直埋熱網管道固定支墩設計分析

李留強，安兆靜，李 超

（1.遼寧電力勘測設計院，遼寧 沈陽 110179；2.遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

引言

目前，隨著我國熱電廠的建設和北方地區城市集中供熱的發展，熱力管道敷設越來越廣泛。管道敷設方式主要為架空、地溝和直埋。

架空方式不但占據地下空間，而且需要地上空間，影響美觀，在地上空間有限的廠區及城市很受限制。

地溝敷設方式需要年年進行維修，供熱成本較高，同時接縫多，熱損失大，能源浪費嚴重，施工周期長，對城市交通影響大，工程造價高等問題。

經過近年來的應用證明，供熱管道直埋敷設具有良好的社會效益和經濟效益，優點如下：工程造價低；熱損失小，節約能源；防腐、絕緣性能好、使用壽命長；占地少、施工快、有利于環境保護和減少施工擾民。因此，直埋方式已成為供熱管道最普遍采用的敷設方式。

同架空敷設、地溝敷設供熱管道一樣，直埋供熱管道上設置固定支墩，其目的同樣是限制管道軸向位移。固定支墩一般為鋼筋混凝土結構。

1 固定支墩形狀及間距

固定支墩形狀通常采用長方體、倒“T”形體、箱式等，其中長方體、倒“T”形體固定支墩應用較多，箱式固定支墩和管道閥門小室、補償小室、泄水排氣小室等合用，以降低土建造價。

為了節約投資，固定支墩間距應盡可能的大，同時固定支墩間距必須滿足下列條件：管道的熱伸長量不得超過補償器所允許的補償量；管道因膨脹和其他作用而產生的推力，不得超過支墩所能承受的允許推力。

2 固定支墩設計

2.1 固定支墩受力荷載

固定支墩主要承受管道的熱膨脹冷縮約束力、內壓不平衡力和活動段位移產生的作用力，同時作用于固定支墩上的外力還有主動土壓力、被動土壓力、支墩與土的摩擦力。垂直外力有管道自重及管道內介質的重量、支墩及支墩上的土重量。

土壓力可按朗肯土壓力理論計算。在工程設計中，因工藝允許的管道位移量不能達到最終的被動土壓力，故設計中被動土壓力必須進行折減，折減系數一般取K=0.4～0.7。

2.2 固定支墩設計穩定性驗算

2.2.1 抗滑移驗算

式中 Ks—抗滑移系數；

K—固定支墩后背土壓力折減系數，取0.4～0.7；

Ep—主動土壓力（N）；

f1、f2、f3—固定支墩底面、側面及頂面與土壤產生的摩擦力（N）；

Ea—被動土壓力（N）；

T—供熱管道對固定支墩作用力（N）。

因混凝土側壁及頂面與填土間摩擦力不能精確計算，在實際計算中不考慮側壁及頂面和土之間的摩擦力，所以求得的抗滑移系數偏小。因此，這一理論用于工程中是偏于安全的。

2.2.2 抗傾覆驗算

式中 Kov—抗傾覆系數；X1—主動土壓力作用點至固定支墩底面的距離（m）；X2—被動土壓力作用點至固定支墩底面的距離（m）；G—固定支墩自重（N）；

G1—固定支墩上部覆土重（N）；

d—固定支墩厚度（m）；

H、h2—固定支墩底面、管道中心至地表面距離（m）；

Ep、Ea、T—見式（1）。

2.2.3 地基承載力驗算

式中 Pmax—固定支墩產生的最大壓應力（Pa）；

M—作用于固定支墩底面的力矩（N.m）；

W—固定支墩底面的抵抗矩（m3）；

A—固定支墩底面面積（m2）；

f—地基承載力特征值（Pa）；

G、G1—見式（2）。

2.2.4 強度驗算

管道固定支墩的強度及配筋計算應符合現行國家標準《混凝土結構設計規范》（50010-2010）的規定。制作固定支墩所用混凝土強度等級不應低于C20，鋼筋直徑不應小于9mm，間距不應大于250mm。鋼筋應雙向布置，保護層不應小于30mm，固定墩穿洞口處應設置加強筋。

2.3 注意事項

在實際工程中當管道推力很大時，同時固定支墩尺寸受場地等限制，為了減小固定支墩尺寸，可以采用以下換填的方法，增大支墩的被動土壓力和摩擦力。

采用底部換填法。在支墩基礎的底部換填厚碎石墊層，摩擦系數可達到0.6，摩擦力比粘性土增加了1倍。支墩周圍換填粗砂，內摩擦角可達到30°，被動土壓力比粘性土增加了1.1倍，主動土壓力比粘性土減小了1倍。

由于支墩受力比較復雜，因此支墩配筋沒有精確的計算模型，本文建議矩形固定支墩可按受沖切承載力構件和局部受壓承載力構件進行計算配筋。倒T形固定支墩上部構件可按懸挑梁進行計算，底部構件可按獨立基礎進行計算。

此外，埋地管道受到土壤的支承作用。因此，分析埋地管道及其固定支墩受力情況時，必須考慮土的差別所在。在固定支墩所受推力中，土壤對推力的影響最大，因此提高管道和固定墩周圍的土壤夯實程度對減小彎頭內力有很大益處。

3 結語

本文對固定支墩進行了簡要的受力和結構分析，關于固定支墩的設計還涉及到很多內容，隨著對直埋管道的理論研究和產品開發的不斷完善，對固定支墩的優化設計也必然產生很好的效果，進而充分發揮固定墩的作用。本文可作為同類型固定支墩的設計參考，對增加熱網管網的可靠性和使用壽命具有積極意義。

[1]王飛，張建云.直埋供熱管道工程設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[2]中華人民共和國建設部.CJJ/T 81-98 城鎮直埋供熱管道工程技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，1999.

[3]中國人民共和國建設部.05R410 熱水管道直埋敷設[S].北京：中國建筑工業出版社，2005.