埋地压力给水管道水平支墩设计计算.pdf

第 4 5卷 第 3期 2 0 1 4年 2 月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 ． 4 5． No． 3 Fe b ．，2 01 4 文章编 号 ： 1 0 0 1 — 4 1 7 9 ( 2 0 1 4l 0 3— 0 0 5 1— 0 4 埋地压力给水管道水平支墩设计计算 雒 望 余 ( 西安市水利规 划勘 测设 计院， 陕西 西安 7 1 0 0 5 4 ) 摘 要 ： 埋地 压力给水管道 支墩标 准图集给 出了一般 支墩 的标准图及其尺寸 ， 但 实际使用 时， 发 现水平支墩标准 图集存在某些 不完善之 处 ： 当设计 参数 超 出标准 图集 范围时 ， 从 图中查不 出支墩尺寸 ， 当实际参数 不等于 图中 参数 时 ， 只 能从 图 中得到 支墩尺寸 的近似值 ； 图集 中支墩 扩大基础刚性 角大于混凝 土允许 刚性 角 4 5 。 ， 导致 支 墩 结构不安全 。鉴 于此， 对标 准图集中水平 支墩的型 式及 尺寸进行 了修 正 ， 列 出了计算公式 ， 并举例进 行 了说 明 。 关键词 ： 水平支墩 ； 标 准图集 ； 埋地 压力 ； 给 水管道 中图法分 类号 ： T V 6 7 文献标志码 ：A ]【 问题 的提 出 文献[ 1 ] 介绍了埋地压力给水管道水平弯管及叉 管支墩的设计计算方法 ， 文献 [ 2 ] 为支墩 的标准图集 ， 可供设计人员查用。本文研究 的“ 支墩 ” 在水工 上通 暂称为镇墩 。笔者研究文献 [ 2] 后 ， 发现其存在 以下 不 完善 的地 方 ： ( 1 )标准图集所列 出的管径、 弯管角度 、 叉管分叉 角 、 管道试验压力、 管道埋深 、 土壤内摩擦角 、 支墩允许 抗滑等参数范围有 限， 且其值分级为跳跃式、 不连续 ， 当参数不在标准图范围时 ， 支墩尺寸就查不到 ， 设计者 需 自己设计计算 ； 当参数不等于图中参数时 ， 支墩尺寸 只能取近似值 ， 误差较大。 ( 2 )一般支墩扩大基础刚性角大于混凝土允许刚 性 角 4 5 。 ， 支 墩 结构 不 安全 。 由此 ， 本文对文献 [ 2] 水平 支墩的型式及 尺寸进 行了修正 ， 并列出其计算公式 ， 同时举例进行 了说明。 2 水平支墩的设计计算 2 ． 1各符号意义 设 r 为 水 的重 度 ； r 为土 的重度 ， 原状 土 r ：= 1 8 k N ／ m ， 回填土 r 2=1 6 N ／ m ； r 3 为混凝土的重度 ； 为 土壤等效内摩擦角 ， ( 。 ) 为混凝土支墩 与地基土的 摩擦系数 ； D为管道 内径 ， mm； 为弯管或叉管角度 ， ( 。 ) ； H， 为管内径顶部埋深 ， m； 为管 内径下部支墩 高度 ， m； H3 为管中心埋深 ， m； h 为支墩顶埋 深， m； H 为支墩 高度 ， m； 日 为 管 中心线 以 上 支墩 高度 ， m； L为 支墩宽度 ， m； 为支墩竖向扩散角 ， ( 。 ) ； b为支墩 台形 体宽度 ， m； 、 B。 、 L 、 L 0 见图 1 ； 3 见图2 和图3 ； P 0 为管 道试验压力 ， MP a ； P为管道截 面外推力标准值 ， k N； R 为水平支墩 承受 的管道 内水压力 的合 力标准值 ， k N； 。为支墩背后被 动土压力 ， k N； V 、 V 、 、 V 、 V 3 分 别 为支墩总体积 、 各部 分体积 ， m ， 见各 图； G为支墩重 量 ， k N； K 为支墩抗滑稳定安全系数 ； K 。 为支墩抗倾稳 定安全系数。 2 ． 2 几个 问题 ( 1 )文献 [ 2 ] 的 h 。 一般不小于 0 ． 2 5 m。 笔者建议 机动车道下及耕地下支墩宜取 h ，≥0 ． 5 m； 管道埋深 大时 ， h 取大值 ， 否则取小值。 ( 2 )一般 H = ( 0 ． 4 —0 ． 6 ) H， 即 H = ( 1 ． 6 7 ～ 2 ． 5 ) H 。 管道埋深 小 ， 日 取 小值 ， 宜取 H = ( 0 ． 4 ～ 0 ． 5 ) 日； 管道埋 深 大， 取大 值 ， 宜取 H = ( O ． 5 ～ 0 ． 6) 日。 ( 3 )根据文献 [ 3 ]，C 1 5 混凝土支墩扩散角( 刚性 收稿 日期 ： 2 0 1 3一l 1 一l 9 作者简介： 雒望余， 男， 副院长， 总工程师， 高级工程师， 主要从事水利水电工程设计和审查工作。E— ma i l ： 1 6 0 7 7 9 3 8 6 5 @q q ． c o m 5 2 人 民 长 江 b = 0 ． 2 卜 _ _ 旦 0 2 0 2 0 ． 9 — 卜 — } ． — — — — — 圈中尺寸单位为 m：h i = 0 3 ， ／ ／ - 2 ． 9 ， H = 1 ． 6 ， 蛐 = 1 ． 5 ， D - 0 ． 8 ， H 0 9 ， ／ 3 = 0 ． 5 ， BI = O． 1 ， ／ = 2 ． 5 5 ， L1 = O 6 5 。 ：l 5 图 1 文 献 【 2 J ( 例 1) 支 墩 角 ) 应 小 于或 等 于 4 5 。 。 ( 4 )在保证支墩安全前提下 ， 应充分尽量利用支 墩背后的被动土压力 E ， 以减少支墩体积 ， 节约工程 量 。 ( 5 )由于 R大 ， 小 ， 故支 墩 与 间的摩擦 力 大于支墩重 r ， ， 故可将支墩各部分当作一整体来 校核支墩抗倾稳定性 ， 其 中-厂为混凝土 间夹一层油毛 毡的摩擦系数 。 ( 6 )根据 文献 [ 4 ] ， 镇 墩 抗 滑 稳 定 安 全 系 数 允 许 值[ K ] 遇特殊荷载组合取 1 ． 1 0 ； 抗倾稳定安全系数允 许值 [ K 。 ] 遇特殊荷载组合取 1 ． 2 0， 管道水压试验为特 殊情 况 。 ( 7 )水平 支 墩 可分 为 I 型 和 Ⅱ 型 。 当管道 埋 深 日 较大 ， 可采用 I型支墩。I型支墩体形特点是支墩 混凝土的竖向及水平向刚性角均采用 4 5 。 ， 即 b=h ， ， 芙 图中单位为 m：h i = 0 ． 8 ， H=- 2 ． 2 ， ， l2 = 0 5 ． 硒= 1 ． 5 ， 飓： 0 7 ， 飓 = 1 ． 9 ， D = 0 8 ， 0 = 4 5 。， 扣k， L = 2 6 ； I — I 中阴影部份的斜线可取掉 图 2 I 型 支 墩 图中尺 寸单位 为 m ：h i = 0 ． 3 ， H 1 4 ， ／ -／3 ． 5 ， 硒 = O ． 7 ， = 0 ． 2 ， ／ ) - 2 ． H3 = 0 ． 8 5 ， b = 2 ． 5 ， L = 9 ： 图 中阴影 部分 的斜 线可取掉 图 3 I I型 支 墩 T 上 十● ，0 十 上 ● 划 ● ● ● l 1 ● ● _ _ 叫 ．。 ^ 第 3期 雒望余 ： 埋地压力给水 管道水平支墩设计计算 5 3 = ( 0 ． 5—0 ． 6 ) 日， 即H =( 1 ． 6 7～2 ) 日’ ， 如图2 ； 当 管道埋深 日 。 较小 ， 此时可采用 Ⅱ型支墩。 Ⅱ型支墩体 形特点是支墩竖向刚性角 0h ： ， 而混凝 土支墩水平向刚性角仍为4 5 。 ， 日 ：( 0 ． 4～0 ． 5 ) H， 即 H = ( 2 —2 ． 5 ) 日 ， 如 图 3 。 下面以水平弯管支墩 的设计为例 ， 水平叉管支墩 的设计类同。 2 ． 3 I型支墩 的设计计算 2 ． 3 ． 1公式推 导 D、 。 ( H ， )已知 ， 令 b=h ， 设 h ， 则 日 = 一h ( 1 ) h 2=日 3一h l一0 ． 2—0 ． 5 D ( 2 ) ￡ ：2 ( D +h ： ) ( 3 ) 又设 H = ( 1 ． 6 7 —2 ) H V =0 ． 2 H L ( 4 ) 中间长方体 = 2 ( H —h ： ) D h ： ( 5 ) 外 围三棱柱体 V ：=( H+ D) h i ( 6 ) 当 h = 0时， I ， 3=[ ( H—h ) ( O ． 4 5+D) 一0 ． 5 8 9 D 一 ( 0 ． 2+0 ． 5 D) ]x 1 ． 5 D ( 7 ) 当 = 0 ． 2 5时 ， = [ ( 0 ． 4 5+D) 一0 ． 5 8 9 D 一 ( 0 ． 2+0 ． 5 D) ]x 1 ． 5 D ( 8 ) V = V + + 2+ ( 9 ) G = V =2 3 V ( 1 0 ) E p=F 2 t a n ( 4 5 。+ ／ 2 ) ／ 4 ( o ． 5 H +h 1 ) L ( 1 1 ) P = ~ r ／ 4 D P 。 ／ 1 0 0 0 ( 1 2 ) 弯管 ， R =2 P s i n ( a ／ 2 ) ( 1 3 ) 三通及堵头 ， R = P ( 1 4 ) 叉 管 ， R =P s i n ~ ( 1 5 ) 支墩抗滑稳定计算公式 K c = ( +E ) ／ R ( 1 6 ) 以上各式 中， h 为 D、 o l 、 P 。 、 、 H。 H的函数 ， 因上 式为 h 的高次( 3次)代数方程 ， 无公式解 ， 已知其他 参数 ， 可用试算法求 h ． 。 墩后被动土压力对支墩 0点之力矩为 M E = 1 r 2 t a n 2 ( 4 5 。+ ／ 2 ) 日 ( H +3 h 1 ) ( 1 7 ) 诸力对支墩 0点取矩 ， 可得支墩抗倾稳定计算公 式 K 0= { E+2 3 [ 0 ． 1 V 。 +( 0 ． 2+0 ． 5 h 2 ) + ( 0 ． 2+ 2 ／ 3 ) 2+( 0 ． 4+h 2+0 ． 5 D) ] } ／ [ ( 日一H ) R] ( 1 8 ) 2 ． 3 ． 2 举 例 例 1 ( 文献 [ 2 ] P 2 7 5 ) 。一水 平 弯管 支 墩 ， = 4 5 。 ， =1 8 。 ， r 3=2 4 k N ／ m ， f=0 ． 3 ， P 0=0 ． 8 MP a ， D= 0． 8 I n， R = 3 0 7． 7 8 kN， Hl = 1 ． 5 m ， H2 = 0． 9 m， H= 2． 9 m ， B = 0． 5 m ， Bl = 0 ．1 m ， L = 2． 5 5 m ， L0 = 1 ． 5 m， L =0 ． 6 5 m， V=3 ． 4 7 lI l ， [ K ]=1 ． 5 0 。 见 图 1。 ( 1 )支墩验算 。 ① 支墩竖 向扩散角 ( 刚性角 ) 0为 6 9 ． 7 8 。>4 5 。 ， 水平向扩散角为 6 9 ． 1 5 。>4 5 。 ， 这是不 合适的。 如果竖 向及水平 向扩散角均采 用混凝土允许 冈 0 性 角 4 5 。 ， 贝 0 H =0 ． 4+1 ． 3 =1 ． 7 m， L =1 ． 5+0 ． 2 x 2 =1 ． 9 m。 ② 支墩抗 滑稳 定性 验算 。 用 式 ( 1 1 ) 、 ( 1 6 )计算得 E 。=4 4 1 ． 3 0 k N， K =1 ． 5 1 2> [ ]= 1 ． 5 0， 说明支墩抗滑稳定。 ③ 支墩抗倾稳定性验算 。 用 式( 1 7 ) 、 ( 1 8 ) 计算得 M =4 6 3 ． 0 4 k N n l ， K o=1 ． 1 8 ， 如采用[ ]=1 ． 2 0， 则支墩抗倾不稳定。 ( 2 ) I型支墩设计计算 。 因例 1 支墩体形不合适 ， 故根据 上 述 、 P 。 、 D、 H。已知值 ， 并 令 r 3： 2 3 k N／ m。 ，重 新 拟 定 支墩 型 式 及 尺寸 并 进 行计 算。因 日。 ( H )较 大 ， P 。为一 般值 ， 故 采用 I 型 支墩 。 支 墩 体 形及 尺 寸见 图 2 。 设 h =0 ． 8 m， 将 已知值代人式( 1 )～( 3 )得 日 = 1 ． 1 m， h ，=0 ． 5 m， L =2 ． 6 m。 又设 H =2 H =2 ． 2 m， 代人式 ( 4 )～ ( 1 8 )得 V =1 ． 1 4 4 m ， I ／ 2=1 ． 3 6 m ， V 2= 0 ． 7 5 i n ’， = 1 ． 6 67 m ， V = 4 ． 921 m ， E = 3 7 0 ． 5 1 k N， ME=3 2 8 ． 9 8 k N m。 K =1 ． 3 1 3> [ K ] = 1 ． 1 0 ， 支墩抗滑稳定 ； =1 ． 1 8 7 <[ ]=1 ． 2 0 ， 支墩抗倾不稳定。 上述 计算 说 明 h =0 ． 8 m偏 大 ， 需 重新 设 h ， 重 复 上述计算 ， 直到 、 符合规范要求为止。 比较 图 1和 图 2支 墩 ， 显 然 图 2支墩 体 形 及 尺寸 较合适且安全 ， 虽然图 2支墩体积较大。 2 ． 4 1 I 型支墩 设计计算 2 ． 4 ． 1 计算公 式 D、 Hl ( H ， )已知 ， h <b ， 设 、 H、 b ， 且 H =( 2～ 2 ． 5 ) H ， 则 L =2 ( D +6 ) ( 1 9 ) V 2=2 D( H —h ) b ( 2 0 ) V ，=Db h ，+H b ( 2 1 ) 5 4 人 民 长 江 K 0= { M +2 3 [ 0 ． 1 V +( 0 ． 2+0 ． 5 b ) I ， 2+ ( 0 ． 2+b ／ 3 ) V 2+( 0 ． 4+b+0 ． 5 D) ] } ／ ( H —H ) R ( 2 2) 其他 同式 ( 1 ) 、 ( 2 ) 、 ( 4 ) 、 ( 7 ) 、 ( 8 ) 、 ( 9 )～( 1 7 ) 。 2 ． 4 ． 2举 例 例 2 ( 文 献 [ 2] P 4 0 2 ) 。一 水平 弯 管 支墩 ，o ／= 45。， D= 2 i n， = 3 0。 ， r 3 = 2 4 kN／m = 0 ． 3， P0 = 1 ．1 MPa， R = 2 6 4 4． 9 2 kN。 Hl= 0． 7 I l l ， L = 9． 2 IT I ， L0 =3． 8 In ， L1 = 1 ． 6 In ，H = 3 ． 4 5 i n， H2 = 1 ． 0 5 i n， B = 2． 75 In ， B1= 0． 1 In，V = 6 5． 5 3 In ， H = 1 ． 4 in ， h1 0 ． 3 m。 其 有 关符 号见 图 1 。 本 例 竖 向扩 散 角 0 ⋯ t a n [ ] [ ]=1 ． 1 0 ； 用式( 1 7 ) 计算得 M =4 3 6 5 ． 9 k N in， 用式( 2 2 )计算得 K o： 1 ． 1 9 2 h ： 时， 即为 Ⅱ 型 支墩 。 3 结 语 现行支墩标准图集有下列缺陷 ： ① 设计参数范 围 有限， 且不连续 ， 当实际工程支墩有关参数超出图集范 围时， 从图集中查不 到支墩尺寸 ， 需另行设计计算 ， 当 设计参数不等于图集 中参数时， 只能得到支墩 尺寸的 近似值 ， 误差较大； ② 支墩扩散角大于混凝土允许 刚 性 角 。 本文推荐的支墩型式及结构尺寸克服了标准 图集 的缺陷， 用本文方法及公式计算亦很方便简单。 参 考 文献 ： [ 1 ] 给水排 水工程 结构设计 手册编委会． 给 水排 水工程 结构设计手 册 [ M] ． 北京： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 中国建筑标准设计研 究院． 给水排 水标 准图集 s 5 ( 一 ) [ M] 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ] G B 5 0 0 0 7— 2 0 0 2建筑地基基础设计规 范[ s ] ． [ 4 ] G B ／ T 5 0 2 6 5— 9 7泵站设计规 范[ S ] ． ( 编 辑 ： 徐 诗 银 ) De s i g n a n d c a l c u l a t i o n o f l e v e l b ut t r e s s o f b ur i e d pe ns t o c k LUO W a n g y u ( X i u n Wa t e r C o n s e r v a n c y S u r v e y D e s i g n I n s t i t u t e ， X i ~ t n 7 1 0 0 5 4， C h i n a ) Abs t r ac t ：Th e s t a nd a r d a t l a s a b o u t l e v e l b ut t r e s s o f b u r i e d p e ns t o c k pr o vi d e s t h e s t a nd a r d fig u r e s a n d g e ne r a l s i z e s o f bu t t r e s s ． Bu t t h e a t l a s h a s t he f o l l o wi ng i mp e r f e c t i o ns ：wh e n t he pa r a me t e r s e x c e ed t h e s t a n d ar d r a ng e o f t he a t l a s，t he bu t t r e s s s i z e c a n no t b e d e t e r mi ne d；wh en t h e a c t ua l p a r a me t e r d o e s n o t eq u a l t o t he a t l a s p a r a me t e r s ，on l y a p pr o x i ma t e d s i z e o f t h e b ut t r e s s c a n b e o bt a i n e d：t he r i g i d a n g l e o f b u t t r e s s e x p a n s i o n—b a s e i n t he a t l a s i s g r e a t e r t ha n t he l i mi t e d c o n c r e t e r i g i d a n g l e o f 45。，r e s ul t i n g i n u n s a f e t y o f t he s t r u c t ur e ． I n v i e w o f t he s e d e f e c t s ，t h e a u t ho r mo d i fie d t h e t y pe a nd d i me n s i o n s o f t he l e v e l b ut t r e s s i n t h e s t a n da r d a t l a s a nd pr o v i de s t he r e l a t e d c a l c ul a t i o n f o r mu l as a n d e x a mp l e s ． Ke y wor ds：l e v e l bu t t r e s s；s t a n da r d a t l a s；b ur i e d p e n s t o c k；wa t e r s u pp l y p i p e l i n e