PAGEPAGE5直埋管道固定墩設(shè)置探究算非管的幾定也的此定相凝增的如的墩需減的裝疑要題墩伸量1概述當(dāng)管道因溫度變變化發(fā)生熱脹脹冷縮是，若若管線受到約約束，管線內(nèi)內(nèi)便產(chǎn)生熱應(yīng)應(yīng)力。為保護(hù)護(hù)管道與管接接頭、管道彎彎頭、及其他他一些附件正正常安全工作作，就必須在在管道上設(shè)置置固定墩以限限制管段的位位移在允許的的范圍之內(nèi)。管管道固定墩計計算結(jié)果通常常非常驚人，管管線固定墩的的推力動輒幾幾十噸，固定定墩的尺寸也也到了數(shù)米的的程度。如此此巨大的固定定墩消耗了相相當(dāng)多的混凝凝土，并且增增加了巨大的的施工難度。如如何的計算固固定墩的實際際所需推力，并并減少固定墩墩的尺寸及安安裝空間，無無疑是一個需需要探討的課課題。2工程實例例在直羅~富縣原原油插輸工程程中，輸油管管道規(guī)格為Φ163×55.6（6.3）PSL2B級鋼管，40mm厚泡沫黃夾夾克保溫，總總長度92.888km，沿線多為為山地、河谷谷等。管道共共設(shè)有80余個固定墩墩，分別設(shè)于于管道出土段段、穿跨越等等處。管道運運行溫度為60℃，安裝溫度度為20℃，溫差為40℃。固定墩設(shè)設(shè)計推力為5t，單個固定定墩尺寸為1.4m××1.5m××1.2m，消耗混凝凝土約2.5m3。通常，固定墩的的計算公式為為：N=FEαΔTT式中F———管壁截面積積（m2）；E——管材彈性性模量（Pa），一般取2.06××1011Pa；α——管材線膨膨脹系數(shù)（cm/cmm·℃），鋼管為1.2×110-5/℃；ΔT——安裝溫溫度和運行溫溫度差（℃）。此計算結(jié)果僅考考慮限制管線線變形產(chǎn)生的的應(yīng)力，論計計算推力很大大。一般對固固定支墩的推推力為公式計算值值乘一個折減減系數(shù)。折減減系數(shù)取1/2～1/3。直羅~富縣原油油插輸工程中中，管道最高高運行溫度為為60℃，安裝溫度度為20℃，計算推力力為30t。實際需要的推力力可能要遠(yuǎn)小于于計算推力，是是因為：（1）固定支墩墩不能絕對固固定，稍有位位移將使推力力減小。（2）埋地彎頭或或管道的出土土段的彎頭處處都有土壤反反力的作用，它它與推力方向向相反，因此此使推力減小小。土壤對彎彎頭的推力與與彎頭位移、土土壤性質(zhì)和夯夯實程度等有有關(guān)，難以精精確計算。3管道的伸伸長量管道埋于土壤中中，伸長或者者收縮受到土土壤摩擦力的的作用。摩擦擦的阻力的大大小與管線的的長度成正比比，當(dāng)管線達(dá)達(dá)到一定長度度是，摩擦阻阻力將平衡溫溫度應(yīng)力引起起的軸向力，管管線不能伸縮縮。土壤中管管線不能伸縮縮的最小長度度ls（m）為[1]ls=αEΔTTπDaδ/f[2((Pv+Pss)D+q]]式中Da———管線的平均均直徑，m；δ——管線壁厚厚，m；f——管線與土土壤的摩擦系系數(shù)，一般f=0.33~0.6；q——單位長管管線（包括管管內(nèi)介質(zhì)）的的重量，N/m；Pv——管線頂頂部埋土壓力力，N/m；Ps——管線兩兩側(cè)所受的被被動土壓力，N/m。式中q的取值一一般占分母的的3%~100%，實際計算算可將q忽略。通過過簡化可能到到：ls=αEΔTTδ/0.8447ρtghf式中ρt———土壤的密度度，kg/m3；h——管線埋深深，m。管線出土端的長長度超過ls以上的部分分不能伸縮，而而在ls范圍內(nèi)管線線向出土段一一端伸長（或或收縮）量將將因為土壤摩摩擦力的影響響而減少一半半，及出土端端伸長量為：：Δls=0.55αΔTls直羅~富縣原油油插輸工程中中，管道管頂頂埋深為1.2m，計算管道道在土壤中不不能伸縮的最最小長度ls=511.47m；出土端伸伸長量為0.0122m。0.012m的的變形量會產(chǎn)產(chǎn)生多大影響響呢？在埋地管道中的的彎頭相當(dāng)一一個自由端或或半自由端，與與彎頭兩端相相連的部分為為過渡段。當(dāng)當(dāng)彎頭曲率半半徑由于位置置的限制而取取得較小時(如進(jìn)出站或或穿跨越處)，其吸收變變形的能力很很小，兩個過過渡段的變形形將集中在彎彎頭上，這樣樣可能使彎頭頭的斷面變扁扁、屈曲而破破壞。彎頭允許有一定定的變形。彎彎頭允許變形形的限度以不不產(chǎn)生永久變變形和不產(chǎn)生生屈曲為原則則，求出彎頭頭兩端允許的的位移量。其其位移的具體體數(shù)值與彎頭頭的幾何尺寸寸(直徑、壁厚)有關(guān)，與彎彎頭的角度、方方向等有關(guān)，應(yīng)應(yīng)對此進(jìn)行理理論分析和實實際的測定?？紤]到一定的安安全度以后，彎彎頭兩端允許許多少位移就就給予多少位位移，亦即允允許固定墩有有多少位移。固固定墩有位移移以后，兩端由嵌固固變成了某些些放松，這樣樣固定墩所需需承受的推力力大為降低。如如果彎頭可以以吸收全部由由過渡段傳來來的位移量，則則彎頭不必加加以保護(hù)。因因此可以通過過增加彎頭或或彎管的曲率率半徑來增加加過渡段變形形量吸收能力力，減小固定定墩推力或者者不設(shè)固定墩墩。4考慮位移移的固定墩計計算固定墩的計算是是一般是按照照錨固死計算算的，但是實實際中土壤再再夯實也不會會是剛性體。大直徑管道如果按照錨固死計算產(chǎn)生的推力高達(dá)幾十噸甚至幾百噸，固定墩尺寸不可避免的要很大。但是當(dāng)管線自由端稍微產(chǎn)生位移之后，推力迅速減小。固定墩微量變形后推力的變化。由嵌固段最大軸軸向力公式[[2]：Fmax=（αEΔ?υσtaan）A根據(jù)推導(dǎo)，如果果該管段允許許端部固定墩墩產(chǎn)生微量變變形△L，則此時：：FmaxΔ=（αEΔ?υσtaan-EΔL/L）Aσtan——環(huán)環(huán)向應(yīng)力（kg/cmm2）；Δt——工作溫溫度與安裝溫溫度的溫差（℃）；υ——泊松系數(shù)數(shù)（0.3）；E——管材的彈彈性模量（E=2.11×10-66m/m/℃）；L——實際安裝裝長度（m）；A——管材截面面積（cm）。在工藝條件允許許的條件下，加加入管線位移移進(jìn)行計算，可可有效減少固固定墩推力的的大小，進(jìn)而而減小固定墩墩的尺寸。在直羅~原油插插輸工程中，經(jīng)經(jīng)上述計算，管管線自由端位位移為0.0122m。假設(shè)工藝藝允許位移量量為0.0066m，計算出的的推力則減小小至原來的一一半。若工藝藝管線允許自自由端位移0.0122m的話，可不不設(shè)置固定墩墩。固定墩上土壓力力的大小及分分布規(guī)律受到到固定墩可能能的移動方向向、周圍填土多多少、填土面形式式、固定墩的截截面剛度和地地基變形等一一系列因素的的影響。土壓力一般般可分為三種種：主動土壓壓力Ea，即固定墩墩向離開土體體方向偏移，達(dá)達(dá)到極限平衡衡狀態(tài)作用在在固定墩上的的土壓力，與與管道推力方方向相同；被被動土壓力Ep，即固定墩墩向土體方向向偏移，達(dá)到到極限平衡狀狀態(tài)作用在固固定墩上的土土壓力；靜止止土壓力Eo，當(dāng)固定墩墩靜止不動，土土體處于彈性性平衡狀態(tài)，作作用在固定墩墩上的土壓力力.三者的關(guān)系Ea<Eoo<Ep。被動土壓力力的值很大，但但是產(chǎn)生這樣樣大的被動土土壓力值的前前提是需要一一定的位移量量。固定墩的推力與與固定墩在土土中的摩擦力力及墩的后背背土反力形成成一種平衡。這這是一種有條條件的平衡，即即在滿足管道道允許產(chǎn)生最最大位移范圍圍內(nèi)的平衡。在在具體設(shè)計中中我們發(fā)現(xiàn)由由管道產(chǎn)生的的對固定墩的的推力如完全全用墩與土的的摩擦力來平平衡，那么混混凝土的用量量很大，造成成浪費；若過過大地利用墩墩后背土反力力則在達(dá)到最最大被動土壓壓力來滿足平平衡時，固定定墩位移量過過大，管道運運行不安全，所所以只能在滿滿足固定墩最最大允許位移移的條件下，由由土反力平衡衡后，剩余的的推力由固定定墩與土的摩摩擦力來平衡衡，這時固定定墩的混凝土土用量才是經(jīng)經(jīng)濟(jì)的，管道道運行也是安安全的。所以在做固定墩墩設(shè)計的時候候，可以由工工藝允許最大大位移量下計計算固定墩尺尺寸。同時可可通過增加固固定墩周圍土土壤換填、土土壤夯實程度度、增加固定定墩迎土面面面積的方式，來來增加固定墩墩被動土壓力力，減小固定定墩尺寸。5考慮土壤壤推力的固定定墩計算固定墩通常設(shè)置置于管線出土土端或者管線線穿跨越時，用用以保護(hù)彎頭頭及管線連接接設(shè)備。管道道伸長時，除除了受到土壤壤的摩擦力及及固定墩的推推力外，彎頭頭還受到土壤壤的推力，力力的方向與管管線的軸向應(yīng)應(yīng)力相反。所所以固定墩用用于保護(hù)彎頭頭時，受到的的管道總推力力P總是小于錨錨死直管自由由端時所需承承受的推力QQ，小的程度和和彎頭夾角及及固定墩位移移有較大關(guān)系系。兩者的管管線如下公式式[3]：.應(yīng)用上述方法計計算固定墩發(fā)發(fā)生微量位移移時受到的管管道推力較繁繁瑣，為方便便設(shè)計人員應(yīng)應(yīng)用固定墩微微量位移法設(shè)設(shè)計固定支墩墩，文獻(xiàn)[4]總結(jié)出出總推力P與錨死直管管自由端時的的推力Q的比值i、位移μA及夾角θ的特性曲線線圖，如圖1-1所示。此圖清晰表明：：θ值越小則P值越小，而而且當(dāng)μA增加時，P值迅速降低低。但μA的增加是有有限的，隨著著μA的增加，土土壤逐步達(dá)到到最大壓縮極極限，如果μA再增加，則則土壤開始破破裂，固定支支墩受損，或或者達(dá)到工藝藝管線承受極極限，損壞彎彎頭及設(shè)備。因因此，土壤許許可的固定墩墩軸向位移是是有限的。可可由圖1-1用于設(shè)計固固定墩保護(hù)彎彎頭時的推力力計算。首先先根據(jù)管道彎彎頭情況及固固定墩埋深情情況確定容許許的μA值，按照θ和μA值可由圖表迅速查出i值，根據(jù)i=P/Q，計算算出總推力P。根據(jù)上述公式對對直羅~富縣輸油管管線進(jìn)行復(fù)核核：由下圖可可見，當(dāng)μA=10mm時，i值約為0.5。即彎頭處處土壤產(chǎn)生的的推理能抵消消掉約一半的的管線應(yīng)力。6復(fù)核結(jié)果果綜上所述，直羅羅~富縣原油管管道，如果按按錨固死計算算，固定墩推推理為30t。管道出土土段伸長率為為0.0122m。按照位移移量μA=10mm計算，管線線的實際應(yīng)力力為5t。同時，彎彎頭處土壤產(chǎn)產(chǎn)生的推理能能抵消掉約一一半的管線應(yīng)應(yīng)力，約2.5t。即管道在在運行伸長10mm的情況下，固固定墩的推力力為2.5t。此計算結(jié)果還忽忽略了因為管管道產(chǎn)生位移移，土壤對固固定墩迎土面面增加了被動動土壓Ep產(chǎn)生的影響響。實際值應(yīng)應(yīng)該比2.5t更小。據(jù)此此推算，取推推力為5t進(jìn)行固定墩墩設(shè)計，結(jié)果果仍然是偏大大的。圖1-1推推力比值i，位移μA及彎頭夾角角θ的特征曲線線圖7結(jié)論通過增加彎頭半半徑來增加過過渡段變形量量吸收能力，可減小固定墩推力或者不設(shè)固定墩；通過允許少量位位移的固定墩墩計算，來減減少固定墩推推力，減小固固定墩尺寸；；可通過增加固定定墩周圍土壤壤換填、土壤壤夯實程度、增增加固定墩迎迎土面面積的的方式，來增增加固定墩被被動土壓力，減減小固定墩尺尺寸