《柔性接口給水管道支墩》(10S505國標(biāo)圖集)簡介-國標(biāo)10s505

1、柔性接口給水管道支墩 （ 10S505 國標(biāo)圖集）簡介趙彤 王為 陳曦（中國市政工程東北設(shè)計研究總院 長春 130021）（China Northeast Municipal Engineering Design and Research Institute ， Changchun 130021） 摘要 本文簡要介紹柔性接口給水管道支墩國家建筑標(biāo)準(zhǔn)圖集 10S505 的編寫過程、 主要內(nèi)容、 適用范圍、選用說明、修編過程中重點(diǎn)討論的問題，同時論述了本圖集未列入水 平叉管、管道變徑等特殊支墩的原因，并提出了相應(yīng)概念設(shè)計。關(guān)鍵詞 柔性接口 管道支墩 土壤等效內(nèi)摩擦角 地下水 水平叉管 管道變徑AB

2、STRACT ： This article introduces the Buttress for Flexible interface of water supply pipeline 10S505 national standard drawings in the area of preparation process, main content, scope, selection description, key issues discussed on the process of revising, while discusses the reasons that the level

3、fork tube, reducing pipeline and other special buttress are not included in the standard drawings , and put forward the corresponding conceptual design.KEYWORDS ：Flexible interface Pipeline buttress Equivalent angle of internal friction of soil Groundwater The level fork tube Reducing pipeline1 前言柔性

4、接口給水管道支墩在給水排水管道工程中應(yīng)用廣泛， 但其計算過程復(fù)雜， 工程設(shè)計 人員往往需要花費(fèi)大量時間進(jìn)行支墩的設(shè)計。自03SS505柔性接口給水管道支墩國家標(biāo)準(zhǔn)圖集出版后，工程設(shè)計人員按標(biāo)準(zhǔn)圖集即可直接選用管道支墩，避免了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)計算， 省時、 省力，取得了良好的效果。近些年，我國陸續(xù)修編了多本給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計 規(guī)范和規(guī)程， 對結(jié)構(gòu)的耐久性和可靠性要求越來越高， 故原 03SS505 圖集有必要重新修編。依照建設(shè)部建質(zhì)函 200883 號“關(guān)于印發(fā) 2008 年國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計編制工作計劃 的通知”對原 03SS505 圖集進(jìn)行修編，以便與新版管道結(jié)構(gòu)規(guī)范有關(guān)規(guī)定、規(guī)程相符合。 以

5、實(shí)用性為原則，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，力求修編后的柔性接口管道支墩標(biāo)準(zhǔn)圖集安全可靠、 經(jīng)濟(jì)合理、簡單適用，最大限度地提高使用人的工作效率。本次修編主要針對原圖集不適合最新規(guī)范和規(guī)程之處進(jìn)行， 所以前期主要收集了新版規(guī) 范和規(guī)程，認(rèn)真核實(shí)原圖集不符合新版規(guī)范、規(guī)程之處。另外還收集了鑄鐵管（ 包括球墨鑄鐵管、 未經(jīng)退火處理的球態(tài)鑄鐵管等 ） 、混凝土管 （包括鋼筋混凝土管、 預(yù)應(yīng)力混凝土管、預(yù) 應(yīng)力鋼筒混凝土管）、化學(xué)管材管包括硬聚氯乙烯圓管（UPVC）、聚乙烯圓管（PE）、玻璃纖維以便合理地考慮增強(qiáng)塑料管（GRP FRP）等管材及管件的規(guī)格尺寸以及連接方式的最新資料,管道柔性接口處的管直徑參數(shù)。在正式

6、修編前，就原 03SS505 標(biāo)準(zhǔn)圖集的使用情況以及存 在的不足征求了部分使用單位的意見， 也咨詢了管道結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的權(quán)威專家， 并在編制過 程中采納了部分意見。受標(biāo)準(zhǔn)圖的篇幅限制，并考慮到施工作業(yè)、管材材質(zhì)等方面因素，管道變徑處、水平叉管處等不常用的支墩形式?jīng)]有編入標(biāo)準(zhǔn)圖。 實(shí)際工程應(yīng)用時， 水平叉管可以由水平三通和彎 頭兩者組合進(jìn)行替代，管道變徑處的支墩可以結(jié)合工程實(shí)際情況進(jìn)行特殊設(shè)計。2 適用范圍及選用說明2.1 適用于市政及一般民用與工業(yè)建筑工程中無地下水 （即地下水位低于支墩底面 ）及有地下水條件下（地下水位低于設(shè)計地面以下0.5m）的室外柔性接口埋地給水管道支墩，特殊工程的支墩需要

7、另行設(shè)計。2.2 適用管材：鑄鐵管 （包括球墨鑄鐵管、未經(jīng)退火處理的球態(tài)鑄鐵管等 ） 、混凝土管 （包括 鋼筋混凝土管、 預(yù)應(yīng)力混凝土管、 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管 ） 、化學(xué)管材管 包括硬聚氯乙烯圓管 （UPVC卜聚乙烯圓管（PE）、玻璃纖維增強(qiáng)塑料管 （GRP FRP）等。當(dāng)給水管的接口內(nèi)徑小于相應(yīng)規(guī)格的鑄鐵管接口設(shè)計內(nèi)徑dn1' 時,其支墩尺寸可按相應(yīng)規(guī)格的鑄鐵管選用； 當(dāng)給水管的接口內(nèi)徑大于相應(yīng)規(guī)格的鑄鐵管接口設(shè)計內(nèi)徑dn1', 并且不大于相應(yīng)規(guī)格的混凝土管接口設(shè)計內(nèi)徑dn2' 時, 其支墩尺寸應(yīng)按相應(yīng)規(guī)格的混凝土管選用。2.3適用的管徑：D=10（2000mm實(shí)際管

8、徑介于兩檔之間時，應(yīng)按管徑較大的選用。2.4 適用管道設(shè)計內(nèi)水壓力 （ 相當(dāng)于給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范 GB 50268-2008中的試驗(yàn)壓力）：Fwd,k=0.8 1.1MPa。實(shí)際設(shè)計內(nèi)水壓力小于0.8MPa時，應(yīng)按0.8MPa檔值選用；實(shí)際設(shè)計內(nèi)水壓力介于0.81.1MPa時，應(yīng)按1.1MPa檔值選用。2.5 適用于給水管道采用橡膠圈作為止水件的承插式接口和套管式柔性接口。鋼管道敷設(shè)方向改變處的附近有閥門和柔性接頭時，可參照相應(yīng)規(guī)格的鑄鐵管選用支墩。2.6 適用于一般性土壤地區(qū)，對于設(shè)置在淤泥、濕陷性黃土、多年凍土、膨脹土地區(qū)的支墩需要另行設(shè)計， 軟土地區(qū)支墩的沉降問題應(yīng)該特殊考慮

9、。 支墩下持力層修正后的地基承載力 特征值fa不應(yīng)小于80KPa,否則應(yīng)另行設(shè)計。垂直向上彎管支墩實(shí)際地基承載力特征值介 于兩檔值之間時，應(yīng)按地基承載力較小的值選用。2.7適用的土壤等效內(nèi)摩擦角：辰=20O35°。等效內(nèi)摩擦角小于20°的土質(zhì)很差，此類土質(zhì)中不宜采用柔性接口，標(biāo)準(zhǔn)圖中編入等效內(nèi)摩擦角為10°20 °的土質(zhì)情況意義不大。故標(biāo)準(zhǔn)圖修編時，對等效內(nèi)摩擦角的取值范圍進(jìn)行了調(diào)整，取值范圍改為20° 35°。實(shí)際土壤等效內(nèi)摩擦角介于兩檔之間時，應(yīng)按土壤等效內(nèi)摩擦角較小的值選用。2.8適用的管頂覆土深度：當(dāng)管徑為100500mrfl

10、寸，管頂覆土為Hs=0.72.0m;當(dāng)管徑為6002000mm寸,管頂覆土為Hs=1.02.5m。實(shí)際覆土深度介于兩檔之間時，應(yīng)按覆土深度較小的值選用。在管埋深較深的情況下，管自身應(yīng)滿足承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。2.9 適用于非抗震設(shè)防區(qū)和抗震設(shè)防烈度小于或等于 9 度的地區(qū)。3 修編過程中重點(diǎn)討論的問題3.1 圖集中引入土壤等效內(nèi)摩擦角計算公式的必要性根據(jù)給水排水工程埋地鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程 CECS1 42 ： 2002 的規(guī)定，作用在 支墩上的被動土壓力和主動土壓力可按朗金土壓力公式計算。朗金被動土壓力計算公式為：無粘性土 d = y H tg 2(45 ° + &#

11、169;/2)2粘性土 d = y H tg (45° + ©/2)+2c tg(45 ° + /2)朗金主動土壓力計算公式為：無粘性土 d = y H tg2(45° ©/2)粘性土 d = Y H tg2(45° ©/2) 2c tg(45 ©/2)簡單舉例，支墩靠背處，土的內(nèi)摩擦角©=10°,粘聚力c=10KPa，天然容重17KN/m3, 支墩埋深 3m。那么,支墩底的實(shí)際被動土壓力：2d1=17x3x tg (45° +10° /2)+2x 10xtg (45

12、6; +10° /2)=84.62 KPa如不考慮粘聚力,則計算出的被動土壓力：2d2=17x3x tg (45° +10° /2)=60.78 KPad1/d 2=84.62/60.78=1.39 ,即實(shí)際被動土壓力比忽略粘聚力的被動土壓力大39%。由上述公式和簡單算例可以明顯地看出, 粘性土如不考慮粘聚力, 則支墩尺寸會相對增 大較多,而粘性土又是敷設(shè)管道時經(jīng)常遇到的土質(zhì), 不考慮粘性土的粘聚力會造成較大浪費(fèi), 故本次標(biāo)準(zhǔn)圖修編時,把如何考慮粘性土的粘聚力作為一個重點(diǎn)討論。原 03SS505 國標(biāo)圖集中已經(jīng)引入了土壤等效內(nèi)摩擦角的概念,但沒有給出計算公式。實(shí)際

13、工作中，多數(shù)情況是工藝設(shè)計人利用標(biāo)準(zhǔn)圖集選用支墩，他們對土的物理力學(xué)性能沒有太多的概念，更不知道等效內(nèi)摩擦角如何計算，所以往往是看一下巖土工程勘察報告，查到土的內(nèi)摩擦角，就直接按標(biāo)準(zhǔn)圖選用支墩， 土的粘聚力直接忽略不計了；甚至不看巖土工程勘察報告，直接按標(biāo)準(zhǔn)圖中給出的最小等效內(nèi)摩擦角選用支墩，這樣選用的支墩往往比實(shí)際需要大很多，造成了不必要的浪費(fèi)。 為解決這一問題，柔性接口給水管道支墩標(biāo)準(zhǔn)圖修編時，決定給出土壤等效內(nèi)摩擦角的計算公式，并就其等效計算原則進(jìn)行了討論。等效內(nèi)摩擦角通常有如下幾種計算方法：1.經(jīng)驗(yàn)法：般粘土、粉質(zhì)粘土取, ° °機(jī)=30 35。2.根據(jù)土的抗剪強(qiáng)度

14、相等原則：,c(bd= arctg(tg 6+ )。yh3.按朗金公式土壓力相等原則：° °6d=90 2 arctgtg (45-)-2c。 h4.按朗金土壓力力矩相等原則：機(jī)=90° 2arctgtg (45° ®、 2c 匚 2c叭)斗 Jtg(45 +)。2們 Y2其中：護(hù)各層土的加權(quán)平均內(nèi)摩擦角、c-各層土的加權(quán)平均內(nèi)聚力、Y-各層土的加權(quán)平均天然重度、h-管道支墩底的埋深不同換算方法的札比較指墻 算標(biāo) 高 方 X®=15°,c=10kpa，丫 =19KN/m 3® =20°, c=10kpa，

15、丫 =19KN/m 3h(m)h(m)34563456經(jīng)驗(yàn)方法30353035抗剪強(qiáng)度相等23.9121.7820.4719.5828.3426.3625.1424.31朗金公式土壓力相等44.7836.4931.7828.7651.4942.7837.8234.62力矩相等55.8945.5439.2535.0762.2851.9045.4641.14由上表可以看出，采用抗剪強(qiáng)度相等原則進(jìn)行換算，等效內(nèi)摩擦角最小，支墩設(shè)計偏于安全，但與不考慮粘聚力相比， 支墩經(jīng)濟(jì)合理了很多。 故修編后的標(biāo)準(zhǔn)圖集按抗剪強(qiáng)度相等原則給出了土壤等效內(nèi)摩擦角的計算公式：機(jī)=arctg(tg ©+ )。丫

16、h3.2分別按有地下水和無地下水工況設(shè)計管道支墩的必要性我們知道，支墩抗推力驗(yàn)算應(yīng)滿足下式要求：Fpk-Fep,k+ FfkKsFwp,kFpk-支墩抗推力側(cè)的被動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)Fep,k-支墩迎推力側(cè)的主動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)Ffk-支墩底部滑動平面上摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)Fwp,k -在設(shè)計內(nèi)水壓力作用下，支墩承受的水壓合力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)Ks-抗滑穩(wěn)定性抗力系數(shù)從上面公式可以清楚地看出支墩所受外推力與支墩抗推力之間的相互關(guān)系。地下水位高于支墩底面時，支墩在地下水浮力作用下，支墩滑動面上的摩擦力隨水位上升而逐步減小，致使抗推力減小；被動土壓力與主動土壓力計算時，地下水以下土取有效重度計算

17、，被動土壓力與主動土壓力的差值也隨水位上升而逐步減小，致使抗推力減小，而支墩所受外推力不變，這必然需要增大支墩的體積才能滿足支墩的抗滑要求。算例結(jié)果如下：管徑D=1600mm管頂覆土 1000mm管道轉(zhuǎn)角為45 °，土壤等效內(nèi)摩擦角為機(jī)=20 ° ,管道設(shè)計內(nèi)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值Fwd k=0.80MPa。地下水位情況支墩尺寸B(mm)H(mm)L(mm)無地下水情況，底面即地下水低于支墩315032008200有地下水情況，設(shè)計地面以下 0.5m即地下水水位低于4200358010300根據(jù)以上算例計算結(jié)果對比，無地下水條件下與有地下水條件下的支墩尺寸相差較大，由此可以看出地下水

18、對支墩計算的影響巨大，從經(jīng)濟(jì)合理的角度出發(fā)， 修編后的標(biāo)準(zhǔn)圖集分有、無地下水兩種工況編制支墩選用表格是非常有必要的。3.3分別按鑄鐵管和混凝土管編制支墩的必要性修編后的圖集分別按鑄鐵管和混凝土管給出了管件接口設(shè)計內(nèi)徑及設(shè)計內(nèi)徑轉(zhuǎn)換系數(shù)，使支墩的針對性更強(qiáng)、更加經(jīng)濟(jì)合理。管件接口內(nèi)徑與管內(nèi)徑的轉(zhuǎn)換系數(shù)a D=dn/D，各種類型管道管件的轉(zhuǎn)換系數(shù)各不相同，鑄鐵管T型接口的轉(zhuǎn)換系數(shù)a d可以含蓋絕大部分管材，故編制標(biāo)準(zhǔn)圖時， 管道接口的設(shè)計轉(zhuǎn)換系數(shù) a D 參考鑄鐵管 T 型接口及 K 型接口給出， 并給 出接口設(shè)計內(nèi)徑， 當(dāng)所選用管道的接口內(nèi)徑小于接口設(shè)計內(nèi)徑時可直接選用； 當(dāng)所選用管道 的接口內(nèi)

19、徑大于接口設(shè)計內(nèi)徑時， 接口的設(shè)計轉(zhuǎn)換系數(shù)統(tǒng)一參考管件接口內(nèi)徑最大的鋼筋混 凝土管給出。鋼筋混凝土管的設(shè)計轉(zhuǎn)換系數(shù)是相應(yīng)直徑鑄鐵管的1.061.14 倍左右，因管道截面外推力P=0.785 dn2Fwd,k/1000,即與直徑的平方成正比。如果鑄鐵管管道支墩都按相應(yīng) 直徑的鋼筋混凝土管設(shè)計，支墩的尺寸則要大1 . 1 21 .30倍左右，這是個相當(dāng)可觀的數(shù)字，所以修編后的標(biāo)準(zhǔn)圖集分別按鑄鐵管和混凝土管給出支墩尺寸確有必要。4 水平叉管支墩的概念設(shè)計在柔性接口給水管道支墩國標(biāo)圖集修編的初期，延續(xù)原03SS505 國標(biāo)圖集做法，在編制技術(shù)條件中列入了水平叉管這種支墩形式。 因其所受外推力是沿叉管軸

20、向的， 垂直主 管方向和沿主管軸向均存在分力。給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊（第二版）13401343 頁給出了水平叉管支墩的受力計算公式， 也明確指出 “管道產(chǎn)生軸向推力的部位必須采取相應(yīng)的措 施保持管道的縱向穩(wěn)定， 例如可以將管道縱向接頭采用焊接、 熔接、 粘接等可以承受拉力的 接頭來增加管道縱向的重量以及管道與周圍土體的摩擦力來平衡軸向推力；如果這種方式還不能平衡推力時， 則應(yīng)在其相應(yīng)的部位澆筑混凝土止推墩或止推墻， 將管道的推力作用在原 狀土層上”。由此可見，此種支墩設(shè)計是非常復(fù)雜的，與管道材質(zhì)、管道地基、管槽開挖寬 度等因素密切相關(guān)， 不可一概而論， 將其列入標(biāo)準(zhǔn)圖， 恐怕占用較大的篇幅才

21、能含蓋諸多影 響因素。從工藝管道布置的角度看， 水平叉管完全可以由水平三通和彎頭兩者配合進(jìn)行替代， 這樣，復(fù)雜的問題就可簡單化，沒必要因?yàn)椴怀Ｓ弥Ф招问絹砭幹仆ㄓ脴?biāo)準(zhǔn)圖集。針對水平叉管支墩這種復(fù)雜的受力條件， 編制人員也曾經(jīng)尋求過簡單處理辦法， 主要考 慮了兩種：方法 1：將支墩垂直與叉管軸向放置，支墩完全承擔(dān)沿叉管軸向的外推力，見圖一； 方法 2：支墩平行于主管放置，支墩承擔(dān)垂直于主管方向的分力，沿主管軸向的分力則 由管道與土之間的摩擦力來承擔(dān)，見圖二。7采用方法1 （圖一），支墩將占用很大空間，如果管道沿公路邊敷設(shè)，支墩恐怕得埋到公路下了，并且偏離管件中心較多， 混凝土包裹一側(cè)接口，形成剛

22、性連接，對抗震 不利，尤其是在抗震設(shè)防烈度較高的地區(qū)，這種方法的實(shí)用性不強(qiáng)。采用方法2 （圖二），沿主管軸向的分力由管道與土之間的摩擦力來承擔(dān)，則管線施工時，必須保證管件前后各一定長度范圍內(nèi)的管道接口連接緊密，盡量減少接口的自由變形量，保證管道周圍的土體的夯實(shí)質(zhì)量，這在實(shí)際施工中是很難保證的。如果用于平衡軸向分力的管道長度較大，軸向外推力作用點(diǎn)前方的接口變形量積累到一定程度， 可能會把軸向外推力作用點(diǎn)后方的接口拉脫口，出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。如果在這些接口處外包鋼筋混凝土來幫助接口傳力，那么柔性連接就變成了剛性連接，對抗震不利。這種方法的實(shí)用性也受到很大限制。實(shí)際工作中，如遇到水平叉管支墩，最好的辦法是

23、調(diào)整工藝管道布置，利用水平三通和彎頭合理配置來替代水平叉管。如水平叉管確實(shí)不可避免，則可以根據(jù)工程實(shí)際情況來決定采用方法1還是方法2。如果采用方法1，可以參照10S505國標(biāo)圖集中的水平三通或水平管堵支墩進(jìn)行設(shè)計。如果采用方法2,垂直于主管方向設(shè)置的支墩，可以參照10S505國標(biāo)圖集中的水平三通支墩進(jìn)行設(shè)計，但支墩所受外力應(yīng)為垂直于主管方P為叉管截面外推力標(biāo)準(zhǔn)值；而向的分力Fwp,k=Psina,其中a為叉管與主管的夾角,沿主管軸向的分力則由管道與土之間的摩擦力來平衡,每米長管道與周圍土體的摩擦力#CJJ/T81-98 中公式 4.1.4):可按下式計算（參考城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程F=

24、n y S2f （ Hs+ D/2 ） D其中，丫 S2-管道周圍回填土重度，取f-管道與土之間的摩擦系數(shù)Hs-管頂覆土的厚度（m）D-管道公稱直徑（m）那么，靠摩擦力平衡沿主管軸向分力所需的管道長度由下式計算:L= Ks Fwp,k/ F，抗滑穩(wěn)定性抗力系數(shù) Ks=1.5。如果此長度范圍內(nèi)的縱向接頭為焊接、熔接、粘接等可以承受拉力的接頭，則靠摩擦力平衡沿主管軸向分力是可行的。如果管道接口傳力不可靠，則需要采用在主管上設(shè)置抗滑支墩等方法進(jìn)行處理，可參見圖三所表達(dá)的設(shè)計方法。5 管道變徑等特殊支墩的概念設(shè)計在柔性接口給水管道支墩 國標(biāo)圖集的修編過程中，一些使用單位提出是否可以把直 管段變徑、水平

25、彎管管件變徑、水平三通管件變徑、水平叉管管件變徑這幾種特殊支墩也編 入標(biāo)準(zhǔn)圖。組織編制單位高度重視此事，組織主編單位和國內(nèi)該領(lǐng)域的知名專家進(jìn)行了討論。 大多數(shù)專家認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)圖集應(yīng)體現(xiàn)常用支墩形式，對于特殊支墩可特殊設(shè)計，不必在標(biāo)準(zhǔn)圖中占用大量篇幅編入這些支墩。管道即使要變徑，也應(yīng)在直管段上變徑，在管件上變徑，會帶 來諸多問題，如管件加工困難，支墩受力復(fù)雜等，工程實(shí)際中應(yīng)盡量避免。這幾種特殊支墩受力比較復(fù)雜， 都會沿主管道產(chǎn)生軸向力。 下面以直管段變徑為例， 簡 要敘述此類支墩設(shè)計，簡圖見圖三。亙管段瓷経官支墩平面圖圖三1T剖面圉9#管道變徑引起的截面外推力Fwp,k可按下式計算:#22Fwp,k

26、=0.785 (dn-dn1 ) Fwd,k/1000,其受力方向永遠(yuǎn)指向管徑較小側(cè)dn 1-變徑后的管道承口內(nèi)徑(mm)dn-變徑前的管道承口內(nèi)徑 (mm)管道變徑引起的截面外推力往往很大， 只靠管道基礎(chǔ)底摩擦力來抵抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠， 應(yīng)采取 專門的抗滑措施。主要可以采用如下方法。方法 1 ：管道變徑引起的截面外推力由管道與土之間的摩擦力來承擔(dān)，與水平叉管支墩 設(shè)計方法所述同理， 管道變徑位置前方的接口變形量積累到一定程度， 可能會把變徑位置后 方的接口拉脫口， 出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。 如果將影響長度范圍的接口外包鋼筋混凝土來幫助接口傳 力，那么柔性連接就變成了剛性連接，對抗震不利。這種方法的實(shí)用性受到很大限制。方法 2：加抗滑支墩的方法進(jìn)行處理是比較可靠的，特殊情況下，可以只靠抗滑支墩自 重來平衡管道變徑引起