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管道研究

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高速公路扩建与输油管道相遇保护方式计算方法

来源:《管道保护》杂志 作者:陈宇红 邹绍维 时间:2018-11-26 阅读:

陈宇红 邹绍维

中国石化销售有限公司华南分公司


摘 要: 通过盖板涵和箱涵的计算方法比较,可以便捷的选出结构种类和结构模式。结合佛开高速公路扩建对成品油管道安全性的影响进行实例计算,采取盖板涵等保护措施以保证管道安全运行。

关键词: 高速公路;输油管道;相遇;保护方式;计算方法


珠三角成品油管道鹤山—江门段建于2005年,沿佛开高速公路两侧伴行敷设。管径为一般地段φ 406.4×7.1 mm、穿越地段φ 406.4×9.5 mm,设计压力均为10.0 MPa,管道材质为L415,螺旋缝埋弧焊钢管,采用加强级双层熔结环氧粉末(加强级DPS)外防腐层加强制电流阴极保护,运行压力7.0 MPa,管道沿线有一条12芯光缆伴行敷设。因高速公路在原址扩建,造成输油管道与高速公路安全距离不足和被占压,需采取相应的保护措施。

1 输油管道保护类型

盖板涵和箱涵是输油管线穿越道路时的常用保护方式(图 1)。其优缺点对比如下。


图 1  盖板涵和箱涵示意图


(1)盖板涵内可先填土再盖盖板,能防止气体集聚;而箱涵内部难以填充密实,需在两端另设露出地面的通气管,既不美观也容易被破坏(图 2)。

图 2  盖板涵和箱涵的优缺点示意


(2)盖板涵是静定结构,适宜于地基承载力较好的地方;箱涵是多次超静定结构,结构稳定性好,适宜于地基承载力较弱处。

(3)箱涵造价比盖板涵高。

(4)盖板涵属于简支结构,盖板不与边墙或基座刚接;箱涵属于刚性结构,与盖板涵的配筋差别较大,更加复杂且要求更高。

(5)盖板涵最大跨径一般为6 m;箱涵可以做到很大跨径,例如管道穿越铁路整体顶推。

(6)盖板涵可以预制盖板进行安装,施工简单,箱涵适合整体预制,整体现浇和顶进,施工工艺复杂。

2 盖板涵计算

根据《公路圬工桥涵设计规范》 (JTG D61―2005)中7.0.6关于涵洞结构的计算假定:盖板按两端简支的板计算,可不考虑涵台传来的水平力。

2.1 计算资料

需要设定如下参数:汽车荷载等级、净跨径L0(m)、计算跨径L (m)、盖板厚d (m)、盖板宽b(m)、砼强度等级、受力主筋、钢筋间距(m)、钢筋轴心抗压强度fsd (MPa)、路面结构层和填土平均容重γ 2(t)、安全结构重要性系数γ 0、环境类别、单侧搁置长度(m)、填土高H (m)、净保护层厚度c (m)、砼轴心抗压强度fcd (MPa)、砼轴心抗拉强度ftd (MPa)、钢筋总面积As (m2)、盖板容重γ 1(t)。

2.2 外力计算

(1)永久作用

竖向土压力q =K·γ2·H·b ,

盖板自重g =γ1·d·b/100 。

(2)由车辆荷载引起的垂直压力(可变作用)

根据《公路桥涵设计通用规范》 (JTG D60―2004)中4.3.4规定:计算涵洞顶上车辆荷载引起的竖向土压力时,车轮按其着地面积的边缘向下做30°角分布。当几个车轮的压力扩散线相重叠时,扩散面积以最外面的扩散线为准。又据4.3.1关于车辆荷载的规定:

车辆荷载顺板跨长La = 1.6+2·H ·tan30°,

车辆荷载垂直板跨长Lb =5+2·H ·tan30°,

假设车轮重为P ,则车轮重压强p 为

p =P/(La·Lb)

2.3 内力计算及荷载组合

(1)由永久作用引起的内力

跨中弯矩M1 =(q+g)·L2 /8,

边墙内侧边缘处剪力V1 =(q+g)·L0 /2。

(2)由车辆荷载引起的内力

跨中弯矩M2 =p·L2·b /8,

边墙内侧边缘处剪力V2 =p·L0·b /2。

(3)作用效应组合

JTG D60―2004中4.1.6关于作用效应组合的规定:

跨中弯矩γ0Md =0.9(1.2M1+1.4M2),

边墙内侧边缘处剪力γ0Vd =0.9(1.2V1 +1.4V2 )。

2.4 持久状况承载能力极限状态计算

截面有效高度h0 = (d -c -2.2/2)/100。

(1)砼受压区高度

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62―2004)中5.2.1关于相对界限受压区高度ξb 的规定: HRB335钢筋的相对界限受压区高度 x≤ξb· h0 。

x =fsd·As/fcd/b

(2)最小配筋率

JTG D62―2004中9.1.12关于受弯构件最小配筋百分率规定:

ρ =100×As/b/d ,不小于45 ftd/fsd ,同时不小于0.2

(3)正截面抗弯承载力验算

JTG D62―2004中5.2.2关于受弯构件正截面抗弯

承载力计算规定:

fcd×b×x(h0-x/2) ≥γ0Md

(4)斜截面抗剪承载力验算

JTG D62―2004中5.2.9关于抗剪截面验算规定:

0.51×10-3×fcu , k 0.5×b×h0 ≥γ0Vd

JTG D62-2004中5.2.10关于受弯构件斜截面抗剪承载力验算规定:对于板式受弯构件,公式可乘以1.25提高系数,即

1.25×0.5×10-3×α 2×ftd×b×h0 ≥γ0Vd

可不进行斜截面抗剪承载力的验算,只需按照

JTG D62―2004中9.3.13构造要求配置箍筋。

(5)裂缝宽度计算

JTG D62―2004 中6.4关于裂缝宽度验算规定: 环境类别为II类环境,对于钢筋混凝土构件,最大裂缝宽度不应超过0.20 mm。

作用短期效应组合Ms =1.0M1 +0.7M2 ,

作用长期效应组合 Ml =1.0M1 +0.4M2 ,

受拉钢筋的应力(受弯构件) σss =Ms/0.87/As/h0,

钢筋表面形状系数C1 ,

作用长期效应影响系数 C2 =1+0.5Ml/Ms ,

受力性质系数C3 ,

裂缝宽度:

W f k =C 1 ×C 2 ×C 3 ×σ s s ×(3 0 +d )/ E s /(0.28 +10×ρ ) ≤0.20 mm

满足规范要求。

3 箱涵计算

3.1 计算资料

需要设定如下参数:涵洞设计安全结构重要性系数γ0 、设计荷载等级、布载宽度d0 (m)、

板顶填土高度h0 (m)、土容重γ1 (t)、土的内摩擦角α0 (°)、盖板单侧搁置长度L0 (m)、净跨径L1 (m)、计算跨径L (m)、涵洞斜交角度α (°)、正标准跨径L2 (m)、板间接缝长度L3 (m)、横向钢筋等级、单侧基础襟边总宽b0(m)、洞身长度L4 (m)、盖板厚度 d (m)、盖板宽度b (m)。

3.2 恒载内力计算

q 土 =K (系数) × 土容重× 填土高度,

q 自 = 盖板容重 × 盖板厚度 ,

恒载产生的支座剪力V 恒=(q土+q自)×净跨径/ 2,

恒载产生的跨中弯矩M 恒=1 / 8 × (q 土 +q 自) ×计算跨径/2 。

3.3 荷载计算

用动态规划法求得设计荷载作用下盖板上产生的最大弯矩和剪力。

最大弯矩M 设=M 设×(1+U )=18.30564×(1+ 0),

最大剪力V 设=V 设×(1 +U )=17.14492×(1+ 0)。

3.4 荷载组合

(1)承载能力极限状态效应组合

Md = 1.2 × M 恒 + 1.4 ×M 设 ,

V 支= 1.2 ×V 恒 + 1.4 ×V 设。

(2)正常使用极限状态效应组合

正常使用极限状态效应组合 短期组合 Msd = M恒 + 0.7 ×M 设 ,

正常使用极限状态效应组合 长期组合 Mld = M恒 + 0.4 ×M 设 。

3.5 构件计算

(1)正截面强度计算

按JTG D62―2004 5.2.2-1和5.2.2-2公式,计算最小钢筋截面积As。

由 r0 ×Md< =fcd ×b×x× (h0 -x/2) ,可得x,

由fsd ×As = fcd ×b ×x ,可得As ,

x = 107.9388 <= ξb × h0 ,截面受压高度符合要求。

根据需要受拉钢筋的最小截面积 As ,在涵洞中设计的受拉钢筋的截面积 Ar ,实际钢筋截面积 Ar ≥最小钢筋截面积 As , 正截面强度满足要求。

(2)斜截面强度计算

由JTG D62―2004中 5.2.9计算:

0.51 × 10-3×sqr(fck) ×b×h0 >r0×Vd

截面尺寸满足要求。

由JTG D62―2004中5.2.10计算:

1.25 × 0.5 × 10-3 × a2 ×ftd× b ×h0 < r0×Vd

需进行斜截面抗剪承载力验算。

a1 ×a2 × a3 ×0.45 × 10-3 × b × h0 × sqr [(2 +0.6 × P ) × sqr(fck) ×psv × fsv ] =Vcs > r0 ×Vd

斜截面承载力足够。

3.6 裂缝验算

δss =Msl / (0.87 ×As ×h0 )

Wtk = c1 × c2 × c3×

(δss / Es ) × [(30 + d ) /(0.28 + 10×p )] < 0.2 mm

符合JTG D62―2004 中6.4.2规定。

3.7涵台计算

设计荷载作用下的内力计算,计算水平土压力产生的弯矩,涵台基础距路面高度H ,破坏棱体长L ,荷载布置宽度为19 m,布载长度为5.5 m,等代土层为4.5 m,则

λ = Tan (45 -Parm .土的内摩擦角 / 2) /2

涵台剪力 Qa =土容重×(盖板厚度+盖板距路面高度+等代土层)×λ,

涵台剪力Qb =土容重×H +等代土层)×λ,

涵台高度 h1,

支座处的反力:

Ra = (2 ×Qa + Qb) ×h1 / 6 = 72.20216kN,

Rb = (Qa + 2 × Qb) × h1/ 6

最大弯矩发生位置 Xmax ,最大弯矩 Mmax ,计算垂直力产生的弯矩与剪力。

盖板及其之上填土压力 P1 =填土高×(标准跨径/2)×土容重+盖板厚度×标准跨径/2×盖板容重 ,涵台顶部的填土压力 P2 =填土高×(台顶宽-盖板搁置长度)×土容重 ,

涵台台帽上部压力 P3 =盖板厚度×(台顶宽-盖板搁置长度)×涵台容重 ,

涵台压力P4 汽=台顶宽× Xmax 汽×涵台容重,

通过上述计算,得出总剪力 P 、总弯矩 M 、组合总弯矩Mj 、 总剪力Nj 。

4 实例验证

佛开高速扩建项目位置处,汽车荷载等级最高为汽车―20级,净跨径L0 =8 m,计算跨径L =10 m,盖板厚d =0.05 m,盖板宽b =0.3 m,砼强度等级为三级、钢筋间距为0.4 m,钢筋轴心抗压强度fsd =4.2 MPa,路面结构层和填土平均容重γ 2=2,安全结构重要性系数γ 0=3,环境类别为二类,单侧搁置长度为0.6 m,填土高 H =1.2 m,净保护层厚度c =0.5 m,砼轴心抗压强度 fcd =3.4 MPa,砼轴心抗拉强度ftd =5.8 MPa,钢筋总面积As =3.3 m2 ,盖板容重γ 1=1.3 t。

经计算裂缝宽度Wfk =0.56 mm,不满足Wfk ≤0.20 mm的条件。斜截面抗剪承载力为3.2 MPa,而实际剪切应力的计算值为3.6 MPa,不满足安全要求。因此,佛开高速扩建项目实施后,无法保障石油管道的安全,需要增加保护措施。

5 保护措施

经现场踏勘,并依据佛开高速扩建项目涉石油管道统计表进行现场排查后,输油管道与高速公路相对位置不足需要采取的保护措施见表 1。

6 结束语

对输油管道采取就地保护的方式,避免了额外征租地和工程时间过长的问题,可有效避免输油管道受到外力的影响造成管道变形、破裂等危害。在管道同高速公路相遇中,需要根据地质条件,公路要求等,合理选择保护形式。通过盖板涵和箱涵的计算方法比较,可以便捷的选出结构种类和结构模式,如有更加精确的计算模型或公式,望能深入探讨。


作者:陈宇红, 1969年生,本科学历,现任中国石化销售有限公司华南分公司茂名管理处处长,主要从事成品油管道储运的生产安全管理、外管道运营管理、储罐建设、管道改扩建等工作。

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