给排水管道支墩设计.docx
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给排水管道支墩设计.docx
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给排水管道支墩设计
给水管道支墩设计
一、设置要求及支墩种类
在敷设给水管道时,为防止管道内水压力通过弯头、三通、堵头及叉管等处产生拉力,以致接头产生松动脱节现象,应根据管内压大小,土壤条件好坏,考虑是否需要设置支墩。
支墩设计分为两类,一是抵抗水压推力的支墩,二是埋地爬坡管道防滑支墩。
其作用分别阐述如下:
1.抵抗水压推力的支墩:
由于管道中水流压力作用于管线上弯头、三通、堵头等管件的各承插接口断面上,而各接口分力作用方向又不同(均垂直于接口断面指向管件内部),管件所受各分力组合将产生一合推力,此推力如大于靠背土壤及管件自身的抵抗力,则管件将沿合力方向移动,最终使接口松脱,破坏管道系统正常运行。
为此须在上述管件的合力方向上设置支墩,以防止管件移动。
2.埋地爬坡管道防滑支墩:
由于管线敷设坡度过大,管道及水的自重产生的下滑力大于土壤对管道的摩擦抵抗力,导致管道沿其轴线方向向下滑动,最终将使承插接口松脱,破坏管道系统正常运行。
为此须在上述管道上设支墩,防止管道下滑。
二、抵抗水压推力的支墩设计
按管件类型不同分为弯头支墩、三通支墩和堵头支墩三种,其中弯头支墩又分为水平弯头、垂直向上弯头和垂直向下弯头三种情况。
1.推力的计算
承插接口断面分力为:
其中:
P——承插接口断面推力(KN)
D——管道内径(m)
P0——管道试验压力(MPa)
注:
采用柔性接口管道不计接口的抵抗力根据管件类型不同,其合推力大小及方向如下图所示(R为合力):
2.支墩尺寸设计
以下以管道试验压力3.0MPa的DN400的球墨铸铁管为例。
(1)水平弯头(以DN150管道45°弯头为例)
1)合推力计算
管道计算内径0.4m,试验压力按3.0MPa计,则承口断面推力P为:
P=785D2P0=785×0.4^2×3=376.8(KN)
合推力:
R=2Psin(a/2)=2×376.8×sin(45°/2)=288.25(KN)
2)支墩尺寸设计
采用试算法,先确定支墩尺寸,再根据支墩尺寸计算总抵抗力T:
其中:
T=T1+T2T——总抵抗力(KN)T1——被动土压力(KN)T2——底面摩擦力(KN)
经试算(过程略),支墩尺寸采用L=2.2m,B=1.5m,H=1.4m,管顶覆土最小深度1.5m详见下图:
按上述支墩尺寸计算总抵抗力:
1
被动土压力T1按下式计算:
其中:
T1——被动土压力(KN)
土壤内摩擦角,一般性土质按30°计算
支墩靠背土壤密度(KN/m3),按19KN/m3计
h1——支墩顶覆土,按最不利情况取1.0米
h2——支墩底埋深,按最不利情况取2.4米
l——支墩长度(m)
将计算数据代入公式,得T1=297.72(KN)
2支墩地面摩擦力T2按下式计算:
T2=Gf
其中:
T2——底面摩擦力(KN)
G——支墩混凝土、管道及水的总重(KN)
f——支墩与土壤间的摩擦系数,取0.4
支墩混凝土重:
G1=0.75×(L×B×H-0.5×0.785×D2×L)×24=80.67(KN)注:
混凝土密度按24KN/m3计
管道及水重:
G2=0.785×D2×L×10+0.755×L=4.42(KN)
注:
DN400球墨铸铁管道自重为0.755KN/m
总重G=G1+G2=80.67+4.42=85.10(KN)
将数据代入公式,得T2=34.04(KN)
3总抵抗力T=T1+T2=331.76(KN)T/R=1.15>1.1满足要求。
3)所需地基承载力计算
N=1.1(G+S)/(L×B)
其中:
N——地基承载力(KN/m2)
G——支墩混凝土、管道及水的总重(KN)
S——支墩上部回填土重(KN),根据管道埋深不同,取值1.0m
注:
1.1为安全系数
回填土重S采用下式计算
S=(L×B×h3)×19
其中:
S——支墩上部回填土重(KN)h3——支墩上部回填土高度,根据管道埋深不同,取值
1.0m
注:
回填土密度按19KN/m3计
将计算数据代入以上两式,N=49.27KN/m2
3)计算结果
总抵抗力T=331.76KN>计算推力1.1R1=317.08KN
所需地基承载力N=49.27KN/m2<实际地基承载力(一般土质取
120KN/m2)以上两结果均满足设计要求,支墩尺寸设计合理。
2)垂直向上的弯头(以11.25°弯头为例)
1)合推力计算
计算方法与水平弯头相同,得计算推力R1=73.83(KN)计算推力在水平方向的分力为RX=7.23(KN)计算推力在垂直方向的分力为Ry=73.47(KN)
2)支墩尺寸设计
因小角度垂直向上的弯头合推力在垂直方向的分力占主导作用,且方向向下,因此控制支墩所需的地基承载力是支墩尺寸设计的关键指标。
经试算,支墩尺寸采用L=0.6m,B=1.2m,H=0.7m,详见下图
按上述支墩尺寸计算所需地基承载力:
支墩混凝土重:
G1=(L×2-H×tg(a/2))×(B×H-0.785×D2×0.5)24=21.10(KN)
管道及水重:
G2=0.785×D2×L×10+0.755×L=1.21(KN)
总重G=G1+G2=21.1+1.21=22.30(KN)所需地基承载力为
N=1.1(G+S+Ry)/((L+L×cos(a))×B)=109.75(KN)另外,对大角度(45°以上)垂直向上的弯头还需补充校核水平推
力的抵抗力,本例水平推力影响很小,不对支墩安全构成影响
3)计算结果
所需地基承载力N=109.75KN/m2<实际地基承载力(一般土质取
120KN/m2)结果均满足设计要求,支墩尺寸设计合理。
3)垂直向下的弯头(11.25°弯头为例)
1)合推力计算
计算方法与水平弯头相同,得计算推力R1=73.87(KN)
计算推力在水平方向的分力为RX=7.23(KN)
计算推力在垂直方向的分力为Ry=73.47(KN)
2)支墩尺寸设计
因小角度垂直向下的弯头合推力在垂直方向的分力占主导作用,且方向向上,因此控制支墩的重量以抵抗上推力是支墩尺寸设计的关键指标。
经试算,支墩尺寸采用L=1.8m,B=1.2m,H=1.5m,详见下图:
支墩混凝土重:
G1=(L×B×H-0.785×D2×L)×24=72.33(KN)
管道及水重:
G2=0.785×D2×L×10+0.755×L=3.62(KN)
总重G=G1+G2=72.33+3.62=75.95(KN)管道无压力时所需最大地基承载力经计算为N=34.11(KN)另外,对大角度(45°以上)垂直向下的弯头还需补充校核水平推力的抵抗力,本例水平推力影响很小,不对支墩安全构成影响。
3)计算结果
总重G=75.95(KN)>垂直向上的分力Ry=73.47(KN)所需地基承载力N=34.11KN/m2<实际地基承载力(一般土质取120KN/m2)结果均满足设计要求,支墩尺寸设计合理。
(4)水平三通
水平三通除合推力R=P与水平弯头不同之外,其支墩设计计算过程与水平弯头相同。
三、埋地爬坡管道防滑支墩设计采用穆松桥设计手册中的经验公式计算,以DN400,竖向角度a=23°爬坡管道为例计算如下:
单根管道及水重:
G=0.785×D2×6×10+0.755×6=12.07(KN)
其中:
D——管道内径(m),此处为0.4m
注:
单根DN400球墨铸铁管道长度6m
管道下滑力:
F=G×(sin(a)-f×cos(a))=0.27(KN)
其中:
f——支墩、管道与土壤的摩擦系数,一般性土质取0.4支墩长度:
6Fcos(a)
B
其中:
B——支墩宽度(m),取DN+0.4m=0.8m——支墩混凝土密度(KN/m3),按24KN/m3计
将数据代入公式,得L=0.28m,取0.3m支墩高度:
H=0.5×L×tg(a)+A
其中:
A——支墩底座高度(m),最小0.1m,此处取0.2m将数据代入公式,得H=0.26m
详见下图:
立面图
校核条件:
F×cos(a)/G1≤0.9tg(φ)
其中:
G1——支墩重量(KN)
φ——土壤内摩擦角,一般性土质按30°计算经校核,满足要求。
四、支墩施工注意事项
1.支墩不应修筑在松土上,支墩底座和靠背(利用被动土压力的受力面)必须为原状土,并保证支墩和土体紧密接触,如有空隙需用与支墩相同材料填实。
2.水平支墩靠背土壤最小厚度应大于支墩底面埋深的3倍。
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