鋼管頂管的設(shè)計計算方法研究

摘 要：隨著給水排水工程中相關(guān)的鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)范制定及實行，對鋼管頂管結(jié)構(gòu)上的各個設(shè)計計算都有了明確的規(guī)定，本文對其計算方法進行了探討及研究。

關(guān)鍵詞：鋼管頂管 頂力 強度計算 穩(wěn)定驗算 豎向變形驗算

中圖分類號：TU990.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0040-02

鋼管管道結(jié)構(gòu)上作用的荷載，除了管道自重、管內(nèi)水重及管內(nèi)水壓力外，還有管道上的豎向土壓力、管側(cè)水平土壓力，地面堆積荷載、地面車輛荷載產(chǎn)生的豎向荷載、水平荷載以及平衡豎向荷載的管底反力R等。因此，在確定管道上荷載及確定相應(yīng)的計算模式時，必須考慮土和管道的性質(zhì)、不同的施工方法等。

1 管道豎向土壓力計算

根據(jù)《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50332-2002），對頂管施工的管道，管頂豎向土壓力標準值按下式計算：

（1）

為不開槽施工管頂豎向土壓力系數(shù)；

為管頂上部土層壓力傳遞至管頂處的影響寬度（m）；

為土的重度（kN/m3）；

《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)范》（CECS：246：2008），頂管的豎向土壓力計算公式為：

（2）

為土的粘聚力（kN/m2），宜取地質(zhì)報告中的最小值；

在頂管的土壓力計算公式中，管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范與頂管技術(shù)規(guī)程中不一致，頂管規(guī)程中式中出現(xiàn)了；管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中如無試驗數(shù)據(jù)時，角取30°，頂管技術(shù)規(guī)程中按地質(zhì)報告取值；取值也有所不同，頂管技術(shù)規(guī)程中的參考了美國規(guī)范的數(shù)據(jù)，按土質(zhì)分別取值，管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范取固定值0.19。

采用不同的頂管豎向土壓力計算公式分別計算D=1220×10 mm鋼管在不同深度處豎向土壓力，計算結(jié)果列入表1：（取=30°，=6 kN/m2，=0.19，=18 kN/m3）。

從表1可看出，頂管隨著管道埋深加大，管頂土壓力也逐步加大，但同樣深度情況下，采用公式1計算的管頂豎向土壓力遠大于公式2的計算結(jié)果，公式2考慮了土壤粘聚系數(shù)值的影響。

2 鋼管的強度計算

（1）鋼管的強度計算應(yīng)滿足下列要求：

式中為應(yīng)力折減系數(shù)，取=0.9；

為鋼管管壁橫截面最大環(huán)向應(yīng)力（N/mm2）；

為鋼管管壁的縱向應(yīng)力（N/mm2）；

為鋼管管壁的最大組合折算應(yīng)力（N/mm2）；

為管材的強度設(shè)計值f=215 N/mm2；

為管道的重要性系數(shù)，取1.0。

（2）鋼管管壁截面的最大環(huán)向應(yīng)力：

（7）

為管壁計算寬度（mm），取1000 mm；

為彎矩折減系數(shù)，取0.7；

為管道設(shè)計內(nèi)水壓力標準值（N/mm2）；=+0.5

為管壁計算厚度（mm）；=t-2

為管道計算半徑（mm）；

為在荷載組合作用下鋼管管壁截面上的最大環(huán)向彎矩設(shè)計值（N·mm）；

為在荷載組合作用下鋼管管壁截面上的最大環(huán)向軸力設(shè)計。

（3）鋼管管壁的縱向應(yīng)力應(yīng)按下式計算：

為鋼管管材泊松比，取0.3；為鋼管管材線膨脹系數(shù)，取12×10-61/°C；

為鋼管的計算溫差；為 鋼管頂進施工變形形成的曲率半徑（mm）；為管道頂進允許偏差（mm），取130 mm；為出現(xiàn)偏差的最小間距（mm），一般可取50 m。

（4）鋼管管壁截面的最大組合折算應(yīng)力應(yīng)按下式計算：

為應(yīng)力折算系數(shù)，可取0.9

相關(guān)設(shè)計參數(shù)取值如下：管頂、管側(cè)土的內(nèi)摩擦角取30°，土弧基礎(chǔ)中心角取120°，管道計算溫差取為±20 ℃，管側(cè)土的綜合變形模量為MPa，管道的工作內(nèi)水壓力=0.40 MPa，不計地面不均勻沉降引起的縱向應(yīng)力。地面荷載取10 kN/m2。（表2）

3 鋼管的變形驗算

埋地鋼管道在組合作用下，最大豎向變形的計算應(yīng)滿足下式要求：

為鋼管道在土壓力和地面荷載組合作用下產(chǎn)生的最大豎向變形（mm）；

D0為管壁中心直徑（mm）。

為豎向管道變形系數(shù)，此處采用0.089；為管道計算半徑（mm）；為管材的彈性模量，2.06×105 MPa；為 管側(cè)土的變形模量（N/mm2），取Ed值為4.00 N/mm2；為管道縱截面單位長度管壁的慣性矩（mm4/mm）；為地面作用傳遞至管頂壓力的準永久值系數(shù)，取0.5。（表3）

4 計算模式比較及結(jié)論

（1）隨著深度的增加，管頂土壓力也逐步加大，采用公式（1）計算，當覆土厚度達10 m時，應(yīng)力及變形均超出要求；而在實際的鋼管頂管工程中，一般管道壁厚取管道的直徑的0.8%～1.0%時，基本都是成功的，基本沒有發(fā)生過管道材料強度不符要求或者變形超過規(guī)范規(guī)定的情況。采用公式（1）的計算結(jié)果與實際工程的運用有些不符。

（2）采用《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)范》（CECS：246：2008）計算土壓力，即公式（2）考慮了土壤粘聚系數(shù)C值的影響，從實際頂管工程的地質(zhì)報告可以看出，一般土層的C值都是存在的，計算時考慮C值對土壓力的折減也是合理的。但是，由于管頂土荷載減少了，對管道的安全性來說是降低了。根據(jù)資料分析，C值的變化范圍很大，對于埋設(shè)不深的頂管工程，受季節(jié)性凍融或地下水位變化的影響，C值是變化的，為確保安全，頂管技術(shù)規(guī)程建議C值取試驗成果的最低值。