浅谈埋地硬聚氯乙烯（PVCU）排水管道的结构设计

浅谈埋地硬聚氯乙烯（PVC-U）排水管道的结构设计第24卷第3期2007年9月特种结构Vo1.24No.3Sept.2007浅谈埋地硬聚氯乙烯(PVC.U)排水管道的结构设计甄宏志(广东省建筑设计研究院510010)(TheArchitecturalDesign&ResearchInstituteofGuangdongProvince,Guangzhou510010)摘要本文着重讨论硬聚氯乙烯(PVC.U)管的结构设计问题并可作为其它管材的柔性管如高密度聚乙烯(HDPE)管,聚乙烯(PE)管,玻璃纤维增强塑料夹砂管,在其结构设计的参考.关键词埋地塑料管道结构设计ABSTRACT:ThestructuraldesignproblemsofPVC-UpipelineaFemn,discussedinthispaper.InthesalTIway,whichcanalsoberefereneedinthestructuraldesignofotherkindsofpipelinesuchasHDPEp,PEpipeandglassfiberreinforcedplasticmortarp.KEYWORDS:BuriedplasticpipelineStructuralsn硬聚氯乙烯(PVC.U)管是一种新型化学管材,具有强度离,质量轻,耐腐蚀,绝缘性好,管壁光滑过流能力大,材料致密不渗水,耐冲击,加工容易,使用寿命长,运输安装方便及施工速度快等特点,在许多发达国家里,广泛应用于工程建设,工矿企业和农业.自1990年以后,我国相继生产出平壁管和双壁波纹管,环形肋管,螺旋肋管等异型管,管材的公称直径范围为DN110DN630.据统计,在我国城镇中的排水管道DN500以下的管径,约占管道总长的70%,推广应用PVC.U管,具有显着的社会,经济效益.近几年来,PVC.U管在我国一些大,中城市的排水工程中得到大力开发,推广应用.本文着重讨论其结构设计问题.1埋地排水管道的荷载埋地管道的设计荷载包括:垂直土压,地面上的活载:车辆荷载或堆积荷载,车辆荷载和堆积荷载不叠加,取二者之中较大值.1.1垂直土压W1=rH(N/cm2)式中:r为管顶网填土的重力密度,取0.018N/cm2;为管顶以上覆土的高度(em).1.2活荷载地面堆积荷载按1.0N/cm2计.(2)车辆荷载:以实际汽车荷载计算,一般来说,在道路下可以采用公路一I级,荷载分布:纵向用一个汽车的后轮轮压,横向用两辆汽车的两排后轮轮压验算,一6R一二者取较大值计算.其判别方法以d/(n一1)的值确定:当d/(n一1)1.42时按单轮计,当d/(n一1)<1.42时按多轮计.单个轮压传递到管顶的竖向压力:DPc/(a+1.4H)(b+1.4)(N/cm2)两个以上轮压综合影响传递到管顶的竖向压力nf=口8Pc/(2a+140+1.4)(+d+1.4H)式中:n为1根车轴上同时作用的轮压数,取4个;P为车辆的单个轮压,取70000N;d为相邻两个轮压问的净距离(em),d=180+130+180=490era;a为车轮着地长度,取20cm;b为车轮着地宽度,取60cm;/2D为车辆荷载的动力系数,与覆土深度H有关,按表1动力系数表1采用.拉由此,可以得到卫业不同埋深情况下的管顶竖向荷载(N/cm2),见表2表2不同埋深的管顶竖向荷载(N/cm2)埋深垂直l土公路一l级,w2堆积荷载总计荷(Cff1)压W.列双列(N/cm2)载备注500.96.881.O7.78751.353.39I.O4.74loo1.8O2.191.O3.99125',气1.741.O3.991502.701.531.04.231753.151.351.04.5O2oo3.6oI.201.O4.802504.500.981.05.50当H>250时,3oo5.400.811.06.40=0.018H+1;SP】ALS田ll1【IflIb30O7N0.32007甄宏志:浅谈埋地硬聚氯乙烯(PVC.u)排水管道的结构设计从表2可以看出,当管道埋深:50<250cm时,为垂直土压+汽车荷载,为一些特定的值;当日>I250cm时,因为汽车荷载的影响不及堆积荷载,故为垂直土压+堆积荷载,即有Wo=0.018H+1.设计时,根据管道的埋深,从表2即可方便地得到管顶竖向荷载%的值.2管道结构计算典型的埋地PVC.U排水管横断面设计如图1所示旦笪壁塞廑堕星墅墨鲤要求;如果地面是农田则原土回回揍互届廷塞廑塾回填石屑,压实度为90,环向拉应力a应小于或等于允许环向拉伸应力a,取单位长度(1cm)的圆环进行分析,则有:a=(Porc/t)±(M/W),当aD=1250N/cm2为安全.式中:Pn为管道设计内水压力(N/am2),当为排水管重力流时Po:0;t为管道的壁厚(am);W为单位管长的管壁截面系数,对平壁管:W=t×t/6(cm3/cm);M为管壁的弯矩(N.am)采用石屑基础的管道,弯矩在管环中的分布如图2.最大正弯矩发生在管底:M=】Grc=】皿_皿G(N/.)(WoD)re,式中:K1为土弧基图1管道横截面(单位:mm)管道基础应采用粗砂或石屑2030cm厚.地基处理可根据不同的地质情况,地面情况分别采取纯天然地基,换填砂石地基,压角石地基,水泥土深层搅拌桩(或高压旋喷桩)复合地基等不同的形式,这里不详细讨论.下面着重讨论管道的结构计算问题.PVC-U管应当按柔性管进行计算,其判别式为:=(E/Ed)(t/r).当1时为刚性管道,当<1时为柔性管道.式中:E为管材的弹性模量,PVC.U管取3×lO5(N/cm2);Ed为管侧土的综合变形模量(N/cm2);t为管道的壁厚(am);re为管道的平均半径,即自管中心至管壁中线的距离(cm).PVCU管道结构的计算分析模型:由于埋地管道周围是土壤,在垂直土压,地面活载作用下,管道会产生竖向直径减小,水平直径增大的变形.在水平直径变大的过程中,管子挤压管侧的土壤,使管侧土产生回弹抗力,该回弹抗力约束管子的水平直径变大,加强了管道承受垂直荷载的能力.因此,埋地柔性管道的结构设计,应将管道及其周围的土壤视为一个完整的结构体系,即按管土共同作用来考虑.对PVC.U管应进行强度,变形,稳定,抗浮等验算.2.1管道环截面的强度计算管道在内压,外压联合作用下,管道截面内的础弯矩系数,当基础支承角a:120.时K1=0.155;Wo为管顶处的竖向荷载(N/cm2);D为管道的外径(am);rc为管道的平均半径(am),re=(Dt)/2;为折减系数,由于柔性管道在垂直荷载作用下,管道的水平直径会变大,在变大的过程中,挤压管侧回填土,使回填土产生回弹抗力,在回弹抗力作用下,管环弯矩就会,变小,故有这个折减系数.与管道水平变形有关,同时还与管道内水压力和垂直荷载产生在管壁中的法向力有关.关于管侧土回弹抗图3s婴管道力的分布模式与分布范变形计算简:.':抛物线形,作用范围J3=100.较为切合实际.如图3所示,折减系数T7按下式计算:=1/(1+(1/E)(rc/t)(0.732Ed+4(P0一w),式中:E为管材的弹性模量,PVCU管取3×1o5(N/cn);Ed为管侧土的综合变形模量(N/cm2),应根据管侧回填土的土质,压实度和沟槽两侧原状土的土质综合评价确定,按下式计算:Ed:Eo,式中=1/(a1+0c2Eo/E),a1=(Bt/D一1)/(1.44×(1.154+0.444(Bt/D一1),=1一a1,Bt=D+2b;Bt为管道沟槽开挖的宽度(am);b为沟槽内管子一侧的净空(Cn1),一般可取值50D(am);D为管道的外径(am);Eo为管侧回填土的变形模量,当回填土为粗砂或石屑,压实度I>95%时可取700N/cm2,回填的材料和压实度对管道的受力状态和变形影响极大,必须特种结构2007年第3期严格控制;E为沟槽两侧原状土的变形模量(N/cm2),按地质资料试验数据取值.设计时,根据工艺给出的管道公称直径,查出相应PVC.U管的外径D,假设一个管壁厚度t,即有管子的w和rc;根据管道的埋深H得出垂直荷载Wo;选定一个沟槽管一侧净空b及沟槽原状土的变形模量E,即可计算出Ed;然后计算出折减系数T7,从而可求出弯矩M,最后计得管道截面内的环向拉应力o,与o进行比较.PVC.U管在实际使用中应力.比较低,强度不是主要的控制因素,管道在使用状态下,变形的控制才是主要的.2.2管道的竖向变形计算埋地PVC.U管道在外压荷载作用下,管径竖向的直径变形率应小于或等于管材的允许直径变形率,即5%.计算公式:AX/D=XKaWoXDr3100/(E10.061Edrc3),式中:Ka为基床系数,与管道支承角&有关,当a=120.时取Ka=0.09;为回填土变形滞后系数,可取=I.5;I为管壁横截面上单位长度的惯性矩,I=t3/12(cm4/cm);x为管径竖向的直径变形量(cm).当AX/D<5%时为安全,否则需要加大管壁厚度t,即增大管道的环刚度SN=EI/D3,再验算,直到满足AX/D<5%的要求.2.3管环的稳定验算管道在外部荷载,管内真空压力作用下,不出现失稳现象,应满足下式要求:K=Pk/(Wo+P)2,式中:Pk为管壁截面的失稳临界压力(N/cm2),Pk=2E/(I一)(t/Dc);为管材泊松系数,PVC.u管取0.36;t为管道的壁厚(cm);Dc为管道平均直径(cm),Dc=Dt;P为管内真空压力,当为给水管有压时取P=5N/cm2,当为排水管无压时取P:0;K为安令系数,取2.0.当K2时为安全,否则需要加大管壁厚度t,再验算,直到满足K2的要求.2.4管道的抗浮稳定计算管道的抗浮稳定可按下列公式验算:K(rH+rH2)/(rwZ)1.10,式中:Kf为抗浮安全系数,不得小于1.10;H为地下水位以上覆土的高度(eft1);H,为管顶至地下水位标高的土层厚度(cm);z为可能出现的最高地下水位标高至管底的高度(em);r为管顶回填土的重力密度,取0.018N/cm3;r为地下一70一水位以下回填土的有效密度,取0.008N/cm3;1w为水的重力密度,取0.01N/cm3.3结语在实际设计中,笔者把管道的结构计算内容用Excel工具软件编成计算表格,只要改变设计条件,即可得到计算结果,极大地提高r设计的效率,使设计人从繁杂的计算中解脱出来,把注意力放在分析计算结果的合理性上,通过调整设计参数,直到得到满意的结果,例如:某种管径的PVE.u管,在一定的覆土深度下,管环刚度SN需要达到多少才是安全的.计算时是用平壁管来算的,但计算结果完全适用于双壁波纹管,环形肋管,螺旋肋管等异型管,只要生产厂商提供的管材的管环刚度sN达到计算要求值,就是安全的.当然