谈直埋供热管道固定支墩的优化设计

王 琴

(太原市热力集团有限责任公司，山西 太原 030012)

我国北方冬季一般较长，且环境问题比较突出，越来越多的城市采用集中供暖的方式来缓解日益严峻的环境问题。集中供暖是指由集中热源(一般为电厂)工业生产中产生的蒸汽、热水，通过供热管网传递给一个城市或部分区域以满足其生产、采暖和生活所需的热量的方式。集中供暖不仅给城市提供稳定、可靠的热源，改善人民物质生活，而且能节约能源，减少城市污染，有利于城市美化，有效地利用城市有效空间。供热管网的敷设方式可分为地沟敷设、架空敷设和直埋敷设三种。地沟敷设由于施工周期长，工程造价高，对城市环境影响大等缺点，逐渐被具有施工周期短，工程造价低，施工期间对道路居民环境影响小等特点的直埋敷设取代，供热管道现普遍采用直埋方式进行敷设。固定支墩作为直埋管线敷设的主要支撑结构，通过对固定墩受力分析研究和优化设计为大口径直埋供热管道工程施工降低工程造价，加快施工进度和管网的安全生产运行具有重要的意义。

1 固定支墩受力分析

直埋供热管道固定支墩主要承受的荷载可以分为水平荷载、垂直荷载以及扭矩(供、回水供热管道运行时所承受轴向力不等)。水平荷载为管道在介质冷热运行过程中产生的轴向应力、固定支墩由于受到轴向应力产生位移承受的主动土压力和被动土压力、固定支墩与直埋回填材料间的摩擦力。垂直荷载为固定支墩的自重、固定支墩上覆土的自重、地面交通的活荷载以及供热管道和管道内介质的重力。供热管道在运行期间，固定支墩受到水平荷载和垂直荷载的合力作用，因此在固定支墩的设计时必须全面的考虑各类载荷的作用。以固定支墩宽、高、厚分别为b，h，d为例，固定支墩上覆土厚度为h1，地面交通活荷载为G1，固定支墩、供热管道和管道内介质自重总和为G，固定支墩承受的轴向应力为T，固定支墩承受的主动土压力、被动土压力分别为Ea，Ep，固定支墩的底面、侧面、顶面与直埋回填料之间的摩擦力分别为f1，f2，f3，供热管网运行时承受的扭矩为T，固定支墩受力如图1所示。

供热管网在运行期间，直埋供热管道的供、回水管由于温度的差异，产生的轴向应力不同，固定支墩在设计时分为两种：

1)按固定支墩锚死状态设计时，固定支墩受轴向力、扭矩、切向力的作用；

2)按固定支墩允许有位移发生设计时，固定支墩受轴向力、扭矩、扭转角作用。当直埋供热管道的供、回水管内介质温度相等时，按固定支墩锚死设计或允许有位移设计时，固定墩仅受轴向力的作用。根据固定支墩的受力方式，传统的设计方法只考虑了固定支墩受温度和荷载作用的影响，对主、被动土压力和填料摩擦力对固定支墩的作用影响考虑不足。在进行固定支墩设计时，应充分全面考虑各种类型荷载对固定支墩的影响，才能更加符合固定支墩在实际使用过程中的受力，保证设计的结果尽可能准确。

2 固定支墩的设计原则

2.1 固定支墩类型

直埋供热管道固定支墩根据形状不同可以分为六种，分别为矩形、倒“T”形、翅形、板凳形、单井固定墩、双井固定墩，具体如图2所示。在设计中，根据直埋供热管道的具体实际情况，选择不同的类型，以达到缩短施工周期、降低工程造价和安全稳定的目的。

2.2 固定支墩的稳定性计算

固定支墩在设计中要满足抗滑移验算、抗倾覆验算以及地基承载力验算。

抗滑移验算：

(1)

其中，KS为抗滑移系数；K为固定支墩被动土压力折减系数，一般取0.4～0.7；Ep为被动土压力，kN；Ea为被动土压力，kN；Ff为直埋供热管道固定支墩与回填料的摩擦力总和，kN；F为直埋供热管道对固定支墩的最大推力值，kN。

其中，最大推力值F一般为水压试验推力、运行期间管道对固定支墩的推力以及设计固定支墩所承受单根还是双根管道推力中的最大值。固定支墩与回填材料的摩擦系数，计算固定支墩底面、侧面和顶面分别与回填材料的摩擦力时，摩擦系数按表1选取。

表1 固定支墩与回填材料的摩擦系数

抗倾覆验算：

(2)

其中，Kov为抗倾覆系数；d2为被动土压力作用点支固定支墩底面的距离，m；d1为主动土压力作用点支固定支墩底面的距离，m；d3为主动土压力作用点支固定支墩底面的距离，m；L为固定支墩的厚，m；G为固定支墩的自重和上覆荷载总和，kN。

地基承载力验算：

σmax=1.2f

(3)

其中，σmax为固定支墩对地基的最大压应力，Pa；f为地基承载力设计值，Pa。

3 固定支墩受力的影响因素

在实际的施工和运行工况下，固定支墩的受力情况往往较为复杂，不仅仅包括上文提到的受力类型，还包括在供热管道的安装方式、供热设备和土压力等对固定支墩受力的影响。

3.1 直埋供热管道不同安装方式对固定支墩的受力影响

直埋供热管道在实际工程中根据具体设计要求采用不同的安装方式，一般为无补偿冷安装和有补偿冷安装。无补偿冷安装，施工简单，安装方便、施工时间短，但当设计的固定支墩所需承受轴向应力较大时，固定支墩的结构尺寸也必须较大以保证在各种载荷作用下供热管道的安全和平稳。直埋供热管道采用无补偿冷安装时，固定支墩的所承受的推力往往随着管道的不同布置型式、设置的不同类型附件以及供热管道直管段的长度等因素而变化。

有补偿冷安装，一般在设计时需设置较多的固定支墩和补偿器，以使供热管道对固定支墩的轴向应力较低，固定支墩的尺寸往往较小，施工对周围居民和交通影响小，是目前采用较多的敷设方式。直埋供热管道采用有补偿冷安装时，需要在管线上设置较多的补偿器，补偿器的不同类型和安装的不准确往往造成供热管道的轴向应力与设计时不相符。

3.2 直埋供热管道安装不同设备对固定支墩的受力影响

直埋供热管道上需要安装多种供热设备才能保证供热系统的安全平稳运行，如阀门、弯头、封头、变径管以及各类套筒补偿器等设备。供热设备在供热系统运行期间，会产生内压力。内压力一般多出现在弯头、管道变径及补偿器处，供热系统的运行压力越大以及管道的管径越大，作用在固定支墩上的内压力也越大。

3.3 土压力对固定支墩的受力影响

直埋供热管道的固定支墩在实际运行期间承受的土压力为主动土压力和被动土压力。土压力的大小和分布根据回填材料、固定支墩位移情况和固定支墩的截面刚度等因素发生改变而改变。

4 固定支墩的优化设计

1)采用换填法，提高回填材料的摩擦系数。将固定支墩基础底部粘性土换填为500 mm厚的碎石垫层，底部材料的摩擦系数可提高至0.60；将固定支墩周围的细砂换填为粗砂，内摩擦角可增加至30°，使得固定支墩承受的被动土压力增大，主动土压力减小。

2)设计时，采用允许固定支墩位移的计算方法。固定支墩的位移可以抵消部分管道运行时对支墩施加的轴向力，同时增加固定支墩底部所承受的回填料的摩擦力。

3)增加回填料的密实度，使固定支墩底面、侧面和顶面承受的回填料摩擦力和被动土压力增加。

5 结语

在直埋供热管道的固定支墩设计时，应根据固定支墩的受力分析和受力影响因素，综合全面考虑荷载作用，在保证供热系统运行稳定性和可靠性的前提下，通过增加固定支墩承受的摩擦力、主动土压力、被动土压力和允许支墩位移来抵消轴向力的方法降低固定支墩的受力，以解决固定支墩设计体积大、施工造价高、施工难度大的难题。