架空壓力管道盲板力的處理方案

羅瑞敏 談祥君（杭州華龍交通勘察設計有限公司，浙江 杭州 310000）

架空壓力管道盲板力的處理方案

羅瑞敏 談祥君
（杭州華龍交通勘察設計有限公司，浙江 杭州 310000）

摘 要：架空壓力管道支撐結構是土建工程中一種較特殊的結構物，其特別之處在于：當存在管道彎曲、安裝閥門、流通截面發生變化等情況時，在這些特殊節段上管道內部的流體壓力不能達到自平衡，這個不平衡的壓力就會對管道節段產生一個力的作用。由內部流體壓強的作用對管道產生的力叫盲板力。在管道尺寸較大內壓較高的場合，這個盲板力大得驚人，往往會成為控制支撐結構物設計的主要因素。在設計中，如何合理有效的處理盲板力是一個十分關鍵的技術問題。本文結合筆者工作中的一項工程設計實踐對盲板力在土建結構中的解決方案進行討論。

關鍵詞：壓力管道；支撐結構；盲板力

由于壓力管道的盲板力屬于流體力學的范疇，而土建工程師們日常工作中面對的力學問題決大多數屬于固體力學的范疇，因此在處理有關壓力管道的支架時流體壓力引起的盲板力問題容易被忽視，在東北地區熱網建設過程中，由于對盲板力這一作用處理不當造成的工程事故時有發生。本文介紹的壓力管道支架設計中對盲板力的處理方式，希望能給同行提供一個有益的參考。

1 常見壓力管道盲板力作用情況簡介

當一段管道其內壁四周承受的壓力可以達到平衡時，流體壓力對該管道節段的作用僅表現為管道的內力；當一段管道內流體壓強作用在管壁上形成的壓力不能達到平衡時，此時該管道節段需要在外力的參與下才能夠達到平衡狀態，此時流體壓強對管道形成的合力就叫做“盲板力”。例如對于管道的彎曲節段，由于沿管軸線四周管壁的面積分布不對稱，因此流體壓強作用在管壁四周的壓力就不能平衡。以矩形截面的管道為例，說明管道彎曲段盲板力產生的原因：

圖1（a）所示的矩形截面彎頭，管道內輪廓尺寸為d×h，內部壓強為P，該彎頭曲線內側面（曲面ABCDEK）面積要小于外側面（曲面A’B’C’D’E’K’）面積，其上、下內壁面積相等，假定彎頭是剛性的，流體壓強在上、下表面上產生的壓力可以相互抵消，而沿曲線半徑方向的壓力則不能抵消，如果在彎頭的彎曲平面內建立如圖1（b）所示的坐標系，根據幾何關系和力學關系可以得出內部壓強在頭上產生的合力為：

該合力沿x、y軸的分量分別為：

當α＝90°時：

以上式①～⑤中，An為管道截面流通面積。

以上公式就是作用在壓力管道彎曲段上的盲板力表達式。除了在管道彎曲段會出現不平衡的盲板力之外，在管道截面發生變化、安裝閥門、管道端部堵頭等位置也會出現不平衡的盲板力。例如當管道截面從A1變化至A2時，管道變化段內產生的盲板力為

在安裝有調壓閥門的位置，若閥門前、后管道流通面積和流體壓強分別為A1、A2、P1、P2，則在閥門節點產生的盲板力為：

對于管道端部的情況，流通面積為A、壓強為P的管端堵頭板上產生的盲板力即為：

2 供熱管線支撐結構中盲板力的解決方案

筆者在最近正在施工的東北某電廠熱電聯產項目中負責熱網主干線跨河支撐結構物的設計工作，該項目中熱網主干線由4根Φ1220×14mm主管構成，跨河架空段結構立面布置如圖2所示：

在供熱管道跨越主河槽段，由于航道通航需要主橋標高較高，過河之后，為節省河灘部分支架結構工程費用，供熱管道在主橋兩端下彎降低標高以減小河灘上支架高度，架空段兩端管道再次下彎埋入地下。按管道工藝專業提供給土建結構專業的技術資料，每根管道豎向荷載標準值為17kN/m，彎頭處盲板力的水平向分量為2500kN，四根管道累計為10000kN。

圖1

圖2

圖3

對于一般工程結構物來說，10000kN（即1000t）的水平荷載是一個不小的數值，對這一荷載必須引起相當的重視。對于支撐結構來說，承受豎向荷載的結構受力問題較容易解決，而要抵抗很大的水平荷載，在設計難度和經濟代價方面都要大得多。

分析該架空熱力管道的“盲板力”的作用情況，管道在每次下彎的過程中同時存在兩個直角彎頭，其受力情況如圖3（a）所示：

圖3（a）中，上、下兩個彎頭“盲板力”的豎向分量通過管道豎直段的受拉可以實現自平衡，剩下一高一低兩個水平分量需要傳遞給固定支撐結構。由于上、下兩個固定支撐承受的水平力的方向相反，如果在兩個固定支撐之間設一組斜向撐桿，通過斜撐的受壓抵消兩個固定支撐處的水平向荷載，這樣上、下兩個支架的受力變成了承擔斜撐的豎向分量，由此可將固定支架的荷載由水平力轉化為豎向力，從而使得支架受力條件得到明顯改善。如圖3（b）所示。

基于以上分析，在該項目的支架結構設計中，供熱管道在鋼桁架主橋兩端的高、低固定支架之間設置了一組斜向平衡撐桿，平衡撐桿共由5根Φ500×24鋼管組成，如圖4所示。

經計算分析表明，采用這一構造方式使兩個支架間的“盲板力”相互平衡是有效的，通過斜撐的作用高、低支架間水平荷載可抵消90%以上。

在管道架空段起、終點位置，由于該位置管道埋入地下的深度較大（在最大凍土深度以下），若仍采用設置斜撐的處理方式，下端基礎開挖較大，而且如果采用與主橋端部相同的鋼構件撐桿，其一半埋入地下、一半暴露在外，防腐問題不易解決。考慮到此處管道支架高度不大，設計采用了群樁基礎與抗推能力較強的箱形墩身項結合作為管道端部的固定支架，如圖5所示。

圖4

比較圖4與圖5兩類支架，雖然圖4所示的支架高度較大，且較高一側需要同時承擔跨河主桁架的荷載，由于引入斜撐后上、下兩個彎頭固定位置的水平荷載相互抵消，因此支架構造可以做得較為輕巧，每個基礎僅采用了6根1.2m鉆孔灌注樁。圖5所示的支架由于受條件限制，沒有采用使上下彎頭的水平向盲板力相互平衡的措施，支架需要抵抗管道上端巨大的水平力，因此支架構造尺寸相對大的多，其基礎需要12根1.5m樁方可滿足抗推和抗傾覆的受力要求。

圖5

結語

總結該項目中架空供熱管道支架設計的經驗，在管道規模較大、盲板力水平較高的場合，如果遇到管道工藝設計以兩個相連的直角彎頭改變設計標高的情況，在條件允許時，這一位置的固定支架可以通過在上、下兩個支承間設置斜撐，使兩個彎頭的水平向盲板力形成對頂，引入斜撐后單個支架的受力由水平向的推力轉變成為豎向的上拔或下壓，大大改善了支架的受力條件。該熱電聯產項目熱網主干線跨河架空段的支撐結構設計中，在高、低固定支架間引入斜撐的處理措施獲得了良好的經濟效果。

參考文獻

[1]劉偉.壓力管道安裝中存在的問題及處理探析[J].中華民居（下旬刊），2013 （04）.

[2]劉純.蒸汽管道應力分析和支吊架調整[J].鍋爐技術，2006，37（04）：44-46.

中圖分類號：TU81

文獻標識碼：A