安普太

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 太原 030024）

由于鋼材具有強(qiáng)度大、在一定荷載作用下發(fā)生屈服或彎曲后仍可提供全部抵抗力、彎曲但不易斷裂以及有著良好的抗震能力等特性，所以，鋼管在輸水線路中被大量使用。管壁還可以根據(jù)管道沿線不同的壓力水頭采用不同的厚度，能充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，此外鋼管加工工藝相對(duì)比較簡(jiǎn)單，所以在水電站壓力管道中、PCCP管線及其他材質(zhì)的管線的分岔管中常常使用鋼管。

根據(jù)埋地鋼管所埋置環(huán)境的不同，可分為溝槽回填式及洞穿式埋地鋼管兩種。本文主要針對(duì)前者進(jìn)行分析探討。

1 鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)的國(guó)內(nèi)外規(guī)范有《鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50017-2003、《給排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》CECS 141-2002（國(guó)內(nèi)規(guī)范）和《AWWA M11手冊(cè)》（美國(guó)手冊(cè)）。根據(jù)這些規(guī)范可知，鋼管管道截面設(shè)計(jì)基本都是從以下三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：（1）管道強(qiáng)度計(jì)算；（2）管道穩(wěn)定驗(yàn)算；（3）管道剛度驗(yàn)算。

1.1 管道強(qiáng)度計(jì)算

鋼管管道設(shè)計(jì)中，首先要確定管壁厚度。影響管壁厚度的因素主要有二大類：即內(nèi)部壓力和外部壓力。管壁截面應(yīng)力的計(jì)算公式如下：

國(guó)內(nèi)規(guī)范公式，見(jiàn)式（1）：

式中：σθ—鋼管管壁截面的最大環(huán)向應(yīng)力；

σχ—鋼管管壁截面的縱向應(yīng)力；

η—應(yīng)力折算系數(shù)，取0.9。

美國(guó)手冊(cè)公式，見(jiàn)式（2）：

式中：P—內(nèi)水設(shè)計(jì)壓力；

D，t—鋼管的外徑和壁厚；

e—焊縫系數(shù)，管徑小于DN 500，e=0.85；管徑大于DN 500，e=0.9；

a—設(shè)計(jì)系數(shù)，靜水壓力下，a=0.5；水擊壓力下，a=0.75。

國(guó)內(nèi)規(guī)范采用的設(shè)計(jì)思路是綜合考慮了由內(nèi)水壓力產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力及由豎向土壓力、管道自重、水重和地面荷載作用下產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力的組合值不超過(guò)鋼管的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f作為設(shè)計(jì)條件。

由于綜合考慮了彎曲應(yīng)力的作用，所以管道的土弧包角的確定對(duì)彎曲應(yīng)力的計(jì)算顯得尤為重要。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況選取合理的土弧包角，這一參數(shù)直接決定著鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

美國(guó)手冊(cè)采用的設(shè)計(jì)思路是僅考慮內(nèi)水壓力產(chǎn)生對(duì)鋼管管壁的允許應(yīng)力在靜水壓力作用下不超過(guò)鋼材屈服強(qiáng)度的1/2；在水擊作用下不超過(guò)鋼材屈服強(qiáng)度的3/4。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)規(guī)范與美國(guó)手冊(cè)的比較，國(guó)內(nèi)規(guī)范在水擊壓力工況下沒(méi)有特別說(shuō)明，靜水壓工況下采用了相同的安全度，而美國(guó)手冊(cè)認(rèn)為管道在非正常允許情況下，雖然出現(xiàn)的水擊波壓力持續(xù)時(shí)間很短，但是水擊波壓力峰值較大，這樣降低了管道的設(shè)計(jì)安全度，所以采用了不同的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 管道穩(wěn)定驗(yàn)算

對(duì)于管道截面的穩(wěn)定驗(yàn)算問(wèn)題，國(guó)內(nèi)規(guī)范與美國(guó)手冊(cè)的設(shè)計(jì)思路基本相同。即鋼管管壁截面的臨界壓力與外部荷載的比值不超過(guò)規(guī)范允許的抗力系數(shù)。

國(guó)內(nèi)規(guī)范規(guī)定，設(shè)計(jì)穩(wěn)定性抗力系數(shù)K≥2.0；而美國(guó)手冊(cè)規(guī)定的設(shè)計(jì)系數(shù) FS，當(dāng)（h/D）≥2時(shí)，F(xiàn)S＞2.5，當(dāng)（h/D）＜2時(shí)，F(xiàn)S＞3.0，其中，h為管頂至地表高度，D為管道公稱直徑。

根據(jù)國(guó)內(nèi)規(guī)范與美國(guó)手冊(cè)比較可以看出，管道截面的豎向變形安全系數(shù)基本相同。

但是對(duì)于鋼管管壁臨界壓力的計(jì)算方面，美國(guó)手冊(cè)充分地考慮了管道內(nèi)外防腐對(duì)管道截面穩(wěn)定性的影響因素，而國(guó)內(nèi)規(guī)范沒(méi)有考慮。這一點(diǎn)在管道剛度驗(yàn)算方面尤為明顯。

1.3 管道剛度驗(yàn)算

對(duì)于鋼管截面剛度驗(yàn)算的問(wèn)題（豎向變形），國(guó)內(nèi)和美國(guó)手冊(cè)基本相同，均采用的是Iowa變位公式，見(jiàn)式（3）。

式中：△x—管道的水平變位；

Dl——變形滯后系數(shù)，取1.0～1.5；

K—豎向壓力作用下柔性管的豎向變形系數(shù)，可取0.1；

W—作用在單位管道長(zhǎng)度上的豎向荷載；

r—管道半徑；

EI—管壁剛度；

E′—管道側(cè)向土壤變形模量。

國(guó)內(nèi)規(guī)范與美國(guó)手冊(cè)對(duì)于管道剛度驗(yàn)算的判斷標(biāo)準(zhǔn)相同，均要求的允許變位為，當(dāng)采用砂漿襯砌并柔性涂層時(shí)不超過(guò)0.02D0，（D0為管道的計(jì)算直徑），但是公式中EI物理量的定義有一定差異。

國(guó)內(nèi)規(guī)范的定義EI為鋼管管壁剛度即鋼管管材彈性模量與鋼管管壁縱向截面單位長(zhǎng)度的截面慣性距的乘積。

美國(guó)手冊(cè)定義EI為管壁剛度，其中E為包含鋼材及襯砌材料的彈性模量，I為單位長(zhǎng)度管壁的橫向慣性距。美國(guó)手冊(cè)認(rèn)為鋼管在荷載作用下，單個(gè)單元如砂漿襯砌（EsIs)、鋼管管壁（E1I1)、砂漿涂層（EcIc)如同疊層環(huán)一樣一起協(xié)調(diào)工作，即EI=EsIs+E1I1+EcIc，（鋼材彈性模量為 206 000 N/mm2，水泥砂漿彈性模量為27 500 N/mm2）從結(jié)構(gòu)上講，這種協(xié)同作用大大增加了管道斷面的慣性距，使其超出了僅有鋼管管壁作用時(shí)的慣性距，因而提高了管段抵抗荷載的能力。

從而可以看出，國(guó)內(nèi)規(guī)范在驗(yàn)算管道剛度時(shí)更加趨于保守，忽略了砂漿等管道襯砌材料與鋼管管壁一起協(xié)同工作的重要作用。所以，在鋼管設(shè)計(jì)中，在驗(yàn)算管道剛度時(shí)適當(dāng)考慮砂漿襯砌來(lái)增加的管道斷面的慣性距的方式比增加鋼管壁厚更加經(jīng)濟(jì)、合理。

2 算例分析

某輸水管線工程，采用埋地鋼管DN 2000，鋼材選用國(guó)標(biāo)Q 235鋼，屈服強(qiáng)度為235 MPa，厚度大于16 mm時(shí)抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為205 MPa，管道采用水泥砂漿防腐，內(nèi)水壓力為1.0 MPa，附加水擊壓力為0.4 MPa，真空壓力值為0.05 MPa，堆積荷載為10 kN，車輛荷載為3.7 kN/m2，回填土重度為18 kN/m3，開槽寬度為4 m，地下水位于管底以下。現(xiàn)就不同設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

（1）埋地鋼管頂部覆土4 m，土弧包角60°，壁厚16 mm，不考慮砂漿襯砌厚度的不同工況下計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 等壁厚不同工況計(jì)算結(jié)果

由表1計(jì)算結(jié)果可知，在相同設(shè)計(jì)條件，不同運(yùn)行工況下：

①關(guān)于該管道的強(qiáng)度計(jì)算，在靜水壓力工況下，都滿足各規(guī)范的要求，但是在水擊壓力工況下，美國(guó)手冊(cè)設(shè)計(jì)值小于國(guó)內(nèi)規(guī)范設(shè)計(jì)值，國(guó)內(nèi)規(guī)范鋼管設(shè)計(jì)應(yīng)力不滿足規(guī)范要求，這是由于國(guó)內(nèi)規(guī)范在計(jì)算管道強(qiáng)度時(shí)，綜合考慮了內(nèi)、外部荷載共同的作用，國(guó)內(nèi)規(guī)范設(shè)計(jì)壁厚應(yīng)大于16 mm。

②關(guān)于該管道的穩(wěn)定驗(yàn)算與剛度驗(yàn)算均滿足各規(guī)范的要求，但是臨界壓力差別比較大，這是由于各自規(guī)范采用的公式假定不相同造成的，對(duì)穩(wěn)定安全判斷沒(méi)有影響。

（2）埋地鋼管頂部覆土6 m，土弧包角60°，不同規(guī)范等工況下管壁厚度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同壁厚等工況計(jì)算結(jié)果

由表2計(jì)算結(jié)果可知，在相同的工況下，由于不同規(guī)范對(duì)于砂漿襯砌的因素考慮不同，所以計(jì)算結(jié)果相差較大。美國(guó)手冊(cè)充分考慮了砂漿襯砌增加了鋼管截面慣性距，提高了鋼管截面的穩(wěn)定性；鋼管截面與砂漿共同承擔(dān)外部荷載的作用，所以鋼管壁厚大大減小，而國(guó)內(nèi)規(guī)范沒(méi)有考慮砂漿襯砌厚度變化的影響，管道外部荷載全部由鋼管截面承擔(dān)所以導(dǎo)致了國(guó)內(nèi)規(guī)范計(jì)算的壁厚較厚，相應(yīng)穩(wěn)定安全系數(shù)偏大。

（3）埋地鋼管頂部覆土6 m，不同土弧包角等工況下管壁厚度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同土弧包角等工況計(jì)算結(jié)果

由表3計(jì)算結(jié)果可知，在相同的工況下，由于考慮了管道周圍土壤對(duì)管道的作用力，不同土弧包角對(duì)鋼管管壁截面環(huán)向彎矩及豎向變形進(jìn)行折算，所以計(jì)算的結(jié)果也不同。

3 結(jié)論

（1）水擊壓力對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不可忽略，進(jìn)行管道設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)該進(jìn)行各種不同工況分別計(jì)算，綜合比較得出結(jié)論較為合理。

（2）在管頂覆土較大、管道外部荷載起主要作用時(shí)，砂漿襯砌對(duì)提高鋼管的穩(wěn)定性和剛度的作用更為顯著，鋼管設(shè)計(jì)中不可忽略砂漿襯砌的作用，建議按照美國(guó)手冊(cè)進(jìn)行鋼管截面的穩(wěn)定驗(yàn)算和剛度驗(yàn)算。

（3）應(yīng)該根據(jù)工程的實(shí)際情況，正確確定土弧包角的大小，這樣才能準(zhǔn)確地進(jìn)行管道的設(shè)計(jì)。