论浅埋市政给水管的应力原理

高丛明于海

高丛明于海（大庆高新给排水有限公司）

摘要：社会的蓬勃发展带动了城市交通的变革，在越来越通畅的道路下面埋藏着为城市人民提供水源是给水管。科学的进步使城市的功能日趋完善，供水管的施工技术关系着整个城市的用水问题。利用SAP2000的计算机软件的强大的分析功能，对市政给水管的埋设进行工程静力分析，试验中将市政给水管受力在日常的承重力度下浅埋到土下，这个时候测试给水管的应力状态。测得试验数据后再将给水管处于两种非常极端的条件下，一种是使给水管的负荷无限制的增大，另一种是将给水管不限制深度的埋设，直到给水管承受不住应力而破裂，分析出水管能承受的最大的应力值。通过以上精确的科学实验得出一个结论，这也是本文议论的重点，在浅埋市政的给水管时，给水管可承受的土层厚度为0.5m。

关键词：市政给水管应力原理埋设条件

0引言

越来越完善的经济体制和社会主义特色的发展使中国的现代化建设越来越进步，城市的繁荣与扩张，城市的配套基础设施要跟得上步伐。给水管是城市发展的生命线，没有水源就没有生命的存在。埋藏在城市道路之下的市政的给水管担负着补给后方的重任。由于考虑到市政给水管的材质和外界等等的原因，在承受的荷载有限的情况下，只能埋设到非机动车道下面，以尽量减少对给水管的应力作用。给水管的构造原因不仅会受到外部的荷载，在内部也会产生强烈的荷载，而且这种产生自给水管内部的荷载是造成给水管破裂的最大元凶。给水管道是管状的结构，在水压和外部的荷载作用下在管道内受到的应力过大造成了给水管由内向外曲张变形直至破裂。给水管的外部荷载形成也是复杂的，由本身的土层和地面建筑的重量与经过的车辆的重量构成，是静态的荷载和动态的荷载共同作用。

1使用应力原理分析市政给水管埋设条件的原因

市政给水管受力过大破裂的类型分为连接部件的破裂型与管体的破裂型。在给水管的连接部件破裂类型中，是因为受到荷载过大，应力作用使得给水管的管件直接损坏。最主要的表现形式是给水管管道连接口的损坏，管道连接口受到应力作用而造成接口的松动漏水或者接口完全炸裂。而在给水管管体破裂的类型中可得知一般只有在给水管道受到应力的冲击过大时才会发生给水管的管体破裂现象。管体破裂的主要表现形式为给水管出现纵向的或者沿着管子环绕的裂缝。这种由应力导致的破裂对于我们进行应力大小分析在市政给水管埋设深浅问题上是非常具有有研究性的。在有管体破裂的事实证明之中，应力分析是研究这一课题的有效途径。SAP2000是美国计算机和结构公司(CSI)研制的工程分析通用有限元程序系统141，在国外是最受用户欢迎的大型通用有限元程序之一，该系统广泛用于建筑土木工程建设分析领域，该程序由于其功能选项足够多、灵活性强，非常具有实用性，还包括了参数化、运算、条件判断处理等能力，基本上能满足土工工程一般结构的计算。本文应用该程序对市政给水管进行应力分析，探讨覆土深度不足时的市政给水管受力状态。(《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003第3.5.3条：行车道下的管线覆土深度不宜小于0.7m)。

模型建立地床按可塑粘土考虑，弹簧刚度取kv=20000KN/m0。给水管口径取单元长度1m，DN1200口径，管材为新兴铸管股份有限公司的离心球墨铸铁管，直管壁厚153mm，管材的机械性能指标是：抗拉强度420MPa，抗弯强度590MPa，弹性模量1610MPa。假设管顶覆土层厚500mm。查《城市道路设计规范》CJJ37—90，地面车辆(大货车)取标准轮压100KN，单轮荷载50KN，单轮当量半径取10.65cm；一般将单轮荷载放大至100KN，作用范围按2.5倍单轮当量半径计算：2.5×10.65cm=26.625cm，假定荷载沿土层深度以1：2扩散(即水平方向：垂直方向为1：2；对应深500mm的覆土层，扩散至水平方向为250mm)，故荷载传递到管顶的扩散面半径：R=266.25+250=516.25mm>500mm取扩散面半径500mm，计算压力值：P=100/Trr=100/(3.140.5)=127KPa。

管道内的自来水压力取最大值0.6MPa土压力来自上覆土的重量和侧压力，因埋深浅，不单独考虑土中的水压力。土壤容重取19KN/m，侧向土压力系数取0.5。考虑调整覆土深度的方便，管道上方点以上的土荷载和管道高度范围的土荷载分别定义，这样覆土深度调整时只需要调整管道上方点以上的土荷载的分享系数。由于影响较小，管道高度范围的土荷载没有包括侧向荷载)。

2采用应力原理对市政给水管荷载力度的计算

常见施工环境情况为：市政给水管埋设后及时覆土，但在道路路面四合料回填前，给水管道覆土仅厚0.5m，大型施工机械与施工车辆在其上反复碾压；导致施工质量受到较大的影响。计某市政给水工程，长约1040m，路幅宽54m，给水管口径DN1200，分支接驳多，地下环境复杂，各种市政管线交叉作业，施工环境较差。荷载组合参照民用建筑规范而定，土荷载取1.2，活荷载取14，计算两种不利荷载组合下的管道受力状况，一种管道满流状况，一种空管状况。

2.1空管状态下承受土荷载与汽车荷载SAP2000，最大轴力N=176KN，最大弯矩M=11KN/m。最大轴力下的压应力：

o1=N(轴力)IS(面积)=(1761000)/(15.31000)=11.5Mpa最大弯矩下的应力：

omax2=M/W=153/2111000000/(100015.315-315.3/12)=282Mpa式中M一弯矩，W-hi2I(I一惯性矩，矩形I=1/12bh)将上述应力组合，求得空管状态时的最大抗弯应力：o282+11.5=293.5MPa<容许应力o=590Mpa(管材抗弯强度)

2.2管道满流状态下承受土荷载与汽车荷载SAP2000，最大轴力N=467KN，最大弯矩M=11KN.m。

最大轴力下的压应力：

oT=(4671000f/(15.31000)=30.5Mpa最大弯矩下的应力：

omax2~M/W=15.3/211000000/(100015.315.315.3/12)=282Mpa

满流状态时最大抗弯应力：

o)c=282+30.5=312.5MPa<容许应力o=590Mpa(管材抗弯强度)根据上述计算结果，覆土深度某市区部分给水管覆土层不足0.7m，实践证明，市政给水管在覆土深度不低于0.5m情况下运行良好。

3市政给水管的技术设计

我国的市政给水管的材料一般选用混凝土管道，因为混凝土的工程造价比较低，近百年来一直在我国市政建设中发挥着重要作用。但是，该产品存在耐化学腐蚀性差、管接口处易渗漏、受地质沉降影响大等明显缺点，制约着该产品在我国更多市政给水工程中的应用。而欧洲国家通过对该产品进行技术改造，开发并推广应用了一种新的管道产品—混凝土管+塑料衬层，并使这种新产品成为输水、排水和化工输液工程中管道品种的新选择。

混凝土管内壁的衬层可选用HDPE材料。由HDPE材料组成的这种衬层具有诸多优点:耐化学腐蚀性；摩擦系数低，可提高管道输水能力；卫生可靠，可输送饮水。管道接口可用HDPE焊接，安全可靠，可防止污染地下水；柔韧性好，耐低温，具有抗地质沉降变形的能力。此外，HDPE衬层符合EN10204(DIN50049)标准，无孔隙，经过实验证明：厚度为1毫米的HDPE，其防漏性相当于200毫米厚的混凝土。

综上所述，由HDPE衬层和混凝土管所形成的复合型管道，是一种综合性能优秀的市政给水管道。混凝土管内衬塑料的力学性能分析一、HDPE内衬层结构设计

HDPE材料是一种非极性高分子材料，它与混凝土表面不具有亲和性。HDPE内衬层外壁上嵌有相当数量的Y字型或倒锥形凸钉，借助凸钉，衬层将在轴向和径向以同等附着力嵌埋在混凝土管内壁上。2.HDPE内衬层上的凸钉和板之间没有焊缝，剪切力很大，轴向或径向剪切力能高达1800牛顿。3.HDPE内衬层和混凝土整体结合，使管材的环刚度得到很大的提高。

4结论

市政的给水管采用混凝土管内衬塑料的力学性能相当优秀。在法国东部区域实验室的试验显示:混凝土管在受力65牛顿时变形两毫米即断裂。而内衬HDPE的混凝土管，在受力85牛顿时变形1.8毫米，但未断裂。这两种管道都是混凝土受力，说明HDPE衬层起到了增强作用。试验显示：混凝土管内衬塑料后抗压强度比无内衬的混凝土管提高了两倍。试验还显示：没有内衬HDPE的混凝土管，当变形7.5毫米时，环刚度为140千牛，而带内衬的混凝土管变形25毫米时环刚度为260千牛，在变形12.5毫米时环刚度为180千牛，是刚性变形，而12.5毫米~25毫米变形阶段为弹性变形。

参考文献：

[1]章孟才.埋地铸铁给排水管线爆裂原因分析及对策.由化工建设.

[2]游小玲.谈谈城市口水管网爆管的原因与对策.中外建筑.

[3]周静海，刘爱霞等.给水管道地震作用下可靠度分析.沈阳建筑大学学报(自然科学版).

[4]朱宇，康仕彬.2000在桥梁抗震性能分析中的应用.计算机辅助工程.

[5]张铁刚.天津市供水管网爆管折管分析及降漏对策研究[D].西安建筑科技大学.2006年.

[6]鲁娟.给水管网脆弱性评估研究[D].合肥工业大学.2007年.

[7]方丹霞.基于GIS的城市供水管网隐患分析及安全管理[D].西安建筑科技大学.2007年.

[8]张春娟.冯家山水库引水工程爆管事故分析研究[D].西北农林科技大学.2007年.