剪力釘型固定支座在大直徑供熱管網(wǎng)的應(yīng)用

劉世宇

(中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司第六設(shè)計(jì)研究院，天津300381)

1 概述

架空敷設(shè)的管道固定點(diǎn)稱為固定支座，直埋敷設(shè)的管道固定點(diǎn)稱為固定墩，其所起的作用都是固定管道。本文的剪力釘型固定支座兼顧架空和直埋兩種敷設(shè)方式，統(tǒng)稱固定支座。

大直徑管道一般是指DN 1 000 mm以上的管道。在過去，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖集的架空管道只是在DN 600 mm及以下管徑范圍，其架空管道固定支座全都是采用傳統(tǒng)單面或雙面擋板式固定支座。這種擋板式固定支座，其承載能力(抗推力)很小，一般小于等于294 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足大管徑管道大推力的運(yùn)行要求。而大直徑管道一般推力>6 300 kN。對(duì)于直埋管道固定節(jié)，沒有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，一些專業(yè)生產(chǎn)廠家也不能提供相關(guān)的產(chǎn)品，從某種意義上說，大直徑管網(wǎng)的發(fā)展遇到了瓶頸。不僅如此，由于傳統(tǒng)擋板式固定支座所特有的構(gòu)造形式，沒有有效的保溫、隔熱措施，其散熱量大，無法滿足熱水管道長(zhǎng)距離輸送中沿途溫降控制要求。因此，在工程實(shí)踐中，提出了在能滿足抵抗大管徑熱水管道所產(chǎn)生的大推力要求的同時(shí)，也能控制其熱損失達(dá)到最小值要求的新型固定支座的需求。

2 剪力釘型固定支座結(jié)構(gòu)模型構(gòu)想的產(chǎn)生

為實(shí)現(xiàn)供熱管道在混凝土結(jié)構(gòu)中起到嵌固固定的目的，通常是將有一定厚度的鋼制環(huán)板，焊接在供熱管道上，然后在其外面澆筑混凝土，埋設(shè)在混凝土中的鋼制環(huán)板起到固定管道的作用，并以此達(dá)到承擔(dān)管道軸向推力的目的。它在管道整體布置上起到非常重要的作用，也是固定支座的關(guān)鍵所在。

從受力角度分析，在管道推力作用下，被混凝土嵌固住的鋼制環(huán)板主要承受剪力。也就是說，固定支座能夠承受管道軸向推力的大小，主要取決于鋼制環(huán)板的構(gòu)造尺寸及與管道的連接方式。因此，對(duì)鋼制環(huán)板的要求是嚴(yán)格的，鋼制環(huán)板的厚度不能太薄，它不僅要有強(qiáng)度要求(即要有足夠的抗剪強(qiáng)度)，還要有剛度要求(即要有足夠的抗變形能力)；同時(shí)為保證與混凝土接觸面有足夠的抗壓強(qiáng)度，往往鋼制環(huán)板的接觸面尺寸要足夠大。

為保證鋼制環(huán)板的剛度要求，鋼制環(huán)板在厚度選擇上往往比較厚，一般要50～70 mm，而這樣厚的鋼板不易得到，即便有，與鋼管連接也存在問題，盡管采用雙面坡口焊也難做到全截面熔焊，由于環(huán)板厚度與管壁厚度懸殊大，即使做到全截面熔焊，其焊縫處管壁強(qiáng)度也嚴(yán)重下降。為了解決這個(gè)問題，一般做法是，將鋼制環(huán)板厚度減薄，在環(huán)板兩側(cè)、管道環(huán)周上輻射狀焊接加強(qiáng)肋板以補(bǔ)其剛度。這種構(gòu)造做法帶來的問題是，不僅焊縫多而集中，所產(chǎn)生的溫度場(chǎng)極不均勻并且使焊縫周圍溫度應(yīng)力加大，有可能影響管道安全運(yùn)行；而且鋼制環(huán)板、肋板的展開面積大大增加，使其在混凝土中的散熱量大而集中，長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)混凝土強(qiáng)度、耐久性也產(chǎn)生影響。

將建筑結(jié)構(gòu)工程中鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的連接形式——剪力釘，直接應(yīng)用于供熱管道固定節(jié)上，是一個(gè)很有意義的設(shè)想。這種組合結(jié)構(gòu)的連接形式，畢竟是在建筑結(jié)構(gòu)工程和熱力工程兩個(gè)不同領(lǐng)域、剪力釘與建筑型鋼的連接和剪力釘與管材的連接兩種不同形態(tài)連接方式以及在不同溫度環(huán)境下應(yīng)用，其接觸形式、變形條件以及受力特征極其相似，僅就應(yīng)用而言尚無先例。為保證剪力釘在供熱管道與混凝土結(jié)構(gòu)之間起到可靠連接及穩(wěn)定支撐作用，使得在管網(wǎng)設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)，管道安全運(yùn)行、混凝土正常工作，因此，有必要對(duì)其模型進(jìn)行分析，并以此作為實(shí)物模型試驗(yàn)的理論指導(dǎo)，再將試驗(yàn)結(jié)果與理論分析數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，由此能夠較為安全地評(píng)估連接件的承載能力，以期作為設(shè)計(jì)、制造的依據(jù)。

3 剪力釘型固定支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

由剪力釘型固定節(jié)與包裹在固定節(jié)外面的混凝土組成共同工作的傳力構(gòu)件，稱為管道剪力釘型固定支座，以下簡(jiǎn)稱固定支座。

3.1 剪力釘型固定支座的設(shè)計(jì)

剪力釘型固定節(jié)主要包括：D1420×18工作鋼管，D1620×18鋼套管，鋼套管長(zhǎng)度為800 mm，尺寸為120 mm×600 mm×18 mm鋼加勁板，Φ25剪力釘,剪力釘?shù)拈L(zhǎng)度為200 mm。剪力釘型固定節(jié)見圖1。

圖1 剪力釘型固定節(jié)

剪力釘型固定節(jié)制作過程：將12塊加勁板均布焊在工作鋼管外周圈上，在鋼套管相應(yīng)位置上開槽，將加勁板穿過此槽，再將鋼套管焊在加勁板上，然后將48個(gè)剪力釘均勻分布焊在鋼套管上(分為2排，每排24個(gè))。然后在工作鋼管與鋼套管之間的空隙以及加勁板周圍填充保溫材料。

3.2 剪力釘型固定支座強(qiáng)度分析

剪力釘承載力計(jì)算：

根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第14.3.1條的單個(gè)抗剪連接件(圓柱頭焊釘)的受剪承載力設(shè)計(jì)值的計(jì)算公式，1個(gè)剪力釘受剪承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)由式(1)確定。

(1)

式中F——剪力釘受剪承載力設(shè)計(jì)值 ，N

As——剪力釘釘桿截面積,mm2,剪力釘直徑為25 mm，As=490.625 mm2

Ec——混凝土彈性模量,N/mm2,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，Ec=2.8×104N/mm2

fc——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，fc=11.9 N/mm2

fu——剪力釘極限抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2，剪力釘材料性能等級(jí)為4.6級(jí)時(shí)，取fu=400 N/mm2)

經(jīng)計(jì)算，1個(gè)剪力釘受剪承載力設(shè)計(jì)值為：

F=121 778.5 N

驗(yàn)算剪力釘是否滿足其抗拉強(qiáng)度上限值條件：

0.7Asfu=137 375.0 N

F≤0.7Asfu

因此，驗(yàn)算結(jié)果滿足公式(1)要求的判斷條件。

以此承載力設(shè)計(jì)值作為試件加載荷的依據(jù)，并作為試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證參照。

4 剪力釘型固定支座結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

將按實(shí)際尺寸加工好的剪力釘型固定節(jié)，放置于定型的混凝土模板之中，準(zhǔn)確定位后綁扎雙向分布鋼筋?14@200、環(huán)向及放射鋼筋?14@200，澆筑C25混凝土，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)強(qiáng)度,即完成固定支座試驗(yàn)件制作。該試件共制作了3件。同期保留3組混凝土試塊。剪力釘型固定支座見圖2，圖2中的尺寸單位為mm。

圖2 剪力釘型固定支座

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

考慮試驗(yàn)的特殊性和便利性，在工程現(xiàn)場(chǎng)搭建了臨時(shí)試驗(yàn)棚，建設(shè)了承載10 000 kN級(jí)推力的實(shí)驗(yàn)臺(tái)1座； 用于施加推力的3 200 kN油壓千斤頂 3臺(tái)及配套的控制柜；測(cè)量固定支座位移量的指針式百分表 2臺(tái)；用于起重、搬運(yùn)用的輔助工具若干。

4.2 試驗(yàn)步驟、結(jié)果與分析

① 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)當(dāng)天檢測(cè)混凝土試塊的實(shí)際抗壓強(qiáng)度值，目視觀察試件表面有無異常情況；檢查試壓裝置是否運(yùn)行正常；確定測(cè)試儀器處于正常狀態(tài)。

為保證試件底部均勻受力，在試件底設(shè)置細(xì)砂墊層，上部試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)端要均勻接觸到平直的管件端。

② 試驗(yàn)步驟

試件正式加載前，先進(jìn)行預(yù)加載，加荷速率為10 kN/s，加荷至0.3Ft后卸載。Ft為48個(gè)剪力釘?shù)目偝休d力設(shè)計(jì)值，為5 845.368 kN。采用單調(diào)分級(jí)加載，初始加荷時(shí)每級(jí)荷載增量為200 kN，當(dāng)荷載加至0.5Ft時(shí)，每級(jí)荷載增量為100 kN。每級(jí)持荷時(shí)間為3 min。當(dāng)荷載增至0.8Ft時(shí)，每級(jí)荷載增量為50 kN，直至1.0Ft，即為滿負(fù)荷，持荷時(shí)間大于5 min。隨后進(jìn)行了超載試驗(yàn)。每級(jí)荷載增量為350 kN，在荷載增至1.3Ft時(shí)，與千斤頂接觸部位，管壁出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象(即管壁局部應(yīng)力集中而失穩(wěn))，隨即加荷停止，最終固定支座沒有達(dá)到破壞狀態(tài)(即未出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，或突然失載現(xiàn)象)。其間對(duì)稱布置于固定支座上的2個(gè)百分表工作正常，始終是邊加載荷邊記錄千斤頂壓力表壓力讀數(shù)和百分表位移量的讀數(shù)。

③ 試驗(yàn)結(jié)果

全過程觀測(cè)結(jié)果表明，整個(gè)加荷過程中一切工作正常，3個(gè)試件表現(xiàn)完全一致，未出現(xiàn)任何異常現(xiàn)象，固定支座位移量保持不變，即始終為零。與剪力釘承載力計(jì)算內(nèi)容完全一致。

④ 結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果分析表明，這種剪力釘型的固定支座，結(jié)構(gòu)構(gòu)造合理，使用安全可靠，具有廣泛的適用性。在重復(fù)荷載作用下，剪力釘在混凝土的滑移量極其微小。它的安全使用主要與剪力釘?shù)倪x擇和布置、混凝土強(qiáng)度等級(jí)的選擇和鋼筋布設(shè)等幾方面因素有關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

以此次試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，我們?cè)趯?shí)際工程中得以應(yīng)用，到目前為止，這種剪力釘型固定支座已在太古長(zhǎng)輸熱網(wǎng)上安全使用4 a。它很好地解決了在長(zhǎng)輸熱網(wǎng)中傳統(tǒng)固定支座常出現(xiàn)的諸多問題。它能適用于各種管徑的推力，能在各種敷設(shè)方式(包括直埋、架空)的供熱管道中應(yīng)用，起固定管道作用。

經(jīng)過4個(gè)運(yùn)行期的實(shí)際工程考驗(yàn)，證明該支座具有構(gòu)造簡(jiǎn)捷、承受力范圍大、便于施工、環(huán)境適用性強(qiáng)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。還通過紅外線測(cè)溫儀，測(cè)試固定支座的混凝土表面溫度，結(jié)果顯示支座表面溫度與周邊環(huán)境溫度沒有變化。這就表明這種新型固定支座的使用，很好地解決了傳統(tǒng)支座所存在的散熱量大且不均問題。目前我們也將這種固定支座應(yīng)用在地下綜合管廊以及直埋管網(wǎng)中，剪力釘型固定支座為大管徑、大推力、節(jié)能環(huán)保型長(zhǎng)輸供熱管網(wǎng)發(fā)展提供了可靠保障。