水工管道支墩穩(wěn)定分析程序開發(fā)

何姜江 饒俊勇

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

水工管道支墩穩(wěn)定分析程序開發(fā)

何姜江 饒俊勇

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

介紹了水工管道支墩的類型，研究了支墩穩(wěn)定計(jì)算的方法與原理，并基于VB語(yǔ)言，編制了支墩穩(wěn)定計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)了支墩穩(wěn)定計(jì)算自動(dòng)化，提高了水工管道支墩的設(shè)計(jì)效率，獲得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

水工管道，支墩，穩(wěn)定計(jì)算原理，計(jì)算程序

0 引言

為了節(jié)約工程投資，很多電廠均采用了PCCP循環(huán)水管，而PCCP管道需要在接口的地方設(shè)置受力支墩；另外，廠外補(bǔ)給水管以及部分電廠技改項(xiàng)目涉及的灰管線也有管道受力支墩。在上述管道受力支墩中尤其以PCCP循環(huán)水管的支墩受力最大，支墩類型較多，穩(wěn)定分析計(jì)算最繁雜，單個(gè)支墩的混凝土方量較大。根據(jù)收集的工程數(shù)據(jù)，每個(gè)循環(huán)水管支墩的混凝土用量約500 m3～800 m3。在支墩設(shè)計(jì)中，需要不斷調(diào)整支墩尺寸，試算支墩穩(wěn)定，重復(fù)計(jì)算工作量較大，造成設(shè)計(jì)效率較低，支墩尺寸不夠合理，工程投資不夠經(jīng)濟(jì)。因此，有必要對(duì)電廠涉及到的水工管道支墩進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)安全、節(jié)約工程造價(jià)。

通過(guò)對(duì)水工管道支墩的算法進(jìn)行研究，編制支墩穩(wěn)定分析計(jì)算程序，以便能夠根據(jù)支墩的不同類型、不同受力和穩(wěn)定要求，快速計(jì)算出支墩的尺寸大小，做到計(jì)算快捷、方便，支墩尺寸合理，結(jié)構(gòu)安全可靠、工程投資較省,可為可研、初步設(shè)計(jì)提供比較準(zhǔn)確的工程量，為施工圖設(shè)計(jì)提供技術(shù)保證；可提高設(shè)計(jì)效率、及時(shí)滿足現(xiàn)場(chǎng)的施工進(jìn)度需要，可產(chǎn)生積極的影響和獲得良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

1 計(jì)算原理

1.1 技術(shù)路線

根據(jù)水工管道支墩的幾何參數(shù)、作用力及地基特性，采用理論力學(xué)算法進(jìn)行力的分解，進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，并判斷穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果是否滿足規(guī)范要求，最后輸出計(jì)算結(jié)果，生成計(jì)算書。

1.2 支墩類型及計(jì)算簡(jiǎn)圖

根據(jù)我院已有工程，結(jié)合支墩受力特性，常見支墩可分為凹型和凸型兩大類，每大類各三種型式，共六種型式，見圖1，其中Ⅰ～Ⅲ型為凹型，Ⅳ～Ⅵ型為凸型。

計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2，圖3，根據(jù)支墩的特點(diǎn)和受力特性，采用理論力學(xué)和土力學(xué)等理論，推導(dǎo)支墩穩(wěn)定分析計(jì)算原理，如下：

將空間力投影到XY平面，F(xiàn)1′=F1，F(xiàn)2′=F2cosβ。

空間力的豎向分力：F1Z=0,F2Z=F2sinβ。

將平面力分解到X，Y軸線方向：

F1X=F1′cos(α/2)，F(xiàn)1Y=F1′sin(α/2)；

F2X=F2′cos(α/2)，F(xiàn)2Y=F2′sin(α/2)；

X,Y方向軸線方向合力：

FX=F1X+F2X,FY=F1Y+F2Y。

計(jì)算中正、負(fù)號(hào)規(guī)定：

管道力順灰水流向方向水平力為正，反之為負(fù)；β角在X軸以上為正，在X軸以下為負(fù)；Z軸正向力為拉力，負(fù)向力為壓力。

1.3 支墩穩(wěn)定計(jì)算原理

支墩前推力、支墩后推力、管中心標(biāo)高、設(shè)計(jì)地面標(biāo)高、水平轉(zhuǎn)角、前管段縱向轉(zhuǎn)角、后管段縱向轉(zhuǎn)角等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)均水力計(jì)算及管線布置計(jì)算。

前管段力分解XY=支墩前推力×cos(前管段縱向轉(zhuǎn)角)。

前管段力分解Z=支墩前推力×sin(前管段縱向轉(zhuǎn)角)。

后管段力分解XY=支墩后推力×cos(后管段縱向轉(zhuǎn)角)。

后管段力分解Z=支墩后推力×sin(后管段縱向轉(zhuǎn)角)。

前管段水平力分解X=前管段力分解XY×cos[水平轉(zhuǎn)角α×3.141 592 6/(2×180)]。

前管段水平力分解Y=前管段力分解XY×sin[水平轉(zhuǎn)角α×3.141 592 6/(2×180)]。

后管段水平力分解X=后管段力分解XY×cos[水平轉(zhuǎn)角α×3.141 592 6/(2×180)]。

后管段水平力分解Y=后管段力分解XY×sin[水平轉(zhuǎn)角α×3.141 592 6/(2×180)]。

X向合力=前管段水平力分解X+ 后管段水平力分解X。

Y向合力=前管段水平力分解Y+ 后管段水平力分解Y。

Z向合力=前管段力分解Z+ 后管段力分解Z。

支墩空間尺寸參數(shù)：

支墩地上部分高度=管中心標(biāo)高-設(shè)計(jì)地面標(biāo)高。

C1,D0,H2,D3,L0根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

C2=C1+D0×tan{水平轉(zhuǎn)角×3.141 592 6/(2×180)}。

D1=C1×sin{水平轉(zhuǎn)角×3.141 592 6/(2×180)}。

D2=D0/{cos水平轉(zhuǎn)角×3.141 592 6/(2×180)}。

地下部分平面尺寸：

D=D1+D2+2×D3。

L=2×C2×cos{水平轉(zhuǎn)角×3.141 592 6/(2×180)}+ 2×L0。

支墩自重={(C1+C2)×D0×H1+D×L×H2}×24。

水平力臂至基底距離=支墩地上部分高度H1+支墩地下部分高度H2。

支墩穩(wěn)定計(jì)算：

X向抗滑系數(shù)={(支墩自重-Z向合力)×0.3}/{X向合力(取絕對(duì)值)+X向主動(dòng)土壓力-X向被動(dòng)土壓力}。

Y向抗滑系數(shù)={(支墩自重-Z向合力)×0.3}/{Y向合力(取絕對(duì)值)+Y向主動(dòng)土壓力-Y向被動(dòng)土壓力}。

X向抗傾覆系數(shù)={(支墩自重-Z向合力)×L/2+X向被動(dòng)土壓力×支墩地下部分高度/3}/{X向合力(取絕對(duì)值)×水平推力至基底力臂+X向主動(dòng)土壓力×支墩地下部分高度/3}。

Y向抗傾覆系數(shù)={(支墩自重-Z向合力)×D/2+Y向被動(dòng)土壓力×支墩地下部分高度/3}/{Y向合力(取絕對(duì)值)×水平推力至基底力臂+Y向主動(dòng)土壓力×支墩地下部分高度/3}。

X向最大基底應(yīng)力=(支墩自重-Z向合力)/(D×L) + 6×{X向合力(取絕對(duì)值)×水平推力至基底力臂+X向主動(dòng)土壓力×支墩地下部分高度/3-X向被動(dòng)土壓力×支墩地下部分高度/3}/(L2×D)。

如果X向最小基底應(yīng)力小于0，則：

X向最大基底應(yīng)力=2×(支墩自重-Z向合力)/{3×D×(L×0.5-{X向合力(取絕對(duì)值)×水平推力至基底力臂+X向主動(dòng)土壓力×支墩地下部分高度/3-X向被動(dòng)土壓力×支墩地下部分高度/3}/(支墩自重-Z向合力))}。

X向最小基底應(yīng)力=(支墩自重-Z向合力)/(D×L)-6×{X向合力(取絕對(duì)值)×水平推力至基底力臂+X向主動(dòng)土壓力×支墩地下部分高度/3-X向被動(dòng)土壓力×支墩地下部分高度/3}/(L2×D)。

Y向最大基底應(yīng)力=(支墩自重-Z向合力)/(D×L) + 6×{Y向合力(取絕對(duì)值)×水平推力至基底力臂+Y向主動(dòng)土壓力×支墩地下部分高度/3-Y向被動(dòng)土壓力×支墩地下部分高度/3}/(D2×L)。

如果X向最小基底應(yīng)力小于0，則：

Y向最大基底應(yīng)力=2×(支墩自重-Z向合力)/{3×L×(D×0.5-{Y向合力(取絕對(duì)值)×水平推力至基底力臂+Y向主動(dòng)土壓力×支墩地下部分高度/3-Y向被動(dòng)土壓力×支墩地下部分高度/3}/(支墩自重-Z向合力))}。

Y向最小基底應(yīng)力=(支墩自重-Z向合力)/(D×L)-6×{Y向合力(取絕對(duì)值)×水平推力至基底力臂+Y向主動(dòng)土壓力×支墩地下部分高度/3-Y向被動(dòng)土壓力×支墩地下部分高度/3}/(D2×L)。

X向最大基底應(yīng)力+Y向最大基底應(yīng)力<1.2×經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值。

2 算例測(cè)試

采用某工程水工管道支墩的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算程序界面見圖4。

2.1 輸入數(shù)據(jù)

1)設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù):

支墩前推力F1:797.9 kN；

支墩后推力F2:-658.3 kN;

地面標(biāo)高Hd:344.200 m;

管中心標(biāo)高Hz:345.092 m;

管水平轉(zhuǎn)角α:5.370°;

前管段縱向轉(zhuǎn)角β1:-0.917°;

后管段縱向轉(zhuǎn)角β2:0.917°。

2)支墩幾何參數(shù):

管頂最小尺寸Hmin:0.335 m;

支墩地下部分高度H2:1.500 m；

地上部分平面尺寸C1:1.435 m；

地上部分平面尺寸D0:3.150 m；

Y軸增加尺寸D3:0.000 m;

X軸增加尺寸D3:0.000 m。

3)地基土參數(shù):

土容重γ:19.000 kN/m3;

土內(nèi)摩擦角φ:25.000°；

被動(dòng)土壓力折減系數(shù)K:0.300；

支墩底部摩擦系數(shù)μ：0.300；

地基承載力P：150.000 kPa。

2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)擬定算法，程序支墩穩(wěn)定分析結(jié)果如圖4所示。

3 結(jié)語(yǔ)

基于VB語(yǔ)言開發(fā)了水工管道支墩穩(wěn)定計(jì)算程序，減少了支墩穩(wěn)定計(jì)算工作量，提高了工作效率，可產(chǎn)生積極的影響和獲得良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 水工管道支墩穩(wěn)定分析程序研發(fā)[R].成都:西南電力設(shè)計(jì)院有限公司,2015.

[2] DL/T 5339—2006，火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

[4] 明日科技.Visual Basic從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社,2012.

Development of program for stability calculation of anchor block

He Jiangjiang Rao Junyong

(SouthwestElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd,ChinaPowerEngineeringConsultingGroup,Chengdu610021，China)

Introduces the type of hydraulic pipeline buttress, researchers the method and principle for the buttress stbility calculation. Based on VB, a program is developed to calculation for anchor block stability. The calculation of the stability of the abutment is realized automatically, which improves the design efficiency, obtains good social and economic benefits.

anchor block， abutment, stability calculation principle， computation program

1009-6825(2017)05-0256-03

2016-12-07

何姜江(1984- )，男，碩士，高級(jí)工程師

TP311.1

A