管道结构设计篇（1）

中图分类号： TU81 文献标识码： A 文章编号：

一、水龙头防冻裂结构的防冻裂原理分析

因外接结构与水龙头的防冻裂结构和原理相同 下面仅以水龙头的防冻裂结构为例来阐述它们的防冻裂原理

1、常温下防冻裂结构的密封与调节

如图1 所示 常温下 亦指气温处于水的冰点以上温度 管道内的水处于液体状态 我们此时可根据管道内的水压来调节弹力调节压块12 的松紧 当拧紧弹力调节压块12 时 弹力调节压块12 将压缩弹簧10 通过弹簧10 的弹力作用实现作用力向顶针11 的传递 当弹簧10对顶针11 和橡皮密封垫9 的作用力大于或远远大于水龙头体内的水对顶针11 和橡皮密封垫9 的作用力的时候 橡皮密封垫9 便会被压紧在防冻裂结构的出水口平台上 从而实现水龙头防冻裂结构的常温常闭密封状态需要注意的是 当在拧紧弹力调节压块12 的时候要注意弹簧的弹力大小要适度O 在刚好密封的前提下,可根据弹簧的刚度大小适当再拧紧一点就可以了, 不宜太紧,否则,时间一长,弹簧容易因疲劳而失去弹力作用,从而直接影响防冻裂结构的密封效果。

2、低温下防冻裂结构的防冻裂原理

当气温骤降至零度以下甚至更低,此时的水龙头体内的水就会结冰,水一旦结冰后即会引起水龙头体内水的体积膨胀,当膨胀后的冰水对图1 所示的橡皮密封垫9和顶针11 的推力大于弹簧10 对顶针11 和橡皮密封垫9的压力的时候,顶针11 和橡皮密封垫9 即被推开O 这样,水龙头体内因体积膨胀而产生多余的冰水即会由防冻裂结构的出水口流到其下方的储备空间, 若溢出的水量较大,水还可以通过弹力调节压块12 和封盖13 的小孔溢出水龙头体外,从而确保水龙头及防冻裂结构不会被冻裂。如果考虑到溢出的水不影响水龙头的体外环境,或者当冰解冻时不会造成水资源的浪费, 我们可以在产品的结构设计时采用下列方法来解决: ( 1) 将封盖13 的小孔改为盲孔,同时增大防冻裂结构的储备空间;( 2)若管道较粗,考虑速冻时可能有更多的水溢出,我们可以在外接的圆周方向增设更多的防冻裂结构。

3、温升解冻后防冻裂结构的自动复位

当气温回升冰体解冻时,顶针11 和橡皮密封垫9 便会在弹簧的弹力作用下自动复位, 从而恢复防冻裂结构初始时的常温常闭密封状态。

二、管道防冻裂阀门

1、防冻裂阀门的结构

这种阀门是在阀体内的两端分别设计一个胎腔，在每个胎腔内分别装一个橡皮制成的气胎，气胎类似自行车内胎，胎体具有较强的伸缩能力，胎内充满气体。

下面结合图1～5对该种阀门进一步说明(仅以闸阀阀体一例说明，其它阀门与此相同)。图1是阀体的结构示意图；图2是阀体的正剖视图；图3是图2的A—A剖视图；图4是气胎结构图；图5是图4的B．B剖视图。图中：①阀体、②胎腔、③铜环、④气胎。在图2中胎腔②与阀体①为一整体。图中，r2为胎腔腔体小半径，r4为气胎圆环小半径，r2=r4，R1

为阀门进口半径，R2为胎腔大圆半径，Ii4为气胎小圆中心线的半径。使用时气胎④装入胎腔②。

2、防冻裂阀门的工作原理

防冻裂阀门巧妙地利用水和气体的体积随温度变化的物理特性设计而成，水随着温度的降低、结冰，它的体积会逐渐膨胀，因而对密闭的阀门产生很大的压力，而气体却恰恰相反，随着温度的降低和压力的增大，它的体积会急剧缩小，而且气体相对水非常活泼，它的收缩程度远远大于水的膨胀程度，所以安装在阀体内的气胎随着阀体内水的结冰膨胀，会迅速收缩，让出空间，完全容纳了冰的膨胀部分，彻底消除了冰的膨胀部分对阀体的压力，从容地保护了阀体。而阀体内不设置气胎的一般普通阀门，由于其阀体内没有调节空间，当水随温度的降低、结冰，体积膨胀时，膨胀所产生的压力将全部作用于力，以至阀体不能承受而被胀破，造成阀门报废和管道泄漏事故。

3、防冻裂阀门的工作过程

阀门装于管道上正常使用时，气胎保持鼓起状态，当管道内的液体(水)随温度的降低、凝固、膨胀时，气胎内的气体的体积则因温度的降低和压力的增大而大幅缩小，加之胎体有较好的伸缩性，使水结冰后的膨胀部分进入胎腔，从而抵消了由于冰的膨胀对阀体的巨大压力，使阀体得到保护而不被胀破。随着温度的回复，冰体溶化，水的体积减小，胎内气体的体积随之增大，直到恢复原状。

三、电热防冻解冻阀的防冻解冻设计原理

1、常温状态下电热防冻解冻阀的压力调节

如图2，当水温处于冰点以上温度时，此时可根据管道内的水压大小调节弹力调节压块20的松紧，活塞3则在弹簧7的弹力作用下克服水压对它的作用力后顶靠在塑料内衬21的凸台上。此时两触点断开，电路不导通，电热器24不工作。要特别注意的是：弹力调节压块20的松紧度调节要适中。在刚好将活塞3顶靠在塑料内衬4的凸台上的前提下，可根据弹簧7的刚度大小适当再拧紧一点就可以了。活塞不宜调得太紧，否则弹簧会被过度压缩，时间一长，弹簧容易因疲劳而失去弹力作用。弹力作用一旦减弱，水压就会推动活塞3和塑料滑杆21下移。下移量过大，塑料滑杆21会造成行程开关的非正常接合，使得电路导通，电热器24就会在常温状态下不停加热。调得太松，弹簧7的弹力不够，活塞3则不能克服水压作用顶靠在塑料内衬4的凸台上。如果活塞离凸台的距离超过静触头可调支架10允许的极限数值时，即使我们将静触头可调支架10调节到长条孔右侧的极限位置，也不能将使行程开关的两触点断开，此时拆卸阀门重新调节弹力调节压块20则在所难免。

2、低温时电热防冻解冻阀的防冻解冻原理

当管道内的水处于冰点以下温度时，水一旦结冰即会引起管道内水的体积膨胀，当膨胀后的冰水对活塞3的作用力大于弹簧7对活塞3的作用力，活塞3即会下移(因为⋯0’型密封圈的密封作用，冰水不会渗透到活塞下方，从而保证了控制线路安全和电热防冻解冻阀的体外环境)。随着冰水体积的不断膨胀，活塞3连同塑料滑杆21亦不断下移。当行程达到静触头可调支架l 0设定的数值时，动触头簧片9便在塑料滑杆21的锥形部位推移下实现动、静两触头的接合。此时电路导通，氖管启辉，电热器24开始加热。随着加热后水温的不断升高，水中的冰即被溶化。在此过程中，管道内的冰水体积不断缩小，活塞3和塑料滑杆21便在弹簧7的弹力作用下不断上移，直至两触点脱开，电热器24才会停止加热，从而实现低温时电热防冻解冻阀对自来水管道设备的防冻和解冻功能。

3、电热防冻解冻阀设计的有益效果

(1)电热防冻解冻阀的设计成功，不仅解决了自来水管道设备的防冻裂问题，而且还具有自动解冻功能，能有效防止自来水管道设备在低温时的水结冰现象，从而保证了管道设备在低温时的水流畅通，实现用户的即时使用。

(2)图2所示电热防冻解冻水龙头仅是电热防冻解冻阀作为其他管道设备附属结构的实施例之一。电热防冻解冻阀在实现与水表、闸阀和水龙头等管道设备的一体化设计之后，对简化管道设备安装、缩小电热防冻解冻阀在管道中的空间占用，及其对主体结构的直接防冻和解冻起着十分重要的作用。

(3)本结构设计即便是在断电的情况下，仍能实现管道设备的防冻裂要求。

(4)本结构设计也可以通过去除电热器及其他电路控制部元件将其简化为一般的防冻裂结构。

(5)本文设计的电热防冻解冻阀不但适合在自来水管道中使用，还可以在小型密封水箱、间断性使用的机械或实验设备的水冷却管道中推广使用。

(6)本结构设计与现有的自来水管道设备的防冻(裂)装置相比，具有结构简单、投资少、安装使用方便及性能可靠等优点。

【参考文献】

[1]任继德.刘少辉寒区低压塑料管道在浅埋输水灌溉工程中的应用[期刊论文]-黑龙江水专学报2003,30(3)

管道结构设计篇（2）

针对在管道使用过程中发生的问题，国内外部分研究人员对问题进行了深入的分析，并且得到了部分成果，把他们的研究成果进行综合，按处理的机理进行分类，可以简单分为物理清洗法及化学清洗法。

二、管道机器人的设计要求

在综合考虑国内外管道机器人的发展情况及实际使用状况的基础上，可以得出在进行管道机器人的铣削结构设计时，需要特别注意的有以下几个问题：管道的尺寸需要和机器人的最大直径相贴合；对刀具的设计在性能上要匹配工作环境；铣削装置的驱动能源提供方案要合理；铣削的效果和现有的清污方法对比，其在某些方面应有明显的优势；铣削装置应具有自我保护模式以及良好的人机交互功能。

笔者以现有的设计要求为背景，加上设计任务书要求（一是输灰管道直径限制在φ250～φ300mm范围内；二是机器人的行走速度要根据铣削时的进给速度进行选择与设计），将二者进行结合，通过功能对比及设计优化来实现作业功能件，确定最终方案。笔者以下设计主要通过自由形态设计以及软件辅助模型设计，来完成铣削机构本体的形态。

一是通过对管道的分析，对铣削机构上的各种配置组件进行自由设计，主要涉及的组件有铣削刀具部分、机体承载部分以及电动机部分。二是通过对模型的结构设计，在工程软件Pro/E中进行构建及装配，实现整个机构的三维可视化。

三、输灰管道机器人铣削机构的设计方案

1.铣削刀具设计方案

根据实时工作情况，对管道的除污方法基本可以归为两大类，一是物理法，二是化学法。本设计选择物理除污法，刀具结构采用自行设计。通过对现有的几种物理方法进行简要分析，并确定最终方案及刀具形态设计。

本设计综合人工击振方式以及移动铣削机械式两种方案进行刀具设计。刀具架设在移动机器（管道机器人）上并由电动机带动，使得刀具绕着电动机轴进行旋转。在刀具旋转的过程中，刀具紧贴着管道内壁，并适应内壁的情况，且具有一定的半径变化，以达到能够适应一定范围变化的管道的目的。

按照以上的刀具要求，将铣削刀具设计成多片可分离式组合刀具，选择刀具类似敲击锤的形态，且连接的部位具有一定的滑动槽口，在连接的同时能够相对连接中心具有一定的半径变化。由此联想到铣削刀具安装在电动机轴上，开始使用一块支撑钣金件，在对应的两边分别安装上两个刀具（敲击锤）。如果铣削的污垢层较厚，还需要在钣金上再添加一块钣金，上面再安装上两个刀具，并与第一组安装的刀具成90度的角度偏差。应注意的是第一组刀具切削的直径范围应比第二组安装的刀具切削直径范围大。其他方面可以在钣金件的边缘设置一些折弯叶片，这样可以具有推进机器本体前进的附加作用，减小行走机构的负载。

2.作业电动机设计方案

根据铣削环境，铣削机构的作业电动机由于受到外壳直径的限制，故不能从现有标准电动机中选择。电动机的设计需要满足两方面的要求，一是外壳直径根据实际工作情况，需要限制在直径为φ100mm的范围之内；二是根据电动机作业的情况，其额定功率不能小于1kW。根据情况参照选取无刷直流电动机，生产商为宁波安川大道机电科技有限公司，电动机型号为：36BL.100.550.005。电动机安装在万向调整组件内圈相连接的钢桶内部，并用螺钉进行固定。

3.万向调整组件设计方案

管道在长期使用后，难以避免会出现内壁贴合了一些难以甚至不能去除的东西。管道机器人在用常规设计的铣削头进行作业时，在管道内作业的铣削机构往往会发生打刀故障，甚至机器电动机烧毁，导致机器损毁。针对这些问题，有必要去设计一种具有柔性的铣削头，当铣削部件的刀具运动到此位置时，可以利用自身的柔性避开管道内壁上的贴合物质，从而可以延长刀具的使用寿命，也使得管道机器人的作业过程更加顺利。

为了达到预期效果，这里的结构设计时是根据万向陀螺仪的基本结构加以改进和优化而来的。装置是将陀螺仪的最外圈与机器人铣削机构的整体机架焊接在一起，内圈通过两销轴固定在电动机的外圆柱面，从而使得电动机能够在空间里全自由度旋转。关于控制旋转角度的方法，则可以通过在电动机组件外面包裹的外壳后盖，添加一个口沿，利用拉簧与平衡轮基盘进行连接来保持平衡，使之在一定角度范围之内进行可控转动。

4.定心平衡轮组件设计方案

铣削装置进行作业时，铣削装置一方面需要基本的结构支撑，另一方面由于刀具旋转对管道内壁进行切削而产生出较大的扭力，会使整个管道机器人装置具有向相反方向转动的趋势，所以需要设计一种能够在起到支撑作用的同时也具有一定的平衡扭力作用的轮子或轮组。本方案使用6组轮子，对机器人本体进行设计，能够达到良好的支撑作用，同时每个支撑腿所承受刀具带来的扭力也不至于过大。

在设计时考虑到管道直径也会有所变化，所以在平衡轮组件中使用凸轮机构，使得轮子的半径可以随着管道的变化而变化。

5.控制电路模块设计方案

输灰管道机器人本体形态是自由设计的，除了机械功能部件以外，还配置有电路控制模块部分，并将其分成两块，机器人部分安装在铣削电动机后端处，包裹在钢桶内，外部模块安装在控制端里。应用了控制模块之后，能够让其实现机器操作的可控性，帮助其对自身的环境做出判断以及发出应急反应。比如铣削装置在作业过程中遇到大块异常物体而不能实现铣削时，电路控制模块会启动自我保护，使得铣削刀具以及行走装置都能及时有效停止。

电路模块还配置有外部的显示屏，进行友好的交互，能够让操作者更好地去使用它，对机器人的工作模式进行及时、适当的调节。

四、铣削机构特点简述及配置速度

管道结构设计篇（3）

湖北省孝感市大悟县芳畈水库至城区应急供水工程包括取水工程和引水工程两部分。其中取水工程采用泵船取水，配备三台水泵，两用一备；引水工程采用DN700（k9级T型接口）球墨铸铁管和碳钢管，输水管道从水源地芳畈水库开始，沿芳新线、S243省道、城关镇长征南路、澴河西路进入大悟县老水厂，通过已铺设界牌水库至大悟县城引水管道进入二水厂。管道总长约23公里，沿线多次穿越河道、S243省道和复杂地形及不良地质地段等，存在诸多结构安全问题，现就本工程设计施工过程中遇到的主要结构问题予以探讨。

1. 管道抗浮验算

2. 水平弯管支墩设计

上式中，为支墩抗推力侧的被动土压力标准值；为支墩迎推力侧的主动土压力标准值；为水平向支墩滑动平面上摩擦力标准值；为支墩抗滑稳定性抗力系数，不小于1.5；为水平向支墩承受截面外推力对支墩产生的水压合力标准值；为土壤内摩擦角；和分别为地下水位以上的原状土重度和回填土重度；和分别为支墩底和支墩顶在设计地面下的深度；和分别为支墩被动土压力和主动土压力侧支墩长度；为支墩的重量；为支墩顶部覆土的重量；为土对支墩底部的摩擦系数；为管道接口设计内径；为管道设计内水压力；为弯管角度。

3. 复杂环境下的管道基础处理

3.1. 含淤泥层的管道地基处理

管道底部淤泥层不厚时，可将淤泥层挖除而换以砂砾石、砂垫层；淤泥层较厚时，不宜采用换填法，在流砂现象不严重的情况下，可采用抛填块石的方法。块石挤入淤泥中，以增大淤泥的密度，增强地基承载力；同时，块石在管沟内形成一个整体，增大了支承管道的面积，使单位面积基础受管道传来的压力大大减小，能有效防止基础和管道沉降。块石宜采用大块和坚硬的，杜绝采用风化石。这种地基处理方法的优点是可不清理管底淤泥，能避免塌方，施工简单。本工程遇到的淤泥地基为原来的水田、水塘被人工填土覆盖，淤泥层厚度为1m～3m。现场采用人工抛填块石铺满整个沟底，然后进行夯实，同时在沟槽边开挖集水坑，将块石夯实挤出的泥浆水用人工或水泵排走，块石之间的缝隙则以砂砾石或砂填充，最后在块石上浇筑一层厚度为0.15m的C20混凝土，待混凝土凝固后即可铺设管道。

3.2. 斜坡路堤上的基础处理

本工程管道很多地方埋设在省道的路堤上，局部地方的路堤比较狭窄且坡度较陡，路堤边缘也没有护坡，直接开槽埋管可能存在安全问题，特别是在雨季，路面上的积水冲刷路堤上的管道基础，可能出现管道架空甚至滑移等，对输水管道的安全产生严重不利影响。对于这种局部不利情况，本工程采用人工挖孔灌注桩作为基础架设钢管，每隔10～12m设置一支墩，明敷钢管采取适当的保护措施。

本工程在各方的共同努力下历时百余天基本完工，在全线管道水压试验合格后，于2013年1月底正式通水，为大悟人民春节用水提供了有力保障，受到了建设方和大悟人民的一致好评。通过管道水压试验和正常供水期间的观测并未出现结构安全问题，说明在本工程中采用的结构设计方案是实用可行的，为长距离给水管道设计和施工提供了可靠的经验。

参考文献

[1] 《给水排水工程结构设计手册》（第二版）中国建筑工业出版社，2007.

[2]《给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程》CECS141：2002 中国工程建设标准化协会，2003.

[3] 《柔性接口给水管道支墩》10S505 中国计划出版社，2010.

管道结构设计篇（4）

一、引言

随着经济的快速发展，我国的城市化步伐不断加快，市政污水管网工程迅猛发展。近年来，城镇环境整治力度加大，污水处理厂如雨后春笋般涌现，污水管网工程随之增多。在老城区，进行雨污分流改造时，地下管网极其复杂，距离地面构筑物很近；污水管网路线长，高低曲折，地形、地质情况复杂多变，因此，要做到方案合理，经济高效，设计人员应具有丰富的经验。

二、基础资料收集

一般来说，管网工程设计开始前应该要有电子版地形图，需要管线位置的地质勘探报告。过河管道时要有河道断面测量图，过道路时要有其他地下管线图等资料。市政污水管道工程一般覆盖面较大，设计人员应该亲临现场踏勘，了解管道铺设总体情况。例如管道过河流，公路，铁路等复杂障碍物设计还需通过专门部门的评审。

三、污水管道结构特性

污水管道的结构设计应包括管体、管座及连接构造，对埋地管道，尚应包括管周各部位回填土的密实度设计要求。对管道结构内力分析，均应按弹性体系计算，不考虑由非弹性变形所引起的塑性内力重分布。

一般来说，工艺上污水管道分为压力管和重力管。污水管通常埋地较深，多半采用重力管，导虹管或者通过泵房提升的污水管是有压管，但是压力较小，管材还是受外压为主。按照管道的受力和变形特点将管道分为刚性管与柔性管。根据公式αs=EpEd（tro）3[1]（各参数详见规范），αS≥1是刚性管，

刚性管材有钢筋混凝土管（RCP）、预应力钢筋混凝土管（PCP）、预应力钢筒混凝土管（PCCP）、灰口铸铁管等。常用柔性管材有塑料类管材、钢管和球墨铸铁管。

管道的接口从性能上分为柔性接口和刚性接口。刚性接口属于固接连接，其接头部位的相邻管端不能产生转角和伸缩。柔性接口属于可动连接，其接头部位的相邻管端与管轴线可有小量的转角和伸缩。刚性接口有钢筋混凝土套环、焊接、法兰连接、套筒连接等。柔性接口有承插式、企口式、卡箍连接等。柔性接口一般内置橡胶圈止水，防渗漏效果好，但是成本高，刚性接口价格低，管道接口容易开裂渗漏，而且施工工期长。

污水管（重力管）采用较多的是钢筋混凝土管、塑料管和玻璃钢管。普通钢筋混凝土管价格便宜，受力性能好，耐腐蚀性能一般，但是接口容易渗漏。塑料管主要有HDPE管、PE管UPVC管等。塑料管自重轻、运输安装方便，接口少，安装效率高，但是属于脆性材料，耐腐蚀较差，由于污水管设计对环境要求很高，一旦渗漏，很难处理，所以不推荐使用。球墨铸铁管强度高，内外涂抹防腐材料，性能好，近年来被广泛采用。

埋地钢筋混凝土管遇到软土地基时，地基变形会导致接口开裂渗漏，应配设置钢筋混凝土基础，减小管道变形。

实际工程中，当污水管道遇到河流、铁路、桥梁等障碍物时，设计人员还应留出预埋管道与已有构筑物的安全距离，避让已有构筑物基础，选择合理的施工方法。重要河流应不影响航道通航要求，穿越铁路时应经过地铁主管部门组织的审查。

四、污水管道施工方法

污水管的施工方法一般根据管道埋深、土层情况、现状地形等条件来确定。污水管道施工方法有开挖施工，顶管，牵引管，小管径顶管。

（一）开挖施工

当施工场地以无障碍物，沟槽深度在一般在4米以内，可选用开挖施工。开挖施工一般成本较低，施工工期较短。基坑开挖还应注意以下几点：开挖沟槽时需采取切实可行的基坑支护措施确保边坡稳定，通常采用钢板桩支护。沟槽开挖应确保沟底土层不受扰动，且不得超挖，人工清底。沟槽开挖完毕后必须经有关人员验槽后方可继续施工。施工中遇管道交叉时需采取有效保护措施确保交叉管安全。

开挖后对管道周边的回填设计至关重要。钢筋混凝土管回填采用粘土、粉质粘土，土中不得含有机物。钢筋混凝土管管道沟槽回填的压实作业应符合下列要求[2]：回填压实应逐层进行，且不得损伤管道；管道两侧和管顶以上500mm范围内胸腔夯实，应采用轻型压实机具，管道两侧压实面的高差不应超过300mm。压实时，管道两侧应对称进行，且不得使管道位移或损伤。分段回填压实时，相邻段的接茬应呈台阶形，且不得漏夯。采用压路机时，碾压的重叠宽度不得小于200mm。塑料管管顶以下及管顶以上500范围内回填中粗砂，管顶500以上非道路下回填粘性土，道路下同道路材料要求。塑料管回填作业应符合下列规定：回填前，检查管道有无损伤或变形，有损伤的管道应修复或更换。管道半径以下回填时应采取防止管道上浮、位移的措施。沟槽回填从管底基础部位开始到管顶以上500mm范围内，必须采用人工回填，管顶500mm以上部位，可用机械从管道轴线两侧同时夯实，每层回填高度应不大于200mm。

（二）顶管法

顶管法施工就是在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中，并将土方运走。一节管子完成顶入土层之后，再下第二节管子继续顶进。顶在长距离顶进过程中，当顶进阻力超过容许总顶力时，无法一次达到顶进距离时，须设置中继间分段接力顶进。顶管施工属于非开挖施工，对环境和交通影响减小，适用于管道埋深较大的情况。顶管施工对土层要求不高，一般情况均可适用。顶管管道材料主要有钢筋混凝土管、钢管、玻璃钢管等，管径一般要求不小于800mm。

顶管穿越铁路、公路、河道等管道施工障碍时，可以采用混凝土管套塑料管双管顶进方法。两种管道之间在施工以后压注水泥砂浆填充。

（三）牵引管法

牵引管施工，先采用钻孔机钻导向孔，洞通后再装上扩孔机具进行扩孔，反复扩孔后达到孔径要求，扩孔不大于1.5倍管径，再将管道与钻杆连接，回拖管道到预定位置。管道就位后采用水泥砂浆进行压力灌浆处理， 牵引法施工拖管完成后，两端废弃的引导孔道应压注水泥砂浆填实。牵引管施工对地表干扰小，因此具有较高的社会经济效应。牵引管管材主要采用实壁PE管、钢管，管径一般不大于600mm，对土质要求稍高，碎石土中不宜采用。

（四）小型顶管法

小型顶管法与牵引管施工类似，在管道两端开挖一个工作坑和一个接收坑，在工作坑里面采用螺旋杆钻孔，然后扩孔，孔洞形成后采用顶管将管道顶进洞内，管道施工后要求对管外空隙采用水泥砂浆进行压力灌浆处理。

五、建议

近年来，污水管道结构设计往往不被重视，管道随意铺设，回填不合格，野蛮施工等，造成了路面塌陷，附近构筑物开裂等严重问题。管道工程看似简单，但是作为结构设计人员，应该具有严肃认真的态度和丰富的设计经验。（作者单位：南京市市政设计研究院有限责任公司）

管道结构设计篇（5）

中图分类号： S611 文献标识码： A

受场地条件、工艺要求等因素限制，核电站室外场地管线布置错综复杂，同时支墩会受到场地条件限制，在设计时应具体问题具体分析。水平弯头、堵头以及水平三通对支墩产生水平方向的力；在改变管道标高的上弯或下弯管处，支墩除水平分力外，还有垂直向分力；当有支墩高度范围内有地下水的影响时，还应该考虑地下水的影响。

1、支墩水平受力状态

支墩的水平抗推力，主要由土压力，支墩和地面摩擦力FF组成。

支墩可以近似的看成挡土墙。根据现有的土力学理论，土压力根据挡土墙位移方向和墙后土体的受力状态，分为三种不同的土压力，即静止土压力P0、主动土压力Fa和被动土压力Fp。当挡土墙静止不动，土体处于弹性平衡状态时，土对墙的压力为静止土压力；当挡土墙向离开土体方向偏移至达到极限平衡状态时，土对墙的压力为主动土压力；当挡土墙向土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，土对墙的压力为为被动土压力。土压力和墙身位移的位移关系如图1所示。相同土体的情况下，被动土压力Fp大于主动土压力Fa，而被动土压力所需的位移δp大大超过了δa。

当管道对位移有严格要求时，支墩不允许产生位移，此时位移δ=0，支墩两侧均受到静止土压力P0，大小相等，方向相反。此时，水平抗推力为支墩和地面摩擦力FF。FF与支墩自重以及上部覆盖土的重力G以及支墩和地面的摩擦系数f有关。

当管道的水平力大于摩擦力FF时，支墩将向抗推力侧产生位移δ。在当位移δ为δa时，支墩迎推力侧的土体达到极限平衡状态，产生主动土压力Fa，而支墩抗推力侧位移尚未达到δp；当位移δ为δp时，支墩迎管道侧土体已经被破坏产生滑动面，抗推力侧土体达到极限平衡状态，产生被动土压力Fp。此时水平抗推力最大。

经相关研究，被动土压力的位移δp往往要达到2%~10%H（H为支墩高度）是才能产生被动土压力。当土体达到被动土压力时，位移δ可能已经远远大于管道接头设计允许值，故设计时应对被动土压力Fp乘以一个折减系数来进行折减，折减系数可根据具体情况区取0.4~07。

土压力的计算理论常用的有朗肯土压力理论和库仑土压力理论。朗肯土压力理论是根据半空间的应力状态和土单元体的极限平衡条件而得出，假设墙背光滑、直立、填土面水平；库仑土压力理论是以整个滑动体上的力系平衡条件来求解土压力的理论。由于每种理论都有各自的试用条件和局限性，也就没有一种统一且普遍适用的压力计算方法。由于朗肯土压力理论是建立在半无限土体假定的基础上，在有边界条件时不符合这一假定；库仑土压力理论在计算主动土压力时比较接近，对于被动土压力偏差较大，不应用于被动土压力的计算。对于支墩水平力的计算，迎推力面土对支墩产生被动土压力，该侧土体往往设计成竖直面，以保证产生相对最大的被动土压力，符合朗肯土压力假设条件，可以用朗肯土压力理论计算；而管道方向产生主动土压力，此方向截面可以设计成斜面，以节省材料，可采用库仑土压力理论计算。《给排水水工工程管道结构设计规范》给出了主动土压力和被动土压力的简化计算公式，可以在简化计算时采用。

2、支墩垂直方向受力状态

在管线布置过程中，往往需要用上下弯头对管道的标高进行调整。在弯头处，除了产生水平向分力以外，还产生垂直分力N（在本文中N不表示方向）。向上弯弯头产生垂直向下的分力N，N同支墩自重以及上部覆盖土的重力G方向相同；向下弯弯头将产生垂直向上的分力N，N与G方向相反，应该保证G大于N才能保证支墩稳定。

垂直分力向下的上弯弯头的支墩，可以通过扩大基础面积，提高基础承载力等方法解决。垂直分力向上的下弯弯头，当管道直径和压力、弯头角度都比较大时，向上分力N很大，需通过加大支墩本身自重和上部覆土重的方式来满足稳定验算。在实际工程中，下弯弯头一般埋深比较浅，如果按照常规做法，采用矩形实心混凝土支墩的体积较大，浪费材料。可以采用倒梯形或者井形支墩设计，可以充分利用回填土自重，减少混凝土用量。

3、地下水的影响

当有支墩高度范围内有地下水的影响时，还应该考虑地下水的影响。计算垂直向稳定性时，因水的浮力作用，土和支墩有效重度G减小，对结构产生不利影响；计算水平抗力时，地下水面以下的土重度要按照有效重度来计算，主动土压力和被动土压力都将减小，其中被动土压力相对减小更多，摩擦力FF也因重力G减小而减小。因此，当支墩高度范围内有地下水时，应充分考虑地下水的不利影响。

结语

由于管线布置错综复杂，各种管线交错布置，支墩受力状态复杂；同时受到场地条件限制，具体设计时不能不考虑周边管线、构建筑物的影响，增加了设计难度。因此设计时应具体问题具体分析，分析清支墩的受力状态，充分利用现有条件，采用安全合理的安全系数，才能保证支墩的安全性和经济性。

参考文献:

1 陈希哲,叶菁.土力学地基基础 清华大学出版社

管道结构设计篇（6）

市政给排水工程的质量直接关系着整个城市的给排水系统，对于城市的正常运行、道路建设、交通运输安全的作用巨大。因此，相关的从业单位要重视市政给排水管道工程的重要性，在设计结构方案时，综合考虑实际的工程状况，尤其是场地周围、气候变化、地下管线和电缆的情况，在保证工程施工质量的同时，避免其他因素影响给排水管路工程设计方案的实施。

一 现场踏勘

市政给排水管路工程的建设距离相对较长，需要穿过城市密集区，施工场地周围的周围车辆对施工带来了极大的不便，如果施工之前现场勘察工作不到位，就会对管道工程建设中可能面临的困难估计不足，进而影响了施工质量和施工进度。在市政给排水管路工程中，要综合考虑复杂的交通状况和城市地下电线的分布，结构设计人员应当和给排水施工人员、专业预算人员、市政交通人员一同进行实地的工程概况勘察，了解管道线路的通过地带的交通状况和地质概况，必要时在施工图上对于个别的疑难地段重新踏勘。

二 测量和地勘要求

测量和地勘要求是要准确的了解给排水管路沿线的地质状况、地形外貌和地下水水文状况，另外提供准确的地形和水文地质资料。

2.1 勘探点间距和钻孔深度

勘探点的应均匀的分布在管道的中线上，不得偏离中线，同时根据的地质的变化和施工现场的状况确定合理的间距，一般采用的间距是30到100米，对于地形较为复杂的地段，适当的缩小间距。此外钻孔的深度要达到管道埋设深度的1m以下，到管道周围的水位较高或者是河流周围时，要增加钻孔的深度，一般要求钻孔深度在河床冲刷深度以下2―3m。

2.2 提供勘探成果要求

查明管道埋设深度内的土层的特性、地层成因、岩石厚度等，并明确划分不同地质的分界线，同时调查的岩石强度和分化破碎程度对于给排水管道的影响，判断岩石是否会破坏管道的结构，调查管路沿线发生土层断裂、滑坡、崩塌、泥石流的概率以及发展趋势，并判断对于给排水管路的威胁指数；查明管道沿线的地下水位的水文状况，查明垮河流岸坡的稳定性，河床两侧的底层岩石和洪峰淹没范围。

三 结构设计内容

3.1结构形式

管道结构的设计形式应当由给排水专业机构完成，同时在结构设计汇总参考管道的用途，对于管道中输送的不同液体，确定是给水还是排水工程，选用不同的设计标准。而且管道的工作环境、管道的规格、输送液体的流量、埋设深度、地下水文状况、经济指标等方面的因素也是结构设计中必须要考虑的因素。铸铁管、玻璃钢管等；而非承压管道采用混凝土管、钢筋混凝土管、砌体盖板涵、现浇钢筋混凝土箱涵等；污水管路的结构设计选用的是大口径的管路，而且优先使用抗腐蚀能力强的管道，如玻璃钢管、UPVC 管、PE 管等。对于特殊的负荷承载较大的路段，要采用抗压能力强的管道，如桥梁、河渠、公路段等局部地段非承压管也采用钢管等形式。

3.2结构设计

根据管道施工中管道规格、埋设深度、地面承载力等工程条件，严格计算管道的强度和刚度，同时提供管道壁厚、管道等级、结构配筋图，对于特殊要求的管道，要进行加固处理，保证其强度和刚度符合实际的工程使用，并根据实际情况选用加固措施，确定加固的位置和程度，在给排水管道中，常采用的加固措施是混凝土包管。

3.3敷设方式

敷设方式的选择应当结合埋置深度、地面地下障碍物确定，通常采用的敷设方式有：沟埋式、上埋式、顶管及架空等，当工程的不便于采用沟埋式敷设方式时，可以用顶管和架空方式，总之，施工方式的选择要参照实际工程状况。

3.4抗浮稳定

部分市政给排水管路施工中，会出现地下水位较高的情况，尤其是在施工期间降水较多或者施工地区的气候多雨等，管道敷设的地段会出现漂浮现象，严重影响了管路施工的质量。因此在结构设计中要重视抗浮措施，避免这一现象的出现。

3.5抗震设计

3.5.1 场地和管材的选择

在结构设计中，管路基线的选择要尽量避开抗震性能不足的场地、地基，减少对管路结构完整性的破坏，如果是不可避免，则必须要对这一地段的地基进行特殊处理，同时选用抗震性强、抗拉性强、延展性强的管道，并做好管道的防腐蚀工作，避免由于土层振动、位移对管路结构产生影响。

3.5.2 构造措施

在管道结合处设置柔性连接，砌体材料要满足管道结构要求的抗震强度，增强整体的抗震性能和结构刚度，减少地震的影响形变。对于圆形给排水管设置不小于120度的混凝土管基，管道接口采用钢丝网水泥带，管道穿越构筑物时应在管道与套管的缝隙内填充柔性填料。

3.5.3 地基处理

对于特殊地段的地基处理至关重要，首先要测定地段的工程参数，画出地基处理的平、纵断面图，注明桩号、基底高程、沟槽范围、地下水位等，确定需要处理的地基范围，然后根据测量的数据，根据不同的地质情况和厚度采用合理的处理方法，如：换填、抛石挤淤、砂石挤密、水泥搅拌桩、灰砂桩、木麻黄桩等方法。

四 给排水管道设计中的其他问题

除了加强市政给排水管路的结构设计工作，还要采取一些措施，避免给排水管路中出现堵塞现象，具体的措施如下：

4.1在用户管线出口建立格栅

工程建设中出现的纤维、塑料等沉积物、悬浮物、漂浮物的存在给管道建设、维修、疏通等作业带来了极大的困难，特别是抽升泵站中如果进入漂浮物就会造成水泵叶轮堵塞、磨损损坏现象的发生，虽然已经采取了减小格栅条之间的间距 ，但是还是不能避免更小的杂质进入。为了解决上述问题，建议在庭院或住宅小区的管道出口处设置简易人工拦污格栅，定期进行清理、清掏，从源头上控制漂浮物进入市政管网，以减轻市政管网维护管理的工作量。

4.2在检查井井底设置沉淀池

要革新传统的检查井方法，将井底改为沉淀式，井底下沉 30～50 cm。这样中的沉积物多数会沉积在检查井中，不至于流入下游管段，只要定期清掏检查井内的沉积物即可，减少了管道维护作业的工作量。这种做法也可用于雨水检查井。

4.3在检查井内设置闸槽

给排水管路中的流量和流速均较大，对管道的维修工作带来诸多不便，为了方便维护作业，建议干管的管道交汇处检查井、转弯处检查井或直线段的每隔一定距离的检查井内根据需要设置闸槽，利用闸槽控制水流的流量，当有施工需要时，便利用闸槽切断给排水管路的水流，为维修施工带方便。

五 总结

市政给排水工程质量好坏直接影响到了整个城市的发展状况，对城市运作、道路建设、交通安全等多个方面都有显著的作用，但是在实际的工程中，市政给排水管道建设中存在着较多的结构问题，所以在工程结构设计中，要综合考虑施工周围环境、地下电网铺设等因素，保证管道结构设计的科学性，全面性。以上是本人的粗浅之见，由于本人知识水平有限，文中如有不当之处还望不吝赐教。

[参考文献]

管道结构设计篇（7）

中图分类号：TP302.1    文献标识码：A     文章编号：

    

     引言

     目前，在水环境自动化检测的要求和标准的不断提升，检测条件越来越困难的情况中。用无线传感设备网路科技来处理水环境自动化检测是一个比较合理的方法。该方案除了硬件设计之外，与之配套的水质量检测软件也不可或缺。该系统主要计是通过算机服务器进行数据采集、预警、数据分析与挖掘，自动查找异常数据，自动追踪污染源，为质检部门提供原始资料；对工业废水进行检测，达到实时排污监控；在高精农作物区对水域进行营养元素的检测，为农业发展提供基础。

     根据该系统的功能分析，系统包含信息收集、信息传送、信息监测、信息储存和信息研究这些有关功能，后一个模块都以前一个模块的数据为基础，属于一个典型的流水线性处理过程，如果单独采用传统的单线程或者批处理的方式进行设计，就会存在着明显的效率问题，因为各个模块的工作属于实时系统，要求能够并发工作，而且各个功能模块根据工作需求和实现的工作原理，随时需要重组和替换，伴随程序体系范围与困难性的增多，体系整体构造布设的关键性已经大大超越固定算法与信息构造的选取，很好的系统构造是保障体系实现的条件。根据程序系统构造的进程研发是目前程序研发的根本方法，还为程序项目实现的信号。笔者在此系统中，提出采用了管道/过滤器的构架模式，完成系统的构架设计，解决了实际中的各种问题。

1. 管道过滤器体系结构概述

     管道和过滤器模式是体系结构模式中的一种，该方式的主要特征为：将体系目标划分若干个关联的操作环节，各个过程的输送是其他过程的送入，并且信息的整理与管控有效执行。一般的特点为：

     给整理信息的体系供应了一个构造；

     各个操作环节封存于某个过滤设备部件里，各个过滤设备能够自己改进，其性能单调；

     信息经过邻近过滤设备互相间的通道传送；

管道结构设计篇（8）

报警阀自动喷水灭火系统已广泛应用于工程建设中，由于技术的发展， 其对火灾的反应愈加迅速， 可靠性得到了很大提高。通过大量的工程实践， 对其应用有了更深入的了解。为保证系统的可靠性， 使整个系统更经济合理， 本文从设计的角度结合部分工程实践对自动喷水灭火系统喷头和管网的设置对整个系统的影响进行分析和探讨。

1 喷头的布置喷头的布置

可根据建筑的实际构造， 灵活多样，但须在满足《自动喷水灭火系统设计规范（ GB50084-2001） 》 （以下简称《喷规》 ）的基础上。而不同方式的喷头布置， 对整个自喷系统的设计流量、管径、供水压力、感观、造价都产生不同的影响。

1. 1 喷头的布置原则

《喷规》第7.1.1 条： 喷头应布置在顶板或吊顶下易于接触到火灾热气流并有利于均匀布水的位置。当喷头附近有障碍物时， 应符合本规范7.2节的规定或增设补偿喷水强度的喷头[ 1 ] 。

以上规定了布置喷头应遵循的原则， 尚应遵循：不出现未被覆盖的或过多的重复覆盖面积；喷头间不互相影响； 满足作用面积内的喷水强度、喷水的均匀性及喷头的适时开放； 满足其它规范对喷头布置的影响， 并应结合实际， 综合考虑。

1.2 喷头的布置形式

喷头最常用的布置形式有正方形、矩形或平行四边形。在实际工程中， 一般多采用正方形或矩形的布置方式。《喷规》7.1.2表中， 按喷水强度的要求， 根据喷头不同布置形式， 对边长、喷头与端墙的最大距离和一只喷头的最大保护面积作出了规定。

由于喷头的布置受其他因素的影响较大， 实际设计中常出现喷头不能按某固定距离来布置。不能简单地把规定值当作间距，不管被保护对象及建筑平面尺寸和构造要求如何，一律采用3.6m （中危险级）或4.4m（轻危险级）间距布置， 结果出现喷头贴梁、贴柱安装， 使该处喷头喷水受阻， 并在梁柱周围形成不被喷水覆盖的空白，对灭火十分不利。或者在不规则建筑平面喷头布置凌乱，配管纵横交错、杂乱无章， 影响建筑美观及喷洒功能的发挥。故须根据工程实际情况， 选定喷水强度、喷头的流量系数、工作压力，按规范规定的喷头间距限值，结合建筑分隔、结构柱网和各种障碍物灵活布置，以期系统安全、实用与经济。

例如办公楼、宾馆等的走廊，成行喷头的布置位置与走廊中线相距甚远， 很不美观；又如地下车库由于硬套3.4m 的间距布置，造成不少喷头不能按结构梁协调设置， 或无法按要求布置在停车位上方；再如大中型商场由于规模、销售物品种类等时常变化，功能划区也经常变动，喷头应结合建筑的开间及布局一块块布置，既能满足规范要求的喷水强度又能灵活适应建筑分隔的变化。

对于不设吊顶的场所，首先要根据所需要的喷水强度考虑喷头间距，与结构专业紧密协商，按不同柱网尺寸情况将次梁布置成十字、双十字、井字、一字、二字或无次梁的形式；将喷头布置在主次梁分格中，提高建筑的使用空间。但在部分位置无法按结构梁格布置喷头时，可局部增设集热板。

1. 3 喷头的间距与系统工作压力的关系

《喷规》第9. 1. 1条给出喷头的流量公式：

式中： q―― 喷头流量（ L /m in） ；

K ―― 喷头流量系数；

P ―― 喷头工作压力（MPa）。

当喷水量确定以后据规范给出的设计喷水强度例如中危险级I级6 L / （ m inm2 ） ， 即可算出一个喷头的保护面积为： F = Q /6。

由上两式可知， 喷头工作压力越大， 喷水量越大， 保护面积越大， 喷水半径亦大， 喷头的布置间距随之加大。因此， 在满足规范喷水强度要求下， 可以根据实际工作压力适当调整喷头布置间距， 既安全又经济。

1. 4 喷头选型

《喷规》第6.1.1 条规定： 闭式系统的喷头， 其公称动作温度宜高于环境最高温度30 ℃ 。某宾馆不管何使用功能均采用公称动作温度为68 ℃ 的喷头， 造成系统投入使用后厨房及其烘房里的喷头均爆裂喷水同时报警， 引起不必要的慌乱， 后将这些场所的喷头改成93 ℃ 温级后才未误动作。另外常见的闷顶或有机玻璃顶， 在炎热的季节， 其顶部温度会很高， 其喷头的温级也宜采用93 ℃ 。不同功能部位应选用不同热敏性能的喷头， 在采暖通风管道、加热器、不保温的蒸汽管道、天窗等部位应采用中高温度的喷头， 以防止因采用68 ℃ 普通喷头而常爆破， 造成不必要的水渍损失。设计中对于开水房、蒸饭间、工业厂房的蒸汽点等特殊部位应特别注意

《喷规》规定了喷头的选型和无吊顶处喷头溅水盘距顶板的安装距离。有的施工队在无吊顶场所安装时， 将直立型和下垂型喷头混装， 使热气流不能尽早接触加热喷头的热敏元件， 显然火灾时喷头将不能正常发挥优势。

1. 5 工程实例

（ 1）类别一， 地下汽车库。地下汽车库喷头布置： 一是要按《喷规》中危险Π级； 二是应设在停车位上方； 三是受结构柱网限制。

图1是某小区IV 类地下汽车库局部图， 车位开间尺寸为8. 1m×5 . 3m， 车行道开间尺寸为8. 1 m ×7. 3m， 按照中危险II级所要求的喷头间距， 与结构专业协商后定为： 车位内布置一字梁， 车行道内布置双十字梁， 管道均贴梁底安装， 喷头均匀按梁格布置并采用直立型； 东侧局部无法按结构梁格布置喷头， 增设集热板， 下设下垂型喷头。即8. 1m 开间布置三排喷头， 喷头间距2. 7m， 满足规范中危险II级正方形3. 4m长方形3. 6m 间距的要求。

图1 Ⅳ类地下汽车库局部平面图计算其系统流量

按《喷规》第9.1.2条： 水力计算选定的最不利点处作用面积宜为矩形， 其长度应平行于配水支管， 其长度不宜小于作用面积平方根的1.2倍。本例系统作用面积160m2， 水力计算长度应不小于15.18m， 图1中虚线段围合区域即为其计算作用面积， 长度为15.19m。按最不利喷头出水5m计算系统设计流量为24.62 L /S。

图2 为某高层地下室汽车库局部图， 开间尺寸为8.1m × 8.1m， 结构在方案阶段定的是十字型的宽扁梁， 梁宽为400mm，见图2左图。为满足规范间距， 要求各有一排喷头位置在宽扁梁下。按规要求， 集热板平面面积不小于0.12m2， 即宽度不小于0.35m， 这样可考虑利用该宽扁梁代替集热板。但梁两侧不能挡烟， 故考虑在梁两侧设置高7～10 cm的围合热气流的铁皮挡板。

施工图时结构方案变动， 次梁宽改为普通梁，同意按水专业要求布置了井字梁， 见图2 右图。即喷头间距为2.65m， 均匀布置在梁格中间， 采用直立型。这是最常用的地下室汽车库喷头布置方法。少量地下室采用无梁楼盖， 喷头布置就较随意了。

图2 某高层地下室汽车库局部平面图

2 管网的布置

管网布置是在喷头布置的基础上进行的， 随意性较大， 其造价约占整个系统造价的50% ～ 60%，系统规模愈大， 这个比值愈高， 因此， 管网的布置直接影响系统的造价。同时管网担负着向喷头送水的作用， 有安全供水的要求。

2. 1 干管布置

采用居中进水（即配水支干管与成组喷头支管居中连接）还是采用边侧进水， 何种方案最经济， 应经管网水力计算比较。

2.2 报警阀的设置

报警阀控制管网和喷头， 是管网重要组成。按《喷规》要求： 一个报警阀组控制的喷头数， 湿式系统不宜超过800只。配水管道的工作压力不应大于1.2MPa； 每个报警阀组供水的最高与最低位置喷头， 其高程差不宜大于50m； 轻中危险场所各配水管入口压力不宜大于0.40MPa。这几条是进行管网分区和划片的要点。高度100m左右高层自喷系统最大工作压力可能超过1.6MPa， 超过湿式报警阀的最大工作压力要求， 此时则应结合竖向分区情况， 把报警阀往楼层上方移位， 将报警阀出口工作压力控制在1.2MPa内， 利于系统安全运行。

某商贸中心， 有三幢二类高度未超50m的商业单身公寓楼， 设计时28层酒店待后。主体2～ 10层为单身公寓， 裙房1～ 3层为商铺。因面积不大， 喷头不多， 共731个喷头， 地下室喷头已刚够设一组报警阀， 而建筑高度也不高， 故先考虑1～ 10层设置一组报警阀。因后期有28层酒店， 故该报警阀接自自喷泵后减压阀， 阀后压力0. 8MPa。单身公寓仅走道设置喷头， 各层支管管径为DN100和DN 70， 商铺各层支管管径为DN 150。按《喷规》： 减压孔板孔口直径不应小于设置管段直径的30% 。公寓各层孔板均满足要求。而商铺1层配水管处压力为68m，考虑减到30 m， 需减压38 m， 孔板需孔口直径39mm， 小于管段直径的30% ， 不合规范要求。若采用30% 管段直径， 即45mm， 则减压21.5m， 减后压力为46.5m， 又超过规范配水管入口压力不宜大于0.40MPa的要求。这说明该系统采用同一组报警阀是不合理的， 应将商铺和公寓分设报警阀。

该例说明自喷水系统中报警阀应按建筑功能区域设置， 而不应以喷头数目设置。每层应按不同部位划分区域， 各层相同部位由同一报警阀控制， 即竖向控制。笔者认为竖向控制优于水平控制， 在水平控制系统中， 由于各报警阀前所需工作压力不同和同一层喷头距立管位置不同， 易导致喷洒的不均匀性，以致影响灭火效果。因此， 报警阀后控制喷头是分层水平控制还是竖向控制是需按实际情况确定的。

3 结 语

自喷系统的喷头和管网合理布置至关重要， 设计人员首先要熟练掌握有关规范， 并应通过详细水力计算来比较定夺更可行的实施方案， 结合实际情况进行灵活、合理、科学的设计， 保证整个系统的正常运行。

管道结构设计篇（9）

塑像材料由于其性能良好、无污染、施工高效特特点，目前被广泛的应用于排水管道防结露工程中，它已逐步的代替了矿棉板、玻璃棉管壳等传统的排水管道防露材料。在实际施工中由于缺乏相关的操作规范与技术标准，使得操作人员在操作过程中随意操作，过程处理不到位，导致塑像材料极度的浪费和防结露效果不良的现象出现。针对这一情况和塑像保温材料在施工中的特点，本文提出采用一种新型的高效的防结露设计，该设计能完善排水管道防结露工程中的施工措施、步骤和方法，使管道防露工程在操作上、工艺上和效果上都得到了极大的提高。

一、分析排水管道结露原因

在施工中如果操作不当或者塑像材料选择不合理，那么就极易造成裂口，管道就会露出在空气中形成结露。该裂口通常在塑像材料的对接面出现，至于对接面发生裂口多半出现在管道的弯头、三通、管卡等主节点位置，由于管道的弯头、三通和管卡等位置在构造方面比较特殊，使得塑像材料很容易弯曲褶皱，从而出现粘接不良的情况，导致裂口出现影响管道的防露效果。

二、施工工艺的分析

整个施工流程如下图所示：

（一）塑像保温材料的下料

1、选料

根据具体施工要求设计防结露的厚度来选择板材厚度或者保温材料管壳，然后根据管道管径大小来决定使用板材还是管壳。如果工程中的管道的材质是塑料材质或者是黑铁材质的，那么塑像保温管壳的规格应该与防结露管道的规格相同，如果是钢管管道，那么保温管壳的规格就应该要大于防结露管道的规格。

2、顺序

通常的下料顺序为管道弯头，然后三通处，最后是直线管道。如果该保温管路中存在很长的直线管道并且该管道没有很多的其他管件，那么可以先行安装。

3、管道弯头处的下料

在对管道的弯头处下料，塑像材料应该向弯头的两端延长一段直线距离，这是为了抵消材料间的挤压力，防止出现褶皱。如果两个弯头的连接间的距离不超过10cm，则需要给每个弯头一端延长一段直线距离，另外一端是它们之间连接距离的一半。如下图：

4、三通处的下料

对管道三通处的下料，要求塑像材料分为两个直线管段，一是主管段，一是抽头段，两个管段的接口应该和三通管相同，下料时应特别注意两个直线段都要延长一段距离。如下图：

5、直线段的下料

对于直线段的下料，直接根据管道的长度进行下料就可以了，在条件允许的情况，尽量少切断保温壳，减少接口的数量，其中直线段的弯头、三通和其他管道部件应该要扣除延长直线距离。

6、管卡处的下料

对于管卡处下料，当管道中的壁卡或者吊卡和管道的材质相同的塑料卡，那么管卡部位就可以不需要塑料衬垫或者木衬垫，如果壁卡或者吊卡为金属卡，那么就必须在下料时保证塑像保温管壳和壁卡或者吊卡隔开。

7、直线管道变径处的下料

对于直线管道变径处的管件是大小头，这时我们采用大口径的塑像保温材料同时对大小接头直接保温。

8、塑像保温材料接口面的处理

当管道为直线性时，塑像保温壳管的开口呈一条直线，当两段塑像管壳进行对接时，塑像管壳的最后部分在纵向剖面上是务必要垂直；如果是运用的塑像板，那么板材卷起来成管状，它的切口是很均匀的，切口面也是以一个角度来进行切割的。

（二）塑像保温材料的正确安装

1、安装顺序

在安装中，一般是先安装管道，然后是阀门，先弯头，后三通等节点，最后是管道直线部分的防结露。

2、塑像保温材料的安装

塑像保温材料的安装可以分为以下几个部分来进行：

一是把已经整理好的塑像保温管壳放在要施工的管道正下方，并且塑像保温管壳的切口面朝上对准管道，然后双手托住塑像保温管壳向上扣进管道上，最后对安装的塑像保温管壳进行检查，查看是否和管道吻合，如果塑像保温壳的内径大于管道外径时，则塑像保温材料在扣入管道中时会有多余的剖开面，这时就需要按照管道的外径进行合理的裁剪剖开面，然后再进行安装。

二是在给三通管道安装塑像保温材料时，我们一般的顺序先安装主段，再者安装三通抽头段。

三是给管道安装时运用的是塑像保温板材，那么应该把塑像板材放在管道正下方，垂直向上贴住管道的底部，然后根据管道的弧度轻微用力时板材贴住管道，直到管道被全部封住为止。

四是安装完毕后，应当对安装的管道进行及时的检查，查看塑像保温材料规格、贴合部分是否符合规范，着重查看塑像保温材料的重叠和褶皱情况，如有不符合规范的需拆下处理后重新安装。

（三）结合口的定位和封闭问题

安装后需要把塑像保温壳或者板材的剖开面的剖开线在同一条直线上，封闭的的顺序先是材料的的剖开面，然后是各材料间的对接面。具体的步骤是把防结露的封口处适度的拨开，用毛笔或者软刷蘸取适量的胶水均匀的涂抹在两边的对口面上，让胶水涂抹完毕后，应当使其自然风干几分钟，这里的风干时间取决去当时环境的温度与湿度，然后把两边的对口面进行粘贴，同时用手挤压几分钟。

（四）胶带的结合口封闭

在对胶带的选择上，一般采用宽3cm，颜色和塑像保温材料相同，粘性也比较适中的胶带。在对管壳或者板材的剖开面进行封闭时，任选管路一端作为开端，把胶带顺着剖开线进行轻压粘接，在粘接过程中保持管壳和板材剖开线两边距离相同，防止出现褶皱。封闭完后，检查管壳和板材的剖开面是否有褶皱和是否有缝隙。

三、结语

本文对管道的防结露保温材料进行了详细的分析，从材料的特性和施工的工艺上以及管道各部位的安装进行了全面的探讨，形成了比较完善的塑像保温材料防结露工程施工工艺，对建筑中的金属管道、塑料管道保温防结露工程都有重要的意义。

参考文献：

管道结构设计篇（10）

中图分类号：U4593文献标志码：A文章编号：1672-1098（2016）01-0001-05

Abstract： In order to study the distribution of internal force of shield tunnel lining， three kinds of computational procedures for calculating bending moment distribution in segments of shield tunnel were summarized and analyzed. A new loading-structure method for calculating the distribution characteristics of bending moment was proposed based on soil pressure calculation method with the soil mechanics principles. Taking the shield tunnel in Shenyang Metro as an example， the difference of bending moment distribution calculated with the common method， finite element method and loading-structure method were compared. The computational results showed that there are some differences for bending moment distribution calculated with different computational methods. By using finite element method， the influence of the coefficient of earth pressure at-rest on bending moment distributions was simulated. The results showed that the maximum moment on segment decreases with increase of the coefficient of earth pressure at-rest.

Key words：shield tunnel segment； earth pressure； earth mechanics； bending moment； Poisson's ratio of soil

近年来，世界上隧道工程的大量建设极大促进了隧道工程相关技术水平的进步，大多数国家在盾构隧道衬砌结构的设计方面都已形成较为固定的方法。但是，对于不同土层条件下计算模型以及荷载计算方法的选用并没有明确的规定，使得各种数值计算方法在隧道及地下工程中涌现出来，这对大量的设计和施工起到了良好的指导作用。

目前根据我国地下结构设计的特点，隧道结构设计分为四种：经验类比模型；荷载结构模型[1]；地层结构模型[2]；收敛约束模型[3]。假设地层对管片的作用只是产生作用在地下管片结构上的荷载，以计算管片在荷载作用下产生的内力和变形的方法称为荷载结构法；假设管片与地层一起构成受力变形的整体，并可按连续介质力学原理计算衬砌和周边地层的计算方法称为地层结构法[4]。收敛约束模型则是以测试为主的设计方法，但收敛约束法的原理还不完善，存在很多问题难以解决，使得该方法仍只能停留在定性的描述阶段。

实际上，在隧道工程结构设计中，由于地下结构的设计受到各种复杂因素的影响[5]，而这些因素的影响规律还没有完全被人们所完全认识，使得理论计算的结果常与工程实际有较大的差异，很难用作实际的设计依据[6]。即使内力分析采用了比较严密的理论推导，其计算结果往往也需要用经验类比来加以判断和补充，因此隧道设计仍难摆脱经验方法的约束，经验方法在我国隧道设计中仍占主导地位。尽管信息化设计作为隧道工程设计理论的一个方向，但在其预设计阶段，支护参数仍须采用经验方法来确定。同时由于经验方法的理论及数据限制，基于经验和科学建立起来的隧道工程设计模型，其设计水平的提高，最终仍将依赖理论上的发展与突破。目前，基于有限元数值模拟方法越来越广泛的应用于盾构隧道的研究。文献[7]通过三维模拟对盾构隧道施工的机械行为进行了有限元分析； 文献[8]利用数值模拟分析了灌浆压力和工作面推力对引起的地面沉降的影响； 文献[9]利用梁单元模拟衬砌结构， 弹簧单元模拟围岩抗力， 点弹簧单元模拟墙角支座通过有限元法计算衬砌的内力和变形； 文献[10]通过一系列有限元方法分析了不同环境下隧道表面的沉降情况； 文献[11]采用FLAC3D有限差分程序对双隧道施工过程的影响因素进行了数值统计与分析。

通过模拟某盾构掘进的隧道，在忽略管片接头的基础上，即将管片视为抗弯刚度均匀的圆环，采用惯用设计法[12]，有限元法[13]和荷载-结构计算方法，得到隧道管片的弯矩分布，模拟计算了土体泊松比对隧道管片弯矩的影响。

1盾构隧道管片计算模型与方法

据统计，隧道建设费用中衬砌费用往往占整个隧道工程造价的30%～40%，因此，隧道衬砌结构设计必须安全可靠，同时经济合理。基于经典的管片内力计算方法惯用设计法以及有限元法，本文提出了新的计算模型，荷载-结构法。

11管片内力计算的惯用设计法

日本规范的隧道管片弯矩分布计算方法即为惯用设计法，其在计算过程中假设管片环是弯曲刚度均匀的圆环，它不考虑接头所引起的管片环局部刚度降低。在设计中，考虑了隧道顶部与底部的均布线荷载，隧道侧面的线性分布荷载，管片的自重以及水平方向地层抗力。

惯用法所使用的荷载体系如图1所示，垂直方向的地层抗力为等分布荷载，水平方向的地层抗力假定为管片环顶部开始左右45°～135°线性分布荷载（三角形分布）。则任意截面的弯矩值为垂直荷载、水平荷载、水平三角荷载、地层抗力以及自重产生的弯矩值之和。

12管片内力计算的有限元数值方法

由于隧道结构是在地层中修建的，其工程特性、设计原则及方法与地面结构不同，隧道结构的变形受到周围土体本身的约束，从某种意义上讲，土体也是地下结构的荷载，同时也是结构本身的一部分。

根据局部变形理论，隧道管片结构弯矩分析可以简化为内力计算力学模型（见图2）， 并通过ANSYS软件实现平面内弯矩的计算。 假设管片圆环是弯曲刚度均匀的如图2所示的位于土体中心的圆环， 选用ANSYS单元库里的梁单元BEAM3来模拟管片。 同时假设管片四周的土体为均匀的弹性变形体， 选用平面实体单元PLAN42模拟土体。 土体两侧施加水平位移约束，土体底部施加垂直位移约束。

13管片内力计算的荷载-结构法

荷载-结构法是将支护结构和围岩分开来考虑，这种模型认为隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支撑对结构施加约束来体现的[14]，而土体承载能力则在确定土体压力与弹性支撑的约束能力时直接地考虑。支护结构是承载主体，土体作为荷载的来源和支护结构的弹性支撑，并等效为作用于支护结构单元节点上的径向和切向荷载。在大多数情况下，切向荷载比径向荷载小，为简化而忽略其作用，仅对支护结构离散单元进行分析。

取四分之一管片作为简化模型（见图3），选用平面单元PLAN42模拟管片圆弧，模型顶端施加水平位移约束，底部施加垂直位移约束，管片圆弧外侧施加法向荷载。利用这种模型进行隧道设计的关键是如何确定作用在支护结构上的主动荷载。图3荷载-结构法计算模型已知基于弹性力学理论得到的任意深埋条件下的垂直土压力为

pv=∑ρighi （1）

式中：Pv为垂直土压力；ρ为土体密度；g为重力加速度；h为埋深；i为土层编号。

根据弹性力学理论，其水平土压力为

ph=μi1-μipv （2）

即 λ=phpv=μi1-μi （3）

式中：Ph为水平土压力；μ为土体的泊松；λ为侧向土压力系数。

基于土力学理论得到侧压力系数

λ=phpv=1-sin φ （4）

则ph=（1-sin φ）pv（5）

作用在管片的法向压力为

P=Pvcos2θ+Phsin2θ （6）

其中θ=arctan（-xy）（7）

式（4～7）中：φ为土体的内摩擦角；P为施加在管片外侧的法向压力；θ为管片模型任意截面与y轴正向的夹角；x，y分别为管片模型外侧面任意点的横坐标和纵坐标。

2管片内力计算的数值算例分析

以沈阳地铁云峰北街――沈阳站的地质条件为例，选取一种简单的地质模型进行对比分析（见图4）。隧道管片位于某均质单一土层，隧道覆土厚度15 m，土体容重18 kN/m3，弹性模量40 MPa，泊松比033，内摩擦角30°，地基抗力系数30 MN/m3。混凝土管片外径6 m，管片厚度350 mm，容重24 kN/m3，弹性模量345 GPa，泊松比020。

图4盾构隧道管片算例模型由式（3）和式（4）两种方法计算得到土层的侧向土压力系数值均为05。分别采用以上提出的三种计算方法，得到隧道管片四分之一圆环在侧向土压力系数同为05的情况下的弯矩值随角度变化（见图5）。

1. 惯用法；2. 有限元法；3. 荷载-结构法

不同方法管片的弯矩图对比基于有限元的隧道管片弯矩分布计算方法中，选用BEAM3单元模拟隧道管片，通过改变土体的泊松比μ，得到不同泊松比时的弯矩（见图6）。

1. μ=0.2；2. μ=0.25；3. μ=0.3；4. μ=0.35；5. μ=0.4

图6不同泊松比管片的弯矩分布由图6可得到管片不同泊松比的最大弯矩值变化情况（见图7），通过拟合该曲线可得到管片的最大弯矩值Mmax（kN・m/m）同泊松

土体泊松比为033时隧道管片的弯矩分布如图8所示，弯矩的正负号规定为：使衬砌内弧面受压为正，内弧面受拉为负，单位kN・m/m。通过图8可以看出，管片腰部受压弯矩最大，管片顶部及底部受拉弯矩最大。

弯矩/（kN・m・m-1）

土体泊松比为033时隧道管片的轴力分布如图9所示，轴力的正负号规定为：压缩为负，拉伸为正，单位kN/m。

轴力/（kN・m-1）

图9有限元模拟泊松比033时管片轴力分布通过图9可以看出，管片整体受到压缩轴力作用，其中顶部轴力值最小，腰部轴力值最大。3结论

1） 当土体泊松比为033时，根据弹性力学理论得到土体的侧向土压力系数为05。当土体的内摩擦角为30°时，根据土力学理论得到土体的侧向压力系数也为05。荷载-结构法与日本惯用设计法所得到的管片最大弯矩值比较接近，有限元法得到的管片最大弯矩值偏大。

2） 三种方法得到的隧道管片弯矩分布形状基本一致，即在土压力作用下四分之一隧道管片在0°和90°弯矩值最大但方向相反。在45°附近弯矩值为0，其他四分之三管片圆环弯矩分布与垂直轴呈对称形状。

3） 有限元模拟结果表明土体的泊松比影响隧道管片弯矩值，隧道管片的弯矩值随土体泊松比增大而减小，但不影响隧道管片的弯矩分布形状。

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