1、直埋管道固定墩設置探究摘要：管道固定墩計算結果通常非常驚人，管線固定墩的推力動輒幾十噸，固 定墩的尺寸也到了數米的程度。如此巨大的固定墩消耗了相當多的混凝土， 并且增加了巨大的施工難度。如何更準確的計算固定墩的實際所需推力，并 減少固定墩的尺寸及安裝空間，無疑是一個需要探討的課題。關鍵詞：固定墩；推力；伸長量；少量位移1概述當管道因溫度變化發生熱脹冷縮是，若管線受到約束，管線內便產生熱應力。為 保護管道與管接頭、管道彎頭、及其他一些附件正常安全工作，就必須在管道上設置固 定墩以限制管段的位移在允許的范圍z內。管道固定墩計算結果通常非常驚人，管線固 定墩的推力動輒幾十噸，固定墩的尺寸也到了數米的

2、程度。如此巨大的固定墩消耗了相 當多的混凝土，并u增加了巨大的施工難度。如何的計算固定墩的實際所需推力，并減 少固定墩的尺寸及安裝空間，無疑是一個需要探討的課題。2工程實例在直羅富縣原油插輸工程屮，輸油管道規格為163x5.6 （6.3） psl2b級鋼管， 40mm厚泡沫黃夾克保溫，總長度92.88km,沿線多為山地、河谷等。管道共設有80余 個固定墩，分別設于管道出土段、穿跨越等處。管道運行溫度為60°c,安裝溫度為20°c, 溫差為40°co固定墩設計推力為5t,單個固定墩尺寸為1.4mxl.5mxl.2m,消耗混凝土 約 2.5m'。通常，固定墩的

3、計算公式為：n=feaat式中f管壁截面積（亦）；e管材彈性模量（pa）, 般取2.06xl0upa；a管材線膨脹系數（cm/cm°c）,鋼管為1.2xl0-5/oc；at安裝溫度和運行溫度差（°c）。此計算結果僅考慮限制管線變形產生的應力，論計算推力很大。一般對固定支墩 的推力為公式計算值乘一個折減系數。折減系數取1/21/3。直羅富縣原油插輸工程中，管道最高運行溫度為60°c,安裝溫度為20°c,計算 推力為30t。實際需要的推力可能要遠小于計算推力，是因為：(1) 固定支墩不能絕對固定，稍有位移將使推力減小。(2) 埋地彎頭或管道的出土段的彎頭處都

4、有土壤反力的作用，它與推力方向相反, 因此使推力減小。土壤對彎頭的推力與彎頭位移、土壤性質和夯實程度等有關，難以精 確計算。3管道的伸長量管道埋于土壤中，伸長或者收縮受到土壤摩擦力的作用。摩擦的阻力的大小與管 線的長度成正比，當管線達到一定長度是，摩擦阻力將平衡溫度應力引起的軸向力，管 線不能伸縮。土壤中管線不能伸縮的最小長度is (m)為ls=aeat7ida8/f2(pv+ps)d 杓式中da管線的平均直徑，m；8管線壁厚，m；f管線與土壤的摩擦系數，一般f=0.30.6； q單位長管線(包括管內介質)的重量，n/m；pv管線頂部埋土壓力，n/m；ps管線兩側所受的被動土壓力，n/m。式中

5、q的取值一般占分母的3%10%,實際計算可將q忽略。通過簡化可能到：ls=aeat5/0.847ptghf式中pt土壤的密度，kg/m3 ；h管線埋深，m。管線出土端的長度超過is以上的部分不能伸縮，而在is范圍內管線向出土段一端 伸長(或收縮)量將因為土壤摩擦力的影響而減少一半，及出土端伸長量為：als=0.5aat is直羅富縣原油插輸工程中，管道管頂埋深為1.2m,計算管道在土壤中不能伸縮 的最小長度ls=51.47m；出土端伸長量為0.012m。0.012 m的變形量會產牛多大影響呢？在埋地管道中的彎頭相當一個自由端或半自由端，與彎頭兩端相連的部分為過渡 段。當彎頭曲率半徑由于位置的限

6、制而取得較小時(如進出站或穿跨越處)，其吸收變 形的能力很小，兩個過渡段的變形將集中在彎頭上，這樣可能使彎頭的斷面變扁、屈 曲而破壞。彎頭允許有一定的變形。彎頭允許變形的限度以不產生永久變形和不產生屈曲為原 則，求出彎頭兩端允許的位移量。其位移的具體數值與彎頭的幾何尺寸(直徑、壁厚)有 關，與彎頭的角度、方向等有關，應對此進行理論分析和實際的測定。考慮到一定的安全度以后，彎頭兩端允許多少位移就給予多少位移，亦即允許固 定墩有多少位移。固定墩有位移以后，兩端由嵌固變成了某些放松，這樣固定墩所需承 受的推力大為降低。如果彎頭可以吸收全部由過渡段傳來的位移量，則彎頭不必加以保 護。因此可以通過增加彎

7、頭或彎管的曲率半徑來增加過渡段變形量吸收能力，減小固定 墩推力或者不設固定墩。4考慮位移的固定墩計算固定墩的計算是一般是按照錨固死計算的，但是實際中土壤再夯實也不會是剛性 體。大直徑管道如果按照錨固死計算產牛的推力高達幾十噸甚至幾百噸，固定墩尺寸不 可避免的要很大。但是當管線自由端稍微產生位移之后，推力迅速減小。固定墩微量變 形后推力的變化。由嵌固段最大軸向力公式叫f max= (a ea-botan)a根據推導，如果該管段允許端部固定墩產生微量變形al,則此時：fmaxa= (a ea-botan-eal/l) aotan環向應力(kg/cilf)；at工作溫度與安裝溫度的溫差(°

8、c)；v泊松系數(0.3)；e管材的彈性模量(e=2.1xl0'm/m/°c)；l實際安裝長度(m)；a管材截面積(cm) o在工藝條件允許的條件下，加入管線位移進行計算，可有效減少固定墩推力的大小, 進而減小固定墩的尺寸。在直羅原油插輸工程中，經上述計算，管線自由端位移為0.012m。假設工藝允許 位移量為0.006m,計算岀的推力則減小至原來的一半。若工藝管線允許自由端位移 0.012m的話，可不設置固定墩。固定墩上土壓力的大小及分布規律受到固定墩可能的移動方向、周圍填土多少、填 土面形式、固定墩的截面剛度和地基變形等一系列因素的影響。土壓力-般可分為三種: 主動土壓力e

9、a,即固定墩向離開土體方向偏移，達到極限平衡狀態作用在固定墩上的土 壓力，與管道推力方向相同；被動土壓力ep,即固定墩向土體方向偏移，達到極限平 衡狀態作用在固定墩上的土壓力；靜止土壓力eo,當固定墩靜止不動，土體處于彈性 平衡狀態，作用在固定墩上的土壓力.三者的關系ea<eo<ep0被動土壓力的值很大，但 是產生這樣大的被動土壓力值的前提是需要一定的位移量。固定墩的推力與固定墩在土中的摩擦力及墩的后背土反力形成一種平衡。這是一種 有條件的平衡，即在滿足管道允許產生最大位移范圍內的平衡。在具體設計中我們發現 由管道產生的對固定墩的推力如完全用墩與土的摩擦力來平衡，那么混凝土的用量很

10、 大，造成浪費；若過大地利用墩后背土反力則在達到最大被動土壓力來滿足平衡時，固 定墩位移量過大，管道運行不安全，所以只能在滿足固定墩最大允許位移的條件下，由 土反力平衡后，剩余的推力由固定墩與土的摩擦力來平衡，這時固定墩的混凝土用量才 是經濟的，管道運行也是安全的。所以在做固定墩設計的時候，可以由工藝允許最大位移量下計算i古i定墩尺寸。同時 可通過增加固定墩周圍土壤換填、土壤夯實程度、增加i古i定墩迎土面面積的方式，來增 加固定墩被動土壓力，減小固定墩尺寸。5考慮土壤推力的固定墩計算固定墩通常設置于管線岀土端或者管線穿跨越時，用以保護彎頭及管線連接設備。 管道仲長時，除了受到土壤的摩擦力及固定

11、墩的推力外，彎頭還受到土壤的推力，力的 方向與管線的軸向應力相反。所以固定墩用于保護彎頭時，受到的管道總推力p總是小 于錨死直管自由端時所需承受的推力q,小的程度和彎頭夾角及固定墩位移有較大關系。 兩者的管線如下公式：p =（哉）q _【（+：）/” + '2eaqg - 山應用上述方法計算固定墩發生微量位移吋受到的管道推力較繁瑣，為方便設計人員 應用固定墩微量位移法設計固定支墩，文獻同總結出總推力p與錨死宜管自由端時的推 力q的比值i、位移ya及夾角e的特性曲線圖，如圖所示。此圖清晰表明：0值越小則p值越小，而且當pa增加時，p值迅速降低。但i1a的增 加是有限的，隨著pa的增加，土

12、壤逐步達到最大壓縮極限，如果|1a再增加，則土壤開 始破裂，固定支墩受損，或者達到工藝管線承受極限，損壞彎頭及設備。因此，土壤許 可的固定墩軸向位移是有限的。可由圖11用于設計固定墩保護彎頭時的推力計算。首 先根據管道彎頭情況及固定墩埋深情況確定容許的|ia值，按照b和pa值可由圖表迅速查 出i值,根據i=p/q,計算出總推力p。根據上述公式對直羅富縣輸油管線進行復核：由下圖可見，當|ia=10mm時，i值 約為0.5。即彎頭處土壤產生的推理能抵消掉約一半的管線應力。6復核結果綜上所述，直羅富縣原油管道，如果按錨固死計算，固定墩推理為30t。管道出土 段伸長率為0.012m。按照位移量pa=10mm計算，管線的實際應力為5t。同時，彎頭處土 壤產生的推理能抵消掉約一半的管線應力，約2.5to即管道在運行伸長10mm的情況下， 固定墩的推力為2.5to此計算結果還忽略了因為管道產生位移，土壤對固定墩迎土面增加了被動土壓ep 產牛的影響。實際值應該比2.5t更小。據此推算，取推力為5t進行固定墩設計，結果仍然是偏大的。亠33圖ii推力比值i,位移x及彎頭夾角()的特征曲線圖7結論通過增加彎頭半徑來增加過渡段變形量吸收能力，可減小固定墩推力或者不設固定 墩；通過允許少量位移的固定墩計算，來減少固定墩推力，減小固定墩尺寸；可通過增加固定墩周圍土壤換填、土壤夯實程度、增加