水工管道支墩稳定分析程序开发

何姜江 饶俊勇

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

水工管道支墩稳定分析程序开发

何姜江 饶俊勇

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

介绍了水工管道支墩的类型，研究了支墩稳定计算的方法与原理，并基于VB语言，编制了支墩稳定计算程序，实现了支墩稳定计算自动化，提高了水工管道支墩的设计效率，获得了良好的社会和经济效益。

水工管道，支墩，稳定计算原理，计算程序

0 引言

为了节约工程投资，很多电厂均采用了PCCP循环水管，而PCCP管道需要在接口的地方设置受力支墩；另外，厂外补给水管以及部分电厂技改项目涉及的灰管线也有管道受力支墩。在上述管道受力支墩中尤其以PCCP循环水管的支墩受力最大，支墩类型较多，稳定分析计算最繁杂，单个支墩的混凝土方量较大。根据收集的工程数据，每个循环水管支墩的混凝土用量约500 m3～800 m3。在支墩设计中，需要不断调整支墩尺寸，试算支墩稳定，重复计算工作量较大，造成设计效率较低，支墩尺寸不够合理，工程投资不够经济。因此，有必要对电厂涉及到的水工管道支墩进行精细化设计，确保结构安全、节约工程造价。

通过对水工管道支墩的算法进行研究，编制支墩稳定分析计算程序，以便能够根据支墩的不同类型、不同受力和稳定要求，快速计算出支墩的尺寸大小，做到计算快捷、方便，支墩尺寸合理，结构安全可靠、工程投资较省,可为可研、初步设计提供比较准确的工程量，为施工图设计提供技术保证；可提高设计效率、及时满足现场的施工进度需要，可产生积极的影响和获得良好的社会、经济效益。

1 计算原理

1.1 技术路线

根据水工管道支墩的几何参数、作用力及地基特性，采用理论力学算法进行力的分解，进行稳定计算，并判断稳定计算结果是否满足规范要求，最后输出计算结果，生成计算书。

1.2 支墩类型及计算简图

根据我院已有工程，结合支墩受力特性，常见支墩可分为凹型和凸型两大类，每大类各三种型式，共六种型式，见图1，其中Ⅰ～Ⅲ型为凹型，Ⅳ～Ⅵ型为凸型。

计算简图见图2，图3，根据支墩的特点和受力特性，采用理论力学和土力学等理论，推导支墩稳定分析计算原理，如下：

将空间力投影到XY平面，F1′=F1，F2′=F2cosβ。

空间力的竖向分力：F1Z=0,F2Z=F2sinβ。

将平面力分解到X，Y轴线方向：

F1X=F1′cos(α/2)，F1Y=F1′sin(α/2)；

F2X=F2′cos(α/2)，F2Y=F2′sin(α/2)；

X,Y方向轴线方向合力：

FX=F1X+F2X,FY=F1Y+F2Y。

计算中正、负号规定：

管道力顺灰水流向方向水平力为正，反之为负；β角在X轴以上为正，在X轴以下为负；Z轴正向力为拉力，负向力为压力。

1.3 支墩稳定计算原理

支墩前推力、支墩后推力、管中心标高、设计地面标高、水平转角、前管段纵向转角、后管段纵向转角等设计数据均水力计算及管线布置计算。

前管段力分解XY=支墩前推力×cos(前管段纵向转角)。

前管段力分解Z=支墩前推力×sin(前管段纵向转角)。

后管段力分解XY=支墩后推力×cos(后管段纵向转角)。

后管段力分解Z=支墩后推力×sin(后管段纵向转角)。

前管段水平力分解X=前管段力分解XY×cos[水平转角α×3.141 592 6/(2×180)]。

前管段水平力分解Y=前管段力分解XY×sin[水平转角α×3.141 592 6/(2×180)]。

后管段水平力分解X=后管段力分解XY×cos[水平转角α×3.141 592 6/(2×180)]。

后管段水平力分解Y=后管段力分解XY×sin[水平转角α×3.141 592 6/(2×180)]。

X向合力=前管段水平力分解X+ 后管段水平力分解X。

Y向合力=前管段水平力分解Y+ 后管段水平力分解Y。

Z向合力=前管段力分解Z+ 后管段力分解Z。

支墩空间尺寸参数：

支墩地上部分高度=管中心标高-设计地面标高。

C1,D0,H2,D3,L0根据实际情况调整。

C2=C1+D0×tan{水平转角×3.141 592 6/(2×180)}。

D1=C1×sin{水平转角×3.141 592 6/(2×180)}。

D2=D0/{cos水平转角×3.141 592 6/(2×180)}。

地下部分平面尺寸：

D=D1+D2+2×D3。

L=2×C2×cos{水平转角×3.141 592 6/(2×180)}+ 2×L0。

支墩自重={(C1+C2)×D0×H1+D×L×H2}×24。

水平力臂至基底距离=支墩地上部分高度H1+支墩地下部分高度H2。

支墩稳定计算：

X向抗滑系数={(支墩自重-Z向合力)×0.3}/{X向合力(取绝对值)+X向主动土压力-X向被动土压力}。

Y向抗滑系数={(支墩自重-Z向合力)×0.3}/{Y向合力(取绝对值)+Y向主动土压力-Y向被动土压力}。

X向抗倾覆系数={(支墩自重-Z向合力)×L/2+X向被动土压力×支墩地下部分高度/3}/{X向合力(取绝对值)×水平推力至基底力臂+X向主动土压力×支墩地下部分高度/3}。

Y向抗倾覆系数={(支墩自重-Z向合力)×D/2+Y向被动土压力×支墩地下部分高度/3}/{Y向合力(取绝对值)×水平推力至基底力臂+Y向主动土压力×支墩地下部分高度/3}。

X向最大基底应力=(支墩自重-Z向合力)/(D×L) + 6×{X向合力(取绝对值)×水平推力至基底力臂+X向主动土压力×支墩地下部分高度/3-X向被动土压力×支墩地下部分高度/3}/(L2×D)。

如果X向最小基底应力小于0，则：

X向最大基底应力=2×(支墩自重-Z向合力)/{3×D×(L×0.5-{X向合力(取绝对值)×水平推力至基底力臂+X向主动土压力×支墩地下部分高度/3-X向被动土压力×支墩地下部分高度/3}/(支墩自重-Z向合力))}。

X向最小基底应力=(支墩自重-Z向合力)/(D×L)-6×{X向合力(取绝对值)×水平推力至基底力臂+X向主动土压力×支墩地下部分高度/3-X向被动土压力×支墩地下部分高度/3}/(L2×D)。

Y向最大基底应力=(支墩自重-Z向合力)/(D×L) + 6×{Y向合力(取绝对值)×水平推力至基底力臂+Y向主动土压力×支墩地下部分高度/3-Y向被动土压力×支墩地下部分高度/3}/(D2×L)。

如果X向最小基底应力小于0，则：

Y向最大基底应力=2×(支墩自重-Z向合力)/{3×L×(D×0.5-{Y向合力(取绝对值)×水平推力至基底力臂+Y向主动土压力×支墩地下部分高度/3-Y向被动土压力×支墩地下部分高度/3}/(支墩自重-Z向合力))}。

Y向最小基底应力=(支墩自重-Z向合力)/(D×L)-6×{Y向合力(取绝对值)×水平推力至基底力臂+Y向主动土压力×支墩地下部分高度/3-Y向被动土压力×支墩地下部分高度/3}/(D2×L)。

X向最大基底应力+Y向最大基底应力<1.2×经深度修正后的地基承载力特征值。

2 算例测试

采用某工程水工管道支墩的设计参数进行稳定计算，计算程序界面见图4。

2.1 输入数据

1)设计输入数据:

支墩前推力F1:797.9 kN；

支墩后推力F2:-658.3 kN;

地面标高Hd:344.200 m;

管中心标高Hz:345.092 m;

管水平转角α:5.370°;

前管段纵向转角β1:-0.917°;

后管段纵向转角β2:0.917°。

2)支墩几何参数:

管顶最小尺寸Hmin:0.335 m;

支墩地下部分高度H2:1.500 m；

地上部分平面尺寸C1:1.435 m；

地上部分平面尺寸D0:3.150 m；

Y轴增加尺寸D3:0.000 m;

X轴增加尺寸D3:0.000 m。

3)地基土参数:

土容重γ:19.000 kN/m3;

土内摩擦角φ:25.000°；

被动土压力折减系数K:0.300；

支墩底部摩擦系数μ：0.300；

地基承载力P：150.000 kPa。

2.2 计算结果

根据拟定算法，程序支墩稳定分析结果如图4所示。

3 结语

基于VB语言开发了水工管道支墩稳定计算程序，减少了支墩稳定计算工作量，提高了工作效率，可产生积极的影响和获得良好的社会、经济效益。

[1] 水工管道支墩稳定分析程序研发[R].成都:西南电力设计院有限公司,2015.

[2] DL/T 5339—2006，火力发电厂水工设计规范[S].

[3] 给水排水工程结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社,2007.

[4] 明日科技.Visual Basic从入门到精通[M].北京：清华大学出版社,2012.

Development of program for stability calculation of anchor block

He Jiangjiang Rao Junyong

(SouthwestElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd,ChinaPowerEngineeringConsultingGroup,Chengdu610021，China)

Introduces the type of hydraulic pipeline buttress, researchers the method and principle for the buttress stbility calculation. Based on VB, a program is developed to calculation for anchor block stability. The calculation of the stability of the abutment is realized automatically, which improves the design efficiency, obtains good social and economic benefits.

anchor block， abutment, stability calculation principle， computation program

1009-6825(2017)05-0256-03

2016-12-07

何姜江(1984- )，男，硕士，高级工程师

TP311.1

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