当坡度较缓时，下滑力为摩擦力平衡，管身不滑动；当坡度陡，而摩擦力不足以阻止管身下滑时，则大于摩擦力的那部分滑动力将通过斜管传给镇墩。

坡度的陡缓，可用临界坡度αk来区分。当时αk=f0，斜坡上的物体开始向下滑动，f0为管底与座垫之间或管底与素土基之间的摩擦系数。管底与座垫之间的最大摩擦力按下式计算：

A6=f0(N1+N2+N4) （16）

当镇墩与座垫之间为刚性连接时，水平管段在管底与座垫之间的摩擦力，将阻止镇墩下滑。其最大摩擦力近似按下式计算：

A'6=f0(N'1+N'2+N'4) （17）

由临界坡度αk确定斜管下滑的计算长度。

2 镇墩稳定分析及应力计算

镇墩与两侧管端连接方式不同，通过管道给镇墩传递的荷载也不同。按常见的3种连接方式，分析镇墩抗滑稳定计算。

2.1 镇墩与管端刚性连接

当α＞αk，下滑力大于摩擦，将所有力分解为铅直和水平2个分力，并将其分别总和，得出使镇墩沿底板面滑动的滑动力及阻止滑动的抗滑力，其安全系数为：

要求：Kc≥1.20～1.35

式中：Σyi=ΣAisinα—斜管轴向力的铅直向分力之和；Σxi=ΣAisinα—斜管轴向力的水平向分力之和；f—镇墩与地基之间的摩擦系数，混凝土与湿的粘土：f=0.20～0.30，混凝土与湿的沙土：f=0.35～0.45,混凝土与混凝土：f=0.60～0.70，E—侧向土压力；G，Gw—分别为镇墩自重和管段水重；ΣAi=A1+A2+ A3+A5-A6—斜管轴向力之和；ΣA'i=A'1+A'2+A'3+A'5-A'6—为水平管轴向力之和。

当α≤αk，下滑力小于摩擦力，不考虑斜管下滑，不计算A3，A4，A5，A6等项，ΣAi=A1+A2。

2.2 镇墩与两管端柔性连接

要求斜管与镇墩都能维持自身稳定，故镇墩稳定计算时，不考虑通过管道传给镇墩的力，只考虑直接作用于镇墩上的荷载。

2.3 镇墩上侧与管端刚性连接，下侧与管端柔性连接

除考虑直接作用于镇墩上的力之外，上侧斜管作用于镇墩上的荷载考虑方法同情况，下侧水平管则不考虑管道传给镇墩的荷载。