直埋供热管道倒T形固定支座设计

摘 要

摘要：介绍了直埋供热管道倒T形固定支座的设计过程及构造措施，进行了实践总结。关键词：倒T形固定支座；设计与计算；构造措施Design of Inverted T.shaped Fixed Support for Direct
摘要：介绍了直埋供热管道倒T形固定支座的设计过程及构造措施，进行了实践总结。
关键词：倒T形固定支座；设计与计算；构造措施
Design of Inverted T.shaped Fixed Support for Directly Buried Heat-supply Pipeline
ZHANG Yuchen，LIU Yongfeng，GAO Jiandong
Abstract：The design process and structural measures of inverted T-shaped fixed support for directly burieIt heat-supply pipeline are introduced.The practice sumglary is made.
Key words：inverted T-shaped fixed support；design and calculation；structural measure
1 概述
    随着城市集中供热的发展，热网作为输送热量的设施起到了重要作用。在热网运行时，由于受土壤的摩擦力、管道的内压力和补偿器的弹性力产生沿管道轴向很大的推力，因此在直埋供热管道中，固定支座是保证管道正常工作的关键之一。
    固定支座在管道运行中起支撑和固定结构作用，一般采用钢筋混凝土结构，它的形式通常有矩形、倒T形、单(双)井形、翅形、板凳形等。在工程实践中，尤其是在一级管网中，大管径管道应用非常广泛，管道推力也很大，考虑到场地、开挖、施工和造价等因素，经常会采用倒T形固定支座。本文对直埋供热管道倒T形固定支座的设计进行探讨。
2 倒T形固定支座的设计
2.1 结构稳定-陡验算[1]
   ① 受力分析
平行、垂直管道方向固定支座的受力分析见图1、2。
 

图中b——固定支座宽度，m
d——挡板墙厚度，m
    F——供热管道对固定支座的推力，N
F1、F2、F3——固定支座底面、侧面及顶面与土壤产生的摩擦力，N
    Fa——主动土压力，N，当固定支座前后为黏性土时可忽略
Fp——被动土压力，N
h——固定支座高度，m
h1——固定支座顶面至地面高度，m
h2——管道中心距地面高度，m
h3——挡板墙高度，m
h4——底板翼缘高度，m
H——固定支座底面至地面的距离，m
L——底板翼缘长度，m
r1——主动土压力Fa作用点至固定支座底面距离，m
r2——被动土压力Fp作用点至固定支座底面距离，m
r3——固定支座侧面摩擦力F2作用点至固定支座底面距离，m
W——固定支座自重，N
W1——固定支座上部覆土自重，N
σmax——固定支座底面对土壤的最大压应力，Pa
   ② 抗滑移验算
抗滑移系数K的验算式为：
 
式中Ks——抗滑移系数
    K——固定支座后背土压力折减系数，取0.4～0.7
   ③ 抗倾覆验算
抗倾覆系数Kov的验算式为：
 
式中Kov——抗倾覆系数
    σd——地基承载应力设计值，Pa
    ρ——土壤的密度，kg/m3
    g——重力加速度，m/s2
    ф——回填土内摩擦角，(°)，砂土取30°
2.2 强度及配筋的计算
    为了保证固定支座有能够承受管道推力的足够强度，需要在固定支座的挡板墙及底板内配置一定数量的钢筋，见图3。
 

2.2.1挡板墙配筋计算[2]
    ① 正截面受弯承载力计算
由于管道推力可能不同时发生在沿管道的两个互为相反的方向，通常应为双向相同配筋，假设砼压应力合力作用在受压钢筋合力点处，这样受拉(压)钢筋截面积As(As′)可以简化计算为：
 
式中As、As′——受拉(压)钢筋截面积，m2
    M——计算配筋截面(挡板墙与底板的连接处)处的设计弯距，N·m
    σy——普通钢筋设计强度，Pa
    ds′——受压钢筋合力点到截面受压边缘的距离，m
    ds——受拉钢筋合力点到截面受拉边缘的距离，m
    设计要求满足计算配筋率大于等于最小配筋率。
    ② 斜截面受剪承载力计算及箍筋数量
    a. 确定剪力设计值
    剪力设计值即为管道的推力。
    b. 验算截面条件
对于厚腹梁，即一般梁有：
 
式中dw——挡板墙有效厚度，m，dw=d-ds′
    Fv——剪力设计值，N
    βc——混凝土强度影响系数
    σc——混凝土抗压设计强度，Pa
    c. 确定箍筋数量
当Fv≤0.70σtbdw或时，应按照构造配筋，并满足：
 
式中σt——混凝土抗拉强度设计值，Pa
    λ——计算剪跨比
    ρs,v,min——最小配筋率
    σy,v——配筋抗拉强度设计值，Pa
    b. 当Fv＞0.70σtbdw或时，斜截面受剪承载力一般由箍筋和弯起筋共同承担，由于计算繁琐，为方便施工，通常仅配箍筋。并满足计算配筋率大于等于最小配筋率。
2.2.2底板配筋计算
    对固定支座矩形底板，应验算挡板墙与底板交接处的受冲切承载力。固定支座底板受冲切承载力截面位置见图4。

   ① 受冲切承载力验算[3]
 
式中FL——相应于荷载效应基本组合时作用在AL上的地基土净反力设计值，N
    βhp——受冲切承载力截面高度影响系数
    bm——冲切破坏锥体最不利一侧计算长度，m
   h4,0——底板冲切破坏锥体的有效高度，m
   σj——扣除基础自重及其上土重后相应于荷载效应基本组合时的地基土单位面积净反力，Pa
   AL——冲切承载力验算时取用的部分基底面积，m2，图4中ABCD的面积
   bt——冲切破坏锥体最不利一侧斜截面的上边长，m，为固定支座宽度
   bb——冲切破坏锥体最不利一侧斜截面的下边长，m，为固定支座宽度
② 底板配筋计算[4]
底板计算截面所需的钢筋截面积A的计算式为：
 
式中A——底板计算截面所需的钢筋截面积，m2
并满足计算配筋率大于等于最小配筋率。
3 倒T形固定支座的构造措施
    ① 固定支座可不进行刚度计算，但在计算冲切承载力时，应考虑对沿挡板墙厚度方向较小的一侧进行抗冲切验算，以确定挡板墙的最小厚度。环形钢挡板周边混凝土受冲切分析见图5。图中d1、d2分别为环形钢挡板到固定支座挡板墙边距离，d1＞d2，单位为m。
    ② 管道穿过固定支座处，由于管道上环形钢挡板对混凝土产生局部压应力，宜在孔边加设隐肋[5]，且隐肋内的钢筋总截面积不宜小于被切断钢筋截面积的1.5倍，并应配置箍筋，见图6，图中数值单位为mm。

    ③ 为了避免靠近环形钢挡板两边的混凝土局部受压，在环形钢挡板两侧布置24根直径不小于18mm的抗挤压筋。固定支座抗挤压筋布置形式见图7。
 

   ④ 底部和周围构造回填：在固定支座底部换填厚度为200mm的毛石，周围换填级配良好的砂石，这样使得摩擦系数增大，底面和侧面摩擦力增大，内摩擦角增大，被动土压力增加，主动土压力减小。
   ⑤ 考虑到地面绿化和道路施工工艺，要求固定支座顶面覆土厚度不小于500mm。
4 实践总结
    倒T形固定支座受力形式简单，主要依靠土壤的土压力和摩擦力来承受管道的推力，使设计相应简单并合理化。倒T形固定支座结构形式简单，只由挡板墙和底板两部分组成。由于结构布局简单，在施工过程中，模板支护及钢筋绑扎很规则，减小了施工难度，达到缩短工期的效果。
    在杭州市热水网二通道工程中，地下管道复杂，供热管道附近还有其他平行的市政管道，为了不影响其他管道的正常运行，热力管道固定支座的宽度就要求尽可能小。经过分析，固定支座承受的轴向推力主要还是由底面的摩擦力(侧面摩擦力较小)和被动土压力承担。既然固定支座的宽度受到限制，被动土压力也相应受到限制，那么我们通过增加固定支座底板长度，使底板与土壤的接触面积增大，并增加了固定支座的自重，从而增加了底面和侧面摩擦力，在没有影响与之平行的管道或建筑物的同时，同样可以抵抗管道的推力。
    对于该工程，管道最大推力为1400kN，经过设计计算，固定支座的挡板墙和底板均能满足设计强度和构造要求，实际运行效果良好。
参考文献：
[1] 唐山市热力总公司.CJJ/T 81—98城镇直埋供热管道工程技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，1998.
[2] 程文滦，王铁成，颜德妲，等.混凝土结构(上册)：混凝土结构设计原理[M].3版.北京：中国建筑工业出版社，2004：73-75.
[3] 中华人民共和国建设部.GB 50007—2002建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.
[4] 顾晓鲁，钱鸿缙，刘惠珊，等.地基与基础[M].3版.北京：中国建筑工业出版社，2003：413-414.
[5] 王文栋，殷芝霖，沙志国，等.混凝土结构构造手册[M].3版.北京：中国建筑工业出版社，2003：102-104.
 
(本文作者：张玉晨 刘永风 高建东 中国市政工程华北设计研究总院 天津 300074)