民用建筑燃气管道应力分析及补偿.doc

民用建筑燃气管道应力分析及补偿*朱从沈蓓摘要建筑物周围地基沉降及温度变化对燃气引入管可能造成的影响进行分析和探讨，提出消除管道应力、进行补偿的措施，推荐两种可行的补偿方案。关键词民用燃气管道地基沉降应力分析温度补偿中图分类号TU996.9FORCE ANALISIS AND COMPENSATION OF CIVIL BUILDING GAS PIPELINEZhu CongShen PeiABSTRACTThis thesis analyses and investigates the affect on gas lead-in pipe which caused by soil subsiding around building foundation and change of temperature. Raise several measures to dispel gas pipe force and to compensate.Recommend two practicable plans. KEY WORDcivil gas pipeline, soil subside, stress analysis, temperature compensate城市燃气管网的敷设情况及运行工况直接涉及到千家万户的用气可靠性和安全性，深圳市现已投入运行的市政管网近300 km，管道气用户近十五万户。由于深圳是一个滨海城市，地质情况复杂，有些新建小区地基出现不均匀下沉，已威胁到管网的运行安全。此外，四季温度的变化，施工过程中的误差等因素也会导致管道长度偏离设计值，造成管道应力发生变化，情况严重时有可能破坏阀门、调压器等管道设备。综合考虑以上因素，必须采取适当措施，消减管道应力，保证管网的安全运行。1地基沉降对燃气管道系统的影响1.1地基沉降的种类地基沉降可分为两种类型：(1) 由于建筑物的自重导致自身下沉，该种沉降普遍存在楼宇建筑过程中，高层建筑更为明显。但该种下沉，其沉降量一般很小，因此可不予考虑。(2) 由于建筑物周围地质条件差异（如新建填海工程），基础周围为非原土层，导致建筑物周围土壤不均匀性下沉。该种沉降范围大，面积广，既不可预见，又难以控制。其沉降量有时可达200 mm以上。该种沉降直接影响上升立管及埋地引入管的运行安全。1.2地基沉降对燃气管道的影响深圳市民用建筑燃气管道系统目前大多采用两种方式进户，中压和低压进户方式，中压进户即燃气自庭院管引出，由上升立管到达楼顶成环，再通过各下降立管、用户支管中压进户,经调压计量后引至燃具。低压进户则是燃气由上升立管至天面，经集中调压计量后再由各下降立管引至各户燃具；或由引入管进入底层室外调压计量箱，在此集中调压计量后，由上升立管引至各户燃具。当地基发生沉降（不论何种沉降），附着于建筑物上的上升立管与埋地引入管发生相对位移，导致上升立管变形、脱位，甚至被拉裂。下面就以上情况对上升立管承受的应力进行计算分析。管道的应力主要来源于内压、外部荷载和变形应力。由于地基沉降是一缓慢渐变过程，可认为在沉降过程中，埋地引入管自重及上方土壤重量由其下部土壤承载，可不考虑内压和外部荷载引起的应力，只考虑变形应力对引入管的影响。与上升立管相连的引入管在土壤中的受力非常复杂，为简化计算，提出以下假设：(1) 埋地引入管574， 埋深H=0.6 m，选用10号钢管材(见图1)。图1埋地引入管示意图(2) 当引入管基础发生沉降时，AB管段随土壤同时下沉，A 点下沉至A点，此时，AB 段仅受拉伸变形的应力作用，其变形处于弹性变形阶段。下面对AB段、出地套管和点固定支架进行分析。 AB段受力分析运行中要求持续荷载产生的应力小于设计温度的许用应力=111 MPa。实际运行中，AB 段应力可由下式确定：=E MPa式中：E-弹性模量,MPa,在此 E=2.1105 MPa;L-轴向变形, m;L-计算长度, m。由上式可知，AB段应力与管材弹性模量成正比，与单位长度变形量成正比。设定计算长度L=5 m，则此时最大允许变形量L为：L=2.6410-3 m此时， A点允许最大沉降量S为：=1.86最大允许变形角为：在AB段，B点处于转弯处，应力集中，当变形角大于时，在B点有可能产生裂纹、断裂等现象。 出地套管C点受力分析由于变形角值很小，可近似考虑0，此时，C点受一外拉力矩Mc的作用：Mc=F.H=.A.H=E.A.H.L/L由上式可知：当材料一定时，作用于C点的弯矩与AB段的拉伸率L/L、管段截面积A、AB管段埋深H成正比。亦即AB段单位长度变形量越大、管材横截面越大、埋深越大，C点越易遭受破坏。若C点不发生位移，BD段弯矩如图2。图2弯曲应力由图2可知：C点的弯曲应力最大，最易遭受破坏。 点固定支架受力分析在实际工程中，C点有可能产生位移。因此，D点亦受一外加力矩MD的作用 。其计算方法与C点类似。2温度变化对管道系统的影响燃气管道在安装固定后，其长度会随环境温度的变化而变化，其变形量L取决于环境温度差t，管段的计算长度L和管材的线胀系数，可按下式计算：L=.t.L此时若将计算管段两端固定，则会产生热应力，由下式计算：t=Et式中：t-热应力;E-弹性模数。10号钢E=2.1105 MPa由上式可见，热应力只与管道材质、温度变化量有关，与管径、管长无关。不同管长燃气无缝钢管在不同温度下的伸缩量及热应力计算结果见表1。表1不同温度下的伸缩量及热应力温差 t()伸缩量L (mm)热应力t(MPa)50 m100 m150 m105.911.817.724.82011.823.635.449.63017.735.453.174.34023.647.270.899.1由以上计算可以看出当温差t=40 时，热应力t=99.1 MPa ，已接近管道许用应力，每百米伸缩量L=47.2 mm，因此，必须采取有效补偿措施。 3补偿措施3.1埋地引入管的防沉降补偿由以上分析可知，在地基沉降大于允许沉降量时，管道应力将大于其许用应力，管道将会发生弯曲、变形,甚至发生断裂等情况，因此必须采取补偿措施，消除管道应力。一般管道补偿有下述方式：(1) 方形补偿器方型补偿器是由钢管弯制或由弯头组焊而成。该种补偿器制造安装简便，不需特别维护；作用在固定支架上弹性力较小；补偿能力较大。但其外形尺寸较大；对安装环境要求较高；且影响管路整体美观。以DN50管道为例：补偿能力L=50 mm时，其外伸长臂量H=970 mm。(2) 波形补偿器波形补偿器是靠波形管壁的弹性变形吸收管道的伸缩。该种补偿器优点是结构紧凑，占地面积小；但其补偿能力小，只能补偿轴向变形；维护保养也较困难。因此不推荐在埋地煤气管道上使用波形补偿器。(3) 波纹管补偿方式波纹管补偿是利用波纹管横向位移对管道进行补偿。该种补偿方式结构紧凑，补偿能力大，管道耐压性能好；不需特别维护；有法兰、螺纹等多种连接方式。采用不同安装方式可对管道轴向及径向变形进行补偿,其补偿原理见图3。图3波纹管补偿原理波纹管长度可根据下式计算得出(式中参数见图4)：图4(4) 塑料管补偿方式聚乙烯塑料管（简称PE管）为燃气工程中一种新型的输配管材，具有良好的柔韧性、耐腐蚀性，有较高的断裂延伸率，国标“燃气用埋地聚乙烯管材”GB15558.1-1995中规定，断裂伸长率350 %。一般聚乙烯管材断裂伸长率都可达到600 %以上。考虑到管道运行的安全性，在实际工程中设定许用拉伸率300 %。利用PE管这一特性，可在引入管出地前加设一段PE管，其长度根据所需补偿量及钢塑转换形式确定。为保护塑料管地上部分免受阳光照射及外力冲撞，可在其外加设热缩套管及PVC套管(见图5)。该种补偿方式有实用先例，有的已使用十多年，目前运行工况良好。图5加设热缩套管及PVC套管综合以上各种补偿方式的优劣，我们推荐使用塑料管补偿或金属波纹管补偿方式。3.2上升立管温度补偿在超高层或高层建筑上，上升立管需设置补偿器，用以补偿由温度变化引起的长度的变化。考虑以上几种补偿方式，我们推荐使用波形补偿器。4上升立管的应力消除在没有补偿措施的情况下，上升立管主要受埋地引入管沉降的拉伸、管道自重及自身热胀冷缩的应力作用。采取补偿措施后，上升立管则主要受后两因素造成的作用影响。为此建议在上升立管