μ′= tan Φ; Bd 为管顶沟宽 , m ; h 为从地表面向下 到任一回填平面的距离 ,m ; Cd 为管道上方土壤垂 直压力因数 。
根据埋设管道的沟槽内土壤的类型 ,在表 1 中
可查得 Kμ′值 。再根据 H/ Bd 和 Kμ′的值 ,可从
图
3
中查得
C [2 ,4 ] d
。
Marsto n 法适合于敷设于直壁沟槽中的刚性
Bd
当 h = H 时 ,对上式进行积分求解 ,可得 :
Q = CdρgB d H
(5)
其中
Cd
=
Bd H
·1
e - - 2 Kμ′BHd 2 Kμ′
(6)
式 (4) ～ (6) 中 V 为回填土中任一水平面上的垂
直压力 (以单位沟长计) ,N/ m ; K 为单位侧压力与
单位垂直压力之比 ;μ′为回填土与沟帮摩擦因数 ,
Q
=
Cd′ρgB d
Bd
+ Bc 2
(7)
式中 Bc 为保温管道外径 , m ; Cd′为垂直压力因 数 ,其计算式为
Cd′=
1
e -
- 2 Kμ′BHd
2 Kμ′
(8)
国内的直埋管道多敷设于斜壁沟槽内 ,对于这
种宽度随深度变化的沟槽 ,用式 (7) 和 (8) 计算其垂
直荷载[4] ,但应采用管顶高度处的槽宽 B 作为计
☆ 邹平华 ,女 ,1944 年 4 月生 ,大学 ,教授 ,博士生导师 150090 哈尔滨市南岗区海河路 202 号哈尔滨工业大学二 校区 2612 信箱 (0451) 86282272 E2mail : zp h @hit . edu. cn
收稿日期 :2005 01 26 修回日期 :2005 05 17
1 ,2 ,3 ,4 同表 1 中土壤类型编号 图 3 管道上方土壤垂直压力因数 Cd 曲线
1. 3 Г·К·Клейн法 俄罗斯学者 Г·К·Клейн在其著作《 Расчет
труб, уло енныхвземле》[4] 《( 地下管计算》) 中指 出 :敷设于直壁沟槽内的管道和其附近的回填土形 成一超静定系 ,管道和回填土各单元的刚性决定了 其承受的垂直荷载占全部垂直荷载的比例 ;刚性较 强的单元承受的荷载必占总荷载的大部分 ,若回填 土很松散 ,管道则几乎要承受全部垂直荷载 ,此时 管道所承受的垂直荷载则为 Mar sto n 荷载 ; 但若 回填土夯得较实 ,则管道只承受全部荷载中的一部 分 ,此时应对 Mar sto n 荷载的计算式加以修正 ,修 正式为
图 1 《规程》中直埋供热管道单位 管长上的垂直荷载示意图
Q = GW + G + S FFra bibliotek(1)其中
( ) GW =
HD K
+
4
8
πD2K
ρg
(2)
( ) SF = ρg
H+
DK 2
2
K0 tan Φ
(3)
式 (1) ～ (3) 中 Q 为单位管长上的垂直荷载 ,N/
m ; GW 为单位管长上的土壤重力 ,N/ m ; G 为单位 管长的直埋保温管道自重 (包括介质和保温材料) ,
管道的垂直荷载计算 。
·74 · 设计参考 暖通空调 HV &A C 2005 年第 35 卷第 11 期
编号 1 2 3 4
表 1 不同土壤类型的 Kμ′值
Kμ′ 0. 192 0. 165 0. 148 0. 132
土壤类型 砂土及腐植土 (干燥) 砂土 、腐植土 (湿的及饱和的) 及硬黏土 塑性黏土 流动性黏土
Ke yw or ds heati ng pip eli ne , directly burie d layi ng , vertical loa d , f lexible pip e , rigid p ip e
★ Harbin Institute of Technology , Harbin , China
关键词 供热管道 直埋敷设 垂直荷载 柔性管道 刚性管道
C a l c ul a ti o n m e t h o ds of v e rti c a l l o a d f or dir e c tl y b uri e d h e a ti n g p ip e li n e s
By Zou Pinghua ★ , Na Wei , Song Yan , Yang Fan and Hu Baodi
荷载计算公式计算单位管长埋地管道的垂直荷载 。
计算公式为
Q = ρgB c H
(9)
棱柱荷载法适用于计算柔性管道的垂直荷载 。
美国学者对刚性及柔性管道进行了长达 21 年
的荷载实验[2] ,整理得到的实验结果如图 5 所示 。
图 5 刚性及柔性管道垂直荷载实验曲线
从图 5 中可以很明显地看出 ,在钢管和混凝土 管道外径近似相等的条件下 ,采用 Mar sto n 荷载 公式计算得到的钢管垂直荷载远大于实际值 ,钢管 上的垂直荷载在数值上趋近于用棱柱荷载计算公
1. 4 棱柱荷载法
直埋敷设供热管道采用的钢管在土壤荷载下
有一定的适应变形的能力 ,管道是柔性的 。柔性管
道刚性小于侧帮回填土 ,故在管道两侧引发了被动
土壤支撑力 ,周围土壤在管道上形成的拱承担了部
分垂直土壤荷载 ,管道上实际的垂直荷载将小于考
虑管道为刚性管道时的计算结果 。
根据文献[ 2 ,5 ]中有关荷载计算的规定 ,并参
0 引言 正确计算直埋供热管道上的垂直荷载关系到
管道的强度和应力计算 、固定支架的受力和竖向稳 定性验算 ,对管道安全可靠运行有着重要影响 。管 网造价在供热系统的总投资中占有很大的份额 ,垂 直荷载的大小与供热系统的经济指标密切相关 。 在管道设计中 ,工程人员采用的直埋管道垂直荷载 计算方法多种多样 ,计算中忽视直埋敷设供热管道
A bs t r a ct Prese nts f our conve ntional calculation met h ods i . e . t he Technical specification f or directly buried heati ng p ipeli ne engi neeri ng i n city met hod , Ma rst on load met hod , Г·К·Клейнmet h od a nd p ris m load met hod. Pr ovides t he curves of s oil ve rtical p ressure coeff icie nt t o calculate ve rtical loa d a nd discusses t he calculation met h od a nd its application conditions f or vertical or lea n walls i n p ip e c ha n nels a nd f or rigid or flexible pip es . The calculation results s h ow t hat t he result by Г·К·Клейнmet hod f or lea n wall i n t he p ip e cha n nel is t he least a nd t hat by t he f irst met hod is t he la rgest a nd t he ve rtical load i n act ual e ngi nee ri ng is close t o t hat by t he p ris m loa d.
N/ m ; S F 为单位管长上的土体造成的剪切力 , N/ m ; H 为管顶回填土高度 ,m ; DK 为直埋保温管道 外壳外径 ,m ;ρ为土壤密度 , kg/ m3 ; g 为自由落体 加速度 , g = 9. 8 m/ s2 ; K0 为土壤静压力因数 , K0 = 1 - sin Φ,Φ为土壤的内摩擦角 。
3 国家自然科学基金资助项目 (编号 :50378029) ;国家“十五”
重点科技攻关计划资助项目 (编号 :2002BA107B02)
的柔性特性以及沟槽型式 (直壁和斜壁) 的情况时 有发生 。采用不同的计算方法得到的管道垂直荷 载 、土壤摩擦力以及固定墩受力偏差很大 。合理计 算直埋管道承受的垂直荷载有重要的实用意义和 经济意义 。
·72 · 设计参考 暖通空调 HV &A C 2005 年第 35 卷第 11 期
直埋敷设供热管道垂直荷载 计算方法的研究 3
哈尔滨工业大学 邹平华 ☆ 那 威 宋 艳 北京热力集团 杨 帆 胡宝娣
摘要 介绍了 四 种 常 用 垂 直 荷 载 计 算 方 法 :《城 镇 直 埋 供 热 管 道 工 程 技 术 规 程》法 、 Mar sto n 法 、Г·К·Клейн法和棱柱荷载法 。给出了计算垂直荷载的土壤垂直压力因数曲线 , 讨论了考虑沟槽为直壁沟槽或斜壁沟槽 、管道为刚性或柔性管道时的垂直荷载计算方法及适 用条件 。实例计算结果表明 ,沟槽为斜壁沟槽的 Г·К·Клейн法计算结果最小《, 城镇直埋供 热管道工程技术规程》法计算结果最大 ;工程实际情况下的垂直荷载在数值上趋近于棱柱荷 载。
暖通空调 HV &A C 2005 年第 35 卷第 11 期 设计参考 ·73 ·
本文详细分析并对比了国内外直埋敷设供热 管道的垂直荷载理论模型和计算方法 ,根据直埋管 道的刚性或柔性特性和沟槽型式 ,讨论了各方法的 适用条件 ,给出并分析了计算实例 。 1 直埋敷设管道垂直荷载的几种计算方法 1. 1 《城镇直埋供热管道工程技术规程》法
暖通空调 HV &A C 2005 年第 35 卷第 11 期 设计参考 ·75 ·