任创社，李 贞，严得俊

（新疆伊犁花城勘测设计研究有限责任公司,新疆 伊宁 835000）

本项目拟通过引用H 河水源,经输水管道自压供水,解决K 市中心城区及工程沿线共计8 个城镇居民近期19.2788 万人、远期25.5358 万人的综合生活用水安全问题,为项目涉及区域居民提供优质、安全、可靠的饮用水源,实现较好的社会效益和经济效益。

本项目属于城镇供水工程,具有管径较大、长距离压力输水的特点且沿途地形复杂,工程复杂程度和技术含量高。目前长距离大口径输水工程中,常用的有铸铁管、钢管、混凝土管、玻璃钢管等,而钢管机械强度较好,可以承受较高压力,对地形适当性较强,并且可以采取涂层防腐等[1]。根据供水工程要求,结合现有管材、依据相关规范、规程以及已建管道工程经验,对供水管线所用管材进行了相关技术比选,本次长距离供水有压重力输水管道中小口径（DN600 mm～1200 mm）比选选取内容分别为管壁结构、生产工艺、管材规格、力学性能、水力特性、耐腐蚀性、密封性能、耐水锤能力、抗震性能、安装性能、管理维护、使用寿命、基础处理、工程投资等方面,选用DN1200 mm×8 mm,DN900 mm×7 mm,DN900 mm×8 mm,DN700 mm×8 mm 压力等级为0.8 MPa～2.0 MPa 涂塑钢管。计算选用典型管材规格最薄壁厚计算,内径900 mm,壁厚7 mm,并选取2 种荷载情况,①最大覆土厚度H1②最小覆土H2+车荷载。

1 计算选用管道根据实际情况得出的已知条件

选用管道的内径D=900 mm；选用管道管壁设计厚度t=7 mm；运行情况下管顶最小覆土H2=1.5 m；管道以上地面堆积荷载标准值qmk=10 kN/m2,准永久值系数q=0.5；管道的运行时实际内水压力标准值选取Fwd.k=1.0 MPa；管内在真空状态时压力标准值选用Fvk=0.05 MPa；选用管道管材及焊缝强度设计值f=215 MPa；选用管道管材弹性模量Ep=206000 N/mm2；钢材的重度γst=78.5 kN/m3；钢材的泊松比υp=0.3；管道顶部及两侧回填土的重度γs=18 kN/m3、变形模量Ee=8 MPa、泊松比υs=0.4；管道开挖基槽两侧原状土变形模量En=8.85 MPa；管中心处基槽宽度Br=1.7 m；土弧基础设计计算中心角度为90°。水力计算公式中,与管道内壁粗糙程度相关的系数是影响计算结果的重要参数,内壁一般需进行防腐处理,经过涂装的管道内壁要光滑得多[2],本次管内防腐为环氧树脂涂层；结构重要性系数γo=1.1。

2 荷载计算

（1）运行情况下,管顶的竖向土压力标准值计算公式如下：

式中：Ci为土压力系数,对柔性管道应取1.0；D1为管道外径,0.9+0.007×2=0.914 m；Hs为覆土厚度；H1为最大覆土厚度,此值按现场实际情况采用8.5 m；H2为有机械荷载情况下的最小覆土厚度,综合考虑取1.5 m。

情况①：Fsv,k=139.84 kN/m

情况②：Fsv,k=24.68 kN/m

（2）管道结构自重标准值计算公式如下：

（3）管内水重标准值按下式计算：

3 强度计算

（1）管道两侧土综合变形模量计算。

根据已知条件Br/D1=1.7/0.914=1.86；Ee/En=8/8.85=0.904

查表得计算参数ζ=1.076

计算可得：管道两侧土的综合变形模量 Ed=ζEe=1.076×8=8.61 MPa

（2）荷载qik计算。

依据管道管径,此次计算考虑管道会存在两个以上单排轮压综合影响的情况,按两个以上单排轮压综合影响传递到管道顶部的竖向压力标准值,按下式计算：

式中：n 为车轮的总数量；Dbj为沿车轮着地分布宽度方向,相邻两个车轮间的净距,m；Qvk为轮压传递到管顶处的竖向压力标准值,kN/m2；Qvi,k为车辆的i 个车轮承担的单个轮压标准值,kN；ai为i 个车轮着地分布长度,m；bi为i 个车轮着地分布长度,m；H 为自车行地面至管顶的深度,m；uD为动力系数。

根据规定后轴重力标准值为2×140 kN,既Qvk=140 kN,后轮着地宽度及长度为0.6 m×0.2 m。

情况①：qvk=1.64 kN/m2

情况②：qvk=26.6 kN/m2

qik取堆积荷载10 kN/m2或车荷载qvk两者取大值。

（3）荷载组合下管壁界面上最大弯矩按此式计算：

式中：M 为在荷载组合作用下,管壁截面上的最大弯矩,N·mm；为弯矩折减系数,可取0.7～1.0；Ep为管材弹性模量,N/mm2,可按表8.4.1-8 采用；Kgm、Kυm、Kwm分别为管道自重、竖向土压力,管内水重作用下管壁截面的最大弯矩系数；b0为计算宽度,mm；r0为计算半径,mm；t0为计算壁厚,mm,可取t0=0.975 t-1.5；qik为地面车辆荷载或堆积荷载,应根据设计条件选其大者；γGj为铸铁管道结构自重作用分项系数,可取1.2；γG,sυ、γG,ep分别为竖向土压力及管侧土压力分项系数,可取为管内水重作用分项系数,可取γG,sυ=1.27；γG,ep=1.0；γGw为管内水重作用分项系数，可取1.20；为设计内水压力及地面车辆荷载或堆积荷载的分项系数,可取1.40；c为可变荷载组合系数,可取0.90。

情况①：M=0.411 kN·m/m=411N·mm/mm

情况②：M=0.145 kN·m/m=145 N·mm/mm

（4）管道在设计内水压力作用下,会在管壁界面上产生拉力,因此设计内水压力作用下管壁界面上的拉力设计值按下式计算：

（5）管道在设计内水压力作用下,会在管壁界面上产生环向应力,因此管壁截面的最大环向应力σθ按下式计算：

情况 ①：σθ=204.92 MPa；ησθ=184.43 MPa

情况 ②：σθ=141.08 MPa；ησθ=126.97 MPa

钢管管壁界面的最大环向应力满足强度要求。

（6）在闭合温差的条件下,管道将沿纵向产生纵向应力。管壁纵向力按式计算：

闭合温差为降温时计算：

情况①：σx=139.34 MPa

情况②：σx=120.19 MPa

闭合温差为升温时计算：

情况①：σx=-16.39 MPa

情况②：σx=-35.54 MPa

（7）在闭合温差升降时,管壁会产生较大的应力,计算管壁最大组合折算应力按下式计算：

闭合温差为降温时计算：

情况①：σ=179.44 MPa ≤f=215 MPa

情况②：σ=130.56 MPa ≤f=215 MPa

闭合温差为升温时计算：

情况①：σ=211.45 MPa ≤f=215 MPa

情况②：σ=160.19 MPa ≤f=215 MPa

钢管管壁最大组合折算应力满足强度要求。

4 管壁截面的稳定验算

（1）首先计算钢管管壁失稳时的折皱波数n 值,取值应使Fcr,k为最小值并为≥2 的正整数；100to/Do=0.55,Ed=8.61 MPa,n=4。

（2）钢管管壁截面的临界压力按下式计算：

（3）钢管管壁截面稳定性验算应满足下式：

情况①：Fsυ,k/2r0+Fυk+qik=0.2142 MPa

情况②：Fsυ,k/2r0+Fυk+qik=0.1038 MPa

情况①：0.5842/0.2142=2.73 ≥Kst=2.0

情况②：0.5842/0.1038=5.63 ≥Kst=2.0

5 变形验算

管道在变形验算是管道结构分析中最为重要的一环,过大的变形量影响管道的正常运行和使用。

钢管管道在准永久组合作用下的最大竖向变形Wd,max应按下式计算：

表1 管道结构计算成果表

钢管的竖向变形满足要求。

同理计算其他管段管道结构计算。

经计算,DN1200 mm×8 mm 的管道极限覆土厚度6.7 m,DN900 mm×7 mm 的管道极限覆土厚度8.5 m,DN900 mm×8 mm 的管道极限覆土厚度5.0 m,DN700 mm×8 mm 的管道极限覆土厚度4.5 m。管道壁厚均可满足结构要求。

6 结论

本次按此方法计算所采用管道工程已建成2 年,管道运行一切正常,达到了使用要求,通过工程实施,改善了当地饮水水质,使当地居民吃上了放心的自来水；减少了常见传染性疾病的发生,有效提高了健康水平、生活质量以及工作条件。今后还需要进一步结合地区特性,分析研究有关系数取值的合理性和适用性,并根据现在信息化发展的需要,布设一些探测监测设施,不断收集关于管道结构分析中的相关数据,以更合理更经济地服务于工程建设。