安普太

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 太原 030024）

由于鋼材具有強度大、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比較簡單，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。本文主要針對前者進(jìn)行分析探討。

1 鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

1.1 管道強度計算

鋼管管道設(shè)計中，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)力的計算公式如下：

國內(nèi)規(guī)范公式，見式（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。

美國手冊公式，見式（2）：

式中：P—內(nèi)水設(shè)計壓力；

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)計系數(shù)，靜水壓力下，a=0.5；水擊壓力下，a=0.75。

國內(nèi)規(guī)范采用的設(shè)計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)力的組合值不超過鋼管的強度設(shè)計值f作為設(shè)計條件。

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彎曲應(yīng)力的計算顯得尤為重要。在設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)工程實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)計的合理性。

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

通過對國內(nèi)規(guī)范與美國手冊的比較，國內(nèi)規(guī)范在水擊壓力工況下沒有特別說明，靜水壓工況下采用了相同的安全度，而美國手冊認(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)定驗算

對于管道截面的穩(wěn)定驗算問題，國內(nèi)規(guī)范與美國手冊的設(shè)計思路基本相同。即鋼管管壁截面的臨界壓力與外部荷載的比值不超過規(guī)范允許的抗力系數(shù)。

國內(nèi)規(guī)范規(guī)定，設(shè)計穩(wěn)定性抗力系數(shù)K≥2.0；而美國手冊規(guī)定的設(shè)計系數(shù) FS，當(dāng)（h/D）≥2時，F(xiàn)S＞2.5，當(dāng)（h/D）＜2時，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)國內(nèi)規(guī)范與美國手冊比較可以看出，管道截面的豎向變形安全系數(shù)基本相同。

但是對于鋼管管壁臨界壓力的計算方面，美國手冊充分地考慮了管道內(nèi)外防腐對管道截面穩(wěn)定性的影響因素，而國內(nèi)規(guī)范沒有考慮。這一點在管道剛度驗算方面尤為明顯。

1.3 管道剛度驗算

對于鋼管截面剛度驗算的問題（豎向變形），國內(nèi)和美國手冊基本相同，均采用的是Iowa變位公式，見式（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。

國內(nèi)規(guī)范與美國手冊對于管道剛度驗算的判斷標(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不超過0.02D0，（D0為管道的計算直徑），但是公式中EI物理量的定義有一定差異。

國內(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度的截面慣性距的乘積。

美國手冊定義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為單位長度管壁的橫向慣性距。美國手冊認(rèn)為鋼管在荷載作用下，單個單元如砂漿襯砌（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，國內(nèi)規(guī)范在驗算管道剛度時更加趨于保守，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)計中，在驗算管道剛度時適當(dāng)考慮砂漿襯砌來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，鋼材選用國標(biāo)Q 235鋼，屈服強度為235 MPa，厚度大于16 mm時抗拉強度設(shè)計值為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)計參數(shù)進(jìn)行計算。

（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算結(jié)果見表1。

表1 等壁厚不同工況計算結(jié)果

由表1計算結(jié)果可知，在相同設(shè)計條件，不同運行工況下：

①關(guān)于該管道的強度計算，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，美國手冊設(shè)計值小于國內(nèi)規(guī)范設(shè)計值，國內(nèi)規(guī)范鋼管設(shè)計應(yīng)力不滿足規(guī)范要求，這是由于國內(nèi)規(guī)范在計算管道強度時，綜合考慮了內(nèi)、外部荷載共同的作用，國內(nèi)規(guī)范設(shè)計壁厚應(yīng)大于16 mm。

②關(guān)于該管道的穩(wěn)定驗算與剛度驗算均滿足各規(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，對穩(wěn)定安全判斷沒有影響。

（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算結(jié)果見表2。

表2 不同壁厚等工況計算結(jié)果

由表2計算結(jié)果可知，在相同的工況下，由于不同規(guī)范對于砂漿襯砌的因素考慮不同，所以計算結(jié)果相差較大。美國手冊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，而國內(nèi)規(guī)范沒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)致了國內(nèi)規(guī)范計算的壁厚較厚，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算結(jié)果見表3。

表3 不同土弧包角等工況計算結(jié)果

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

3 結(jié)論

（1）水擊壓力對計算結(jié)果的影響不可忽略，進(jìn)行管道設(shè)計計算時應(yīng)該進(jìn)行各種不同工況分別計算，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，砂漿襯砌對提高鋼管的穩(wěn)定性和剛度的作用更為顯著，鋼管設(shè)計中不可忽略砂漿襯砌的作用，建議按照美國手冊進(jìn)行鋼管截面的穩(wěn)定驗算和剛度驗算。

（3）應(yīng)該根據(jù)工程的實際情況，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。