杜玉東 胡偉紅

北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司 100082

引言

在綜合管廊廊內(nèi)給水架空鋼管的設(shè)計中，為了降低管道支架的推力和管道自身的應(yīng)力狀態(tài)，常采用熱補(bǔ)償措施，熱補(bǔ)償分為自然補(bǔ)償和補(bǔ)償器補(bǔ)償，補(bǔ)償器一般分為以下幾類［1］：“π”型補(bǔ)償器、波紋補(bǔ)償器及套筒或球型補(bǔ)償器?！唉小毙脱a(bǔ)償器結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、投資少，在壓力管道中經(jīng)常使用；波形補(bǔ)償器補(bǔ)償能力大、占地小，但制造復(fù)雜、價格較高，適用于低壓大直徑管道，城市供熱管道經(jīng)常采用；套筒或球型補(bǔ)償器構(gòu)造簡單、安裝方便，常用于常溫下壓力較小的城市給排水管道中，由于填料容易松弛而發(fā)生泄漏禁止在有毒及可燃介質(zhì)的管道系統(tǒng)中采用。

自然補(bǔ)償是利用管道走向彎折的柔性來進(jìn)行補(bǔ)償，具有構(gòu)造簡單、運行可靠、造價低廉的特點，因此在條件允許的情況下盡可能采用自然補(bǔ)償。何種角度下可以利用彎折作為自然補(bǔ)償，是工程設(shè)計人員所關(guān)心的問題，張瑋［2］、馬大博［3］認(rèn)為彎折角度不大于150°時可以作為自然補(bǔ)償使用，否則不能作為自然補(bǔ)償。上述文獻(xiàn)雖然給出結(jié)論，但是缺乏相關(guān)研究文獻(xiàn)的支持，本文為了確定管道合理的彎折角，通過有限元建模，對綜合管廊內(nèi)常用管徑給水鋼管在不同角度下進(jìn)行溫度作用的受力分析，旨在發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律用以指導(dǎo)工程設(shè)計。

1 建立模型

本文選取常用的給水管道管徑DN100、DN200、 DN300、 DN400、 DN500、 DN600、DN700、 DN800、 DN900、 DN1000、 DN1200、DN1400、DN1600、DN1800、DN2000，彎折角度α 選用90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°、160°、170°分別建立有限元模型，計算軟件采用SAP2000 有限元軟件。由于管道熱補(bǔ)償主要由溫度引起，本文為了簡化計算排除其他因素干擾，僅考慮溫度作用，閉合溫差取±25℃［4］，標(biāo)準(zhǔn)跨徑L取8m，轉(zhuǎn)彎段跨徑取0.73L［5］，如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)彎段計算模型示意Fig.1 Computation model sketch map of bend zone

管材采用Q235B，壁厚見表1。

表1 管道壁厚（單位：mm）Tab.1 Pipe wall thickness（unit：mm）

2 計算結(jié)果

2.1 固定支架推力

在升溫或降溫25℃的工況下，分別對不同管徑在不同彎折角度的情況進(jìn)行計算分析，求得固定支架處最大推力見表2。

2.2 導(dǎo)向支架推力

在升溫或降溫25℃的工況下，分別對不同管徑在不同彎折角度的情況進(jìn)行計算分析，求得導(dǎo)向支架處最大推力見表3。

表3 升溫或降溫25℃的工況下導(dǎo)向支架推力（單位：kN）Tab.3 Guide support thrust at 25℃temperature rise or drop（unit：kN）

續(xù)表3

2.3 管道彎頭處最大應(yīng)力

在升溫或降溫25℃的工況下，分別對不同管徑在不同彎折角度的情況進(jìn)行計算分析，求得彎頭處最大應(yīng)力見表4。

表4 升溫或降溫25℃的工況下彎頭處最大應(yīng)力（單位：MPa）Tab.3 Bend most stress at 25℃temperature rise or drop（unit：MPa）

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 固定支架推力分析

由表2 的數(shù)據(jù)可知，隨著彎折角度的變化，DN100 時最大推力是最小推力的63.50 倍，DN2000 時最大推力是最小推力的2.63 倍，可見隨著管徑增大，最大推力與最小推力的比值越來越小，變化規(guī)律見圖2。

圖2 固定支架最大推力與最小推力比Fig.2 Ratio of maximum thrust to minimum thrust of fixed support

隨著彎折角度的變化，90° ～100°時推力有所下降，100°時推力最小，100°以后隨著角度的增加推力大幅增加，變化規(guī)律見圖3。

圖3 固定支架推力分析Fig.3 Fixed support thrust analysis

3.2 導(dǎo)向支架推力分析

由表3 的數(shù)據(jù)可知，DN300 以內(nèi)的管道隨著彎折角度的增大，導(dǎo)向支架推力先降低后增大，DN400 ～DN600先降低后增大再降低，在150°～160°左右達(dá)到最大值。當(dāng)管徑大于DN600時隨著彎折角度的增加導(dǎo)向支架的推力變小，變化規(guī)律見圖4。

圖4 導(dǎo)向支架推力分析Fig.4 Guide support thrust analysis

3.3 彎頭應(yīng)力分析

由表4 的數(shù)據(jù)可知，DN200 以內(nèi)管道應(yīng)力隨著彎折角度的增大而增大；DN300 ～DN800 先增大后再降低，在150° ～160°左右達(dá)到最大值；當(dāng)管徑DN800 ～DN1400 時隨著角度的增加應(yīng)力先增大后降低，在140° ～150°左右達(dá)到最大值；當(dāng)管徑大于DN1400 時隨著角度的增加應(yīng)力先增大后降低，在130° ～140°左右達(dá)到最大值。變化規(guī)律如圖5 所示。

圖5 管道應(yīng)力分析Fig.5 Pipe stress analysis

4 結(jié)論與建議

本文對常用廊內(nèi)給水鋼管管道在不同彎折角度下自然補(bǔ)償支架反力及彎頭應(yīng)力進(jìn)行了統(tǒng)計分析，得出如下結(jié)論及建議：

1.管道最優(yōu)彎折角度在100°左右，此時固定支架的推力及管道應(yīng)力均較小，DN800 以下時管道導(dǎo)向支架的推力也較小。

2.從支架的推力出發(fā)，最大彎折角DN300 以下管道宜控制在160°以內(nèi)，DN300 ～DN800宜控制在150°以內(nèi)，大于DN800 的管道隨著彎折角的增大推力增幅較緩，主要受支架生根的基礎(chǔ)控制。

3.從彎頭的應(yīng)力出發(fā)，DN800 以下的管道彎折角度宜避開150° ～160°范圍，DN800 ～DN1400的彎折角度宜避開140° ～150°范圍，大于DN1400 的彎折角度宜避開130° ～140°范圍。

4. 考慮到支架及彎頭應(yīng)力的雙重影響，DN800 及以下管道的彎折角度宜控制在150°以內(nèi)。大于DN800 管道的彎折角度對管道應(yīng)力影響較小，主要影響支架的推力，應(yīng)合理控制彎折角度，降低支墩反力，為支架基礎(chǔ)設(shè)計提供方便。