計算機輔助設計熱力管道墻式固定墩

周 彬

近幾年集中供熱事業快速發展,熱力工程設計就顯得尤為重要。在熱力管線工程結構設計中墻式固定墩的計算設計比較普遍。在熱力工程設計時間比較緊、任務繁重、計算量較大的情況下,為了縮短設計時間,保證設計出圖質量,我院充分利用計算機輔助設計,利用了AutoCAD內部用戶化CAD系統的AutoLISP語言實現對AutoCAD的圖形實體和各種參數表的數據進行存取和編輯,使設計和繪圖融為一體。

1 概述

熱力工程中管線受力分析十分重要,因此我們分析了工藝受力的特點及管道對墻式固定墩的作用力:1)管道熱脹冷縮受約束產生的作用力(過渡段的摩擦力或錨固段的軸向力);2)內壓力產生的不平衡力(固定點兩側管道橫截面不對稱在內壓作用下產生的不平衡力,也包括波紋管補償器端波環狀計算截面上的內壓作用力);3)活動端位移產生的作用力(補償器的彈性力或摩擦力,轉角管段升溫變形的軸向力)。由于這些原因在設計墻式固定墩時對于其體積、造價要求就比較嚴格了,手工計算較為復雜,需要精確計算。以下詳細論述完成墻式固定墩設計和出圖步驟。

2 程序運行主框圖及運行環境

圖1為墻式固定墩設計程序運行主框圖。本程序利用AutoLISP語言編程,其程序和數據都采用符號表達式,簡單容易掌握。通過函數調用實現對AutoCAD的二次開發,使設計與繪圖融為一體。但其使用條件具有局限性,必須在AutoCAD環境下運行。

3 墻式固定墩設計計算

3.1 確定墻式固定墩墻厚度

設計依據:受沖切承載力計算:

式(1)中的系數η應按下列兩個公式計算,并取其中較小值:

其中,FL為單管水平力設計值;βh為固定墻厚度影響系數,當 h≤800 mm 時,取 βh=1.0,當 h≥2 000 mm 時,取 βh=0.9,其間按線性內插法取用;ft為混凝土軸心抗拉強度設計值;бpc,m為臨界截面周長上兩個方向混凝土有效預壓應力按長度的加權平均值,其值宜控制在1.0 N/mm2～3.5 N/mm2范圍內;um為固定墻厚1/2處孔徑;h0為去掉固定墻保護層厚度的固定墻有效厚度;η1為局部荷載或集中反力作用面積形狀的影響系數;η2為臨界截面周長與板截面有效高度之比的影響系數;βs為墻式固定墩設計中局部荷載或集中反力作用面積為圓形,取 βs=2;αs為板柱結構中柱類型的影響系數,墻式固定墩設計中取αs=40。

進入＜確定墻式固定墩墻厚度＞選項卡,條件輸入采用對話框形式,將已知條件輸入。公式解釋:已知:1)單管水平力設計值FL;2)固定墻中心位置孔徑 um;3)混凝土等級相應取值 ft。

其他參數:假設固定墻厚 h0,βh根據假設固定墻厚取相應值;бpc,m宜控制在1.0 N/mm2～3.5 N/mm2范圍內,由設計人員根據實際工程確定;η按式(2),式(3)計算并取其中較小值;以上條件具備后將假設固定墻厚h0代入式(1)進行試算:1)所得結果不滿足式(1)時,應調整所假設固定墻厚 h0,直到滿足式(1)且與FL取值接近即可;2)如所得結果滿足式(1)時,但與FL取值差值較大時可適當調整墻厚;3)如所得結果滿足式(1)時,且與FL取值接近或相等時墻厚即可確定。

3.2 確定墻式固定墩整體尺寸

墻式固定墩通常采用倒T形,要使其安全使用且土建造價合理就需要對固定墩抗滑移、抗傾覆驗算。

3.2.1 抗滑移條件

其中,Ka為抗滑移系數;K為固定墩后背土壓力折減系數,取0.4～0.7;Ep為被動土壓力,N;f1,f2,f3分別為固定墩底面、側面及頂面與土壤產生的摩擦力,N;Ea為主動土壓力,N,當固定墩前后為黏性土時Ea可略去;T為供熱管道對固定墩作用力,N。

公式解釋:1)K根據規范由設計人員根據工程實際情況確定;2)Ep由式(6)求得;3)f1=0.9[(固定墩體積+固定墩上部土體積)×ρ]×um,f2=(ρ h1k+ρ h2k)×H/2,k為靜止土側壓力系數,f3=2ρ vum+ρ1v1um;4)Ea由式(7)求得;5)T由工藝專業提供兩管水平推力標準值。

3.2.2 抗傾覆條件

3.2.3 土壤承載條件

其中,Kov為抗傾覆系數;X1為被動土壓力Ep作用點至固定墩底面距離,m;X2為主動土壓力Ea作用點至固定墩底面距離,m;G1為固定墩上部覆土自重,N;b,d,h分別為固定墩幾何尺寸(寬、厚、高),m;h1,h2,H分別為固定墩頂面、管孔中心和底面與地面的距離,m;φ為回填土內摩擦角,砂土取30°。

3.2.4 回填土與固定墩的摩擦系數

計算固定墩底面、側面和頂面與土壤的摩擦力時,摩擦系數um按表1取用。進入＜確定墻式固定墩整體尺寸＞選項卡,條件輸入采用對話框形式,將已知條件輸入。公式解釋:已知:1)固定墻幾何尺寸(厚、高、底板厚度、寬度);2)基礎底板上覆土厚度;3)基礎底板左邊、右邊凈長;4)地下水自然地面下埋深;5)防滑鍵幾何尺寸(高、寬);6)土的特性(密度、摩擦系數、相對密度、含水量、摩擦角、凝聚力系數);7)兩管水平、垂直推力標準值;8)被動土壓力折減系數;兩管水平推力距防滑鍵底高度。將上述條件輸入后即可得出抗滑移條件、抗傾覆條件是否滿足式(4),式(5),如不滿足墻式固定墩尺寸,對其進行調整直到抗滑移條件、抗傾覆條件滿足式(4),式(5)為止。

表1 回填土與固定墩的摩擦系數

3.3 配筋計算

根據工藝專業提供管道受力條件,通過計算求得彎矩值后,進行相應的配筋計算。程序中求鋼筋面積采用公式法,利用現行GB 50010-2002鋼筋混凝土設計規范中公式:

由以上公式求出x后即可得到鋼筋面積As。確定鋼筋直徑和根數,得出鋼筋面積后,采用列表的形式,先確定直徑及鋼筋面積,然后求出鋼筋根數,即可完成后續的繪圖工作。

4 畫墻式固定墩施工圖

繪圖功能和圖形交互編輯功能是AutoLISP開發AutoCAD的主要目的,AutoLISP本身并沒有提供用于直接生成圖形的函數,但AutoLISP提供了比AutoCAD簡單而透明的接口功能,提供了一個系統內部函數command,使得在AutoLISP程序中可以簡單而方便地調用AutoCAD命令,以完成要求的繪圖。利用command函數和一些與屏幕繪圖有關的函數編寫繪圖程序,在該程序中鋼筋直徑及根數一經確定,輸入繪圖比例、繪圖基點,程序即可完成墻式固定墩的繪圖工作。

5 結語

經過多年的熱力工程設計,該項程序已經得到了廣泛的應用,大大提高了熱力工程設計的效率,且計算精度高,避免了人為的一些計算錯誤和圖面錯誤,還提高了出圖質量,保證了工期。隨著科技不斷發展,工程實踐的積累和理論學習的深入,該程序將會進一步得到完善和提高,使熱力工程設計做到安全可靠、經濟合理。

[1] 王 飛,張建偉.直埋供熱管道工程設計[M].北京:中國建筑工業出版社,2006.

[2] GB 50010-2002,混凝土結構設計規范[S].