談直埋供熱管道固定支墩的優化設計

王 琴

(太原市熱力集團有限責任公司，山西 太原 030012)

我國北方冬季一般較長，且環境問題比較突出，越來越多的城市采用集中供暖的方式來緩解日益嚴峻的環境問題。集中供暖是指由集中熱源(一般為電廠)工業生產中產生的蒸汽、熱水，通過供熱管網傳遞給一個城市或部分區域以滿足其生產、采暖和生活所需的熱量的方式。集中供暖不僅給城市提供穩定、可靠的熱源，改善人民物質生活，而且能節約能源，減少城市污染，有利于城市美化，有效地利用城市有效空間。供熱管網的敷設方式可分為地溝敷設、架空敷設和直埋敷設三種。地溝敷設由于施工周期長，工程造價高，對城市環境影響大等缺點，逐漸被具有施工周期短，工程造價低，施工期間對道路居民環境影響小等特點的直埋敷設取代，供熱管道現普遍采用直埋方式進行敷設。固定支墩作為直埋管線敷設的主要支撐結構，通過對固定墩受力分析研究和優化設計為大口徑直埋供熱管道工程施工降低工程造價，加快施工進度和管網的安全生產運行具有重要的意義。

1 固定支墩受力分析

直埋供熱管道固定支墩主要承受的荷載可以分為水平荷載、垂直荷載以及扭矩(供、回水供熱管道運行時所承受軸向力不等)。水平荷載為管道在介質冷熱運行過程中產生的軸向應力、固定支墩由于受到軸向應力產生位移承受的主動土壓力和被動土壓力、固定支墩與直埋回填材料間的摩擦力。垂直荷載為固定支墩的自重、固定支墩上覆土的自重、地面交通的活荷載以及供熱管道和管道內介質的重力。供熱管道在運行期間，固定支墩受到水平荷載和垂直荷載的合力作用，因此在固定支墩的設計時必須全面的考慮各類載荷的作用。以固定支墩寬、高、厚分別為b，h，d為例，固定支墩上覆土厚度為h1，地面交通活荷載為G1，固定支墩、供熱管道和管道內介質自重總和為G，固定支墩承受的軸向應力為T，固定支墩承受的主動土壓力、被動土壓力分別為Ea，Ep，固定支墩的底面、側面、頂面與直埋回填料之間的摩擦力分別為f1，f2，f3，供熱管網運行時承受的扭矩為T，固定支墩受力如圖1所示。

供熱管網在運行期間，直埋供熱管道的供、回水管由于溫度的差異，產生的軸向應力不同，固定支墩在設計時分為兩種：

1)按固定支墩錨死狀態設計時，固定支墩受軸向力、扭矩、切向力的作用；

2)按固定支墩允許有位移發生設計時，固定支墩受軸向力、扭矩、扭轉角作用。當直埋供熱管道的供、回水管內介質溫度相等時，按固定支墩錨死設計或允許有位移設計時，固定墩僅受軸向力的作用。根據固定支墩的受力方式，傳統的設計方法只考慮了固定支墩受溫度和荷載作用的影響，對主、被動土壓力和填料摩擦力對固定支墩的作用影響考慮不足。在進行固定支墩設計時，應充分全面考慮各種類型荷載對固定支墩的影響，才能更加符合固定支墩在實際使用過程中的受力，保證設計的結果盡可能準確。

2 固定支墩的設計原則

2.1 固定支墩類型

直埋供熱管道固定支墩根據形狀不同可以分為六種，分別為矩形、倒“T”形、翅形、板凳形、單井固定墩、雙井固定墩，具體如圖2所示。在設計中，根據直埋供熱管道的具體實際情況，選擇不同的類型，以達到縮短施工周期、降低工程造價和安全穩定的目的。

2.2 固定支墩的穩定性計算

固定支墩在設計中要滿足抗滑移驗算、抗傾覆驗算以及地基承載力驗算。

抗滑移驗算：

(1)

其中，KS為抗滑移系數；K為固定支墩被動土壓力折減系數，一般取0.4～0.7；Ep為被動土壓力，kN；Ea為被動土壓力，kN；Ff為直埋供熱管道固定支墩與回填料的摩擦力總和，kN；F為直埋供熱管道對固定支墩的最大推力值，kN。

其中，最大推力值F一般為水壓試驗推力、運行期間管道對固定支墩的推力以及設計固定支墩所承受單根還是雙根管道推力中的最大值。固定支墩與回填材料的摩擦系數，計算固定支墩底面、側面和頂面分別與回填材料的摩擦力時，摩擦系數按表1選取。

表1 固定支墩與回填材料的摩擦系數

抗傾覆驗算：

(2)

其中，Kov為抗傾覆系數；d2為被動土壓力作用點支固定支墩底面的距離，m；d1為主動土壓力作用點支固定支墩底面的距離，m；d3為主動土壓力作用點支固定支墩底面的距離，m；L為固定支墩的厚，m；G為固定支墩的自重和上覆荷載總和，kN。

地基承載力驗算：

σmax=1.2f

(3)

其中，σmax為固定支墩對地基的最大壓應力，Pa；f為地基承載力設計值，Pa。

3 固定支墩受力的影響因素

在實際的施工和運行工況下，固定支墩的受力情況往往較為復雜，不僅僅包括上文提到的受力類型，還包括在供熱管道的安裝方式、供熱設備和土壓力等對固定支墩受力的影響。

3.1 直埋供熱管道不同安裝方式對固定支墩的受力影響

直埋供熱管道在實際工程中根據具體設計要求采用不同的安裝方式，一般為無補償冷安裝和有補償冷安裝。無補償冷安裝，施工簡單，安裝方便、施工時間短，但當設計的固定支墩所需承受軸向應力較大時，固定支墩的結構尺寸也必須較大以保證在各種載荷作用下供熱管道的安全和平穩。直埋供熱管道采用無補償冷安裝時，固定支墩的所承受的推力往往隨著管道的不同布置型式、設置的不同類型附件以及供熱管道直管段的長度等因素而變化。

有補償冷安裝，一般在設計時需設置較多的固定支墩和補償器，以使供熱管道對固定支墩的軸向應力較低，固定支墩的尺寸往往較小，施工對周圍居民和交通影響小，是目前采用較多的敷設方式。直埋供熱管道采用有補償冷安裝時，需要在管線上設置較多的補償器，補償器的不同類型和安裝的不準確往往造成供熱管道的軸向應力與設計時不相符。

3.2 直埋供熱管道安裝不同設備對固定支墩的受力影響

直埋供熱管道上需要安裝多種供熱設備才能保證供熱系統的安全平穩運行，如閥門、彎頭、封頭、變徑管以及各類套筒補償器等設備。供熱設備在供熱系統運行期間，會產生內壓力。內壓力一般多出現在彎頭、管道變徑及補償器處，供熱系統的運行壓力越大以及管道的管徑越大，作用在固定支墩上的內壓力也越大。

3.3 土壓力對固定支墩的受力影響

直埋供熱管道的固定支墩在實際運行期間承受的土壓力為主動土壓力和被動土壓力。土壓力的大小和分布根據回填材料、固定支墩位移情況和固定支墩的截面剛度等因素發生改變而改變。

4 固定支墩的優化設計

1)采用換填法，提高回填材料的摩擦系數。將固定支墩基礎底部粘性土換填為500 mm厚的碎石墊層，底部材料的摩擦系數可提高至0.60；將固定支墩周圍的細砂換填為粗砂，內摩擦角可增加至30°，使得固定支墩承受的被動土壓力增大，主動土壓力減小。

2)設計時，采用允許固定支墩位移的計算方法。固定支墩的位移可以抵消部分管道運行時對支墩施加的軸向力，同時增加固定支墩底部所承受的回填料的摩擦力。

3)增加回填料的密實度，使固定支墩底面、側面和頂面承受的回填料摩擦力和被動土壓力增加。

5 結語

在直埋供熱管道的固定支墩設計時，應根據固定支墩的受力分析和受力影響因素，綜合全面考慮荷載作用，在保證供熱系統運行穩定性和可靠性的前提下，通過增加固定支墩承受的摩擦力、主動土壓力、被動土壓力和允許支墩位移來抵消軸向力的方法降低固定支墩的受力，以解決固定支墩設計體積大、施工造價高、施工難度大的難題。