给水管道设计之结构分析基础

给水管道设计之结构分析基础 一、概 述 工程结构是指建筑物中以各种工程材料建成的能承受荷载或其他作用的构件的组合体，按所用材料可分为木结构、砌体结构、钢结构和混凝土结构（包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构）。给水管道工程中的结构类型很多，如各类阀门井多采用砌体结构或混凝土结构，管桥支托及桁架大多采用钢结构，支墩、镇墩及管桥桩基等多采用混凝土结构。不同结构形式其分析计算方法有所不同。对钢制管道，一般采用材料力学方法；钢桁架采用结构力学方法；支（镇）墩的结构分析需联合应用理论力学、材料力学、土力学等方法；混凝土结构要用到混凝土结构设计方法。二、结构分析基本步骤1、确定计算简图结构计算简图是一种简化的力学模型，它应反映实际结构的受力与变形情况，不能出入过大。实际结构的简化包括结构体系、杆件、结点、支座、材料性质及荷载的简化。如何正确选取计算简图，需要设计者具备必要的结构分析知识与实际工程经验。如单跨与多跨管桥，上部钢管是整体结构，通过弧形支座支承于桩基承台上，上部钢管可以作微小的左右移动，也可以绕支座作微小的转动，所以单跨管桥的上部钢管可简化为简支梁，而多跨管桥则可简化为多跨连续梁，由此而产生的计算误差在工程允许范围内。 2、计算所受的作用 作用习惯上称为荷载，分为永久荷载、可变荷载与偶然荷载。永久荷载是指在设计基准期内其值不随时间变化，或变化的量值相对平均值可忽略不计，如结构自重，静水压力，土压力等；可变荷载是指在设计基准期内其值随时间发生变化，变化的量值相对平均值不可忽略不计，如风（雪）荷载，动水压力，车辆与人群荷载等；偶然荷载是指在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其持续时间较短，且量值可能很大，如地震荷载，冲（撞）击与爆炸荷载等。在给水管道设计中一般不计偶然荷载，但通航河道上的管桥工程需考虑船只的撞击力；此外，对重要的埋地过路管道宜考虑车辆荷载的作用。 3、进行受力分析根据结构计算简图与所受的荷载，按照有关力学计算理论与方法计算相应的作用效应，包括内力与变形，并绘制相应的内力图，以供结构分析之用。一般情况下，不同的结构构件其出现的内力不一定相同。梁式杆件的内力以弯矩与剪力为主，可不考虑轴力影响；桁架结构以轴力为主，可忽略弯矩与剪力影响；对管桥桩基来说，其轴力、剪力和弯矩都需要考虑。对某些结构还需作变形验算，如跨度较大的管桥钢管需验算挠度是否满足规范要求，混凝土灌注桩的沉降量是否满足工程要求，等等。 4、结构分析计算结构计算的具体内容可视实际结构而定，其计算方法应按有关结构设计规范要求进行。 三、常用结构设计要点 1、管桥混凝土灌注桩设计要点（1）根据工程规模与设计经验选择灌注桩的直径、根数与混凝土强度等级。对DN1000及以下的管桥，其桩径宜采用600mm，DN1200及以上时宜采用800mm；当上部悬空高度超过5m时，宜采用双桩，以满足侧身稳定性要求。混凝土强度等级不应小于C25。（2）根据地质条件初步确定桩的长度。荷载较小时可采用摩擦桩，荷载较大时宜采用摩擦端承桩或端承桩；桩底进入持力层深度不宜小于1.5倍桩径，当持力层为岩基时不宜小于1.0倍桩径。（3）按建筑桩基设计规范验算桩的竖向承载力，并根据具体计算结果对桩长进行必要的调整；当侧向受力较大时（如横向风荷载，通航河道中的船只撞击力等），尚应验算桩的水平承载力。（4）按混凝土结构设计规范进行桩身与承台的结构配筋设计。 注：桩基持力层的选择应根据地质勘探报告确定，应特别注意淤泥与淤泥质黏土层不能作为持力层，否则会引起较大的桩基沉降。2、管道混凝土镇墩设计要点（1）根据工程规模与地质条件选择镇墩的形状与尺寸，其混凝土强度等级不宜小于C20。（2）计算镇墩所受的各种作用，如重力（镇墩与钢制弯管的自重，弯管中的水重，镇墩的上覆土重），摩擦力（一是镇墩底面的摩擦力；二是两个侧面的摩擦力，一般不考虑），土压力（包括正面主动土压力和背面被动土压力）和动水压力（流动的水体对弯管施加的动压力）。（3）验算抗滑稳定性，即在外力作用下不会产生滑动失稳，其中滑动力包括正面主动土压力和动水压力，抗滑力为底面摩擦力与背面被动土压力。抗滑稳定安全系数不应小于1.2。取用镇墩混凝土与地基土的滑动摩擦因数时，应根据土的物理力学性质而定，亦可查看相关技术资料。（4）根据镇墩的尺寸与实际受力情况，必要时应在相关部位配置构造钢筋。 注：混凝土镇墩的设计可查看标准图集，但应注意满足其适用条件，不能盲目套用。3、管道钢结构支架设计要点（1）根据管径大小与管道跨度选择支架的形状与尺寸。钢材应采用Q235（原A3钢），常用角钢或槽钢等型钢材料制作。 （2）支架的力学计算可采用静定桁架模型，其内力（主要是轴力）按结构力学方法确定。