4.5　初步設計階段的灘地埋管荷載-結構法力學分析

4.5.1　荷載

根據現有的黃河水文資料、灘地地質資料和埋管的實際運行情況，埋管承受的主要荷載有埋管自重、內水壓力、設計外水壓力(正常地下水位35.40m)、汛期外水(黃河位山段大堤設防標準為11000m3/s，考慮淤積，2050年相應水位50.40m)、正常土壓力(現地面高程42.5m)及淤積土壓力(按黃河河床每年平均淤積0.096m計)，分別取30年淤積3m和50年淤積5m兩種情況，淤積高程分別為45.50、47.50m、地基反力、揚壓力。

土壓力:一般設計的埋地管道的管頂豎向土壓力取上部土體的自重應力乘以垂直土壓力系數。這種方法考慮了土—結構相互作用，表達式比較簡明，我國水利、電力及鐵路等規范均采用此方法。但是，由于壓力集中系數不可能同時反映管涵土壓力諸多因素的影響，因而用該種方法計算顯得粗略。本書采用《給水排水工程管道結構設計規范》(GB 50332—2002)規定的公式計算。

埋管的管頂豎向土壓力標準值，應根據管道的敷設條件和施工方法分別計算確定。對由設計地面開槽施工的管道，管頂豎向土壓力標準值可按下式計算:

作用在地下管道上的側向土壓力，應按主動土壓力計算，側向土壓力沿圓形管道管側的分布可視作均勻分布，其計算值可按管道中心處確定。作用在管道上的側向土壓力如圖4-4所示。

(1)對埋設在地下水位以上的管道，其側向土壓力標準值應按下式計算:

(2)對于埋置在地下水位以下的管道，管體上的側向壓力應為主動土壓力與地下水靜水壓力之和。此時，側向土壓力可按下式計算:

z——自地面至地下水位的距離，m。

4.5.2　荷載組合

根據《水工混凝土結構設計規范》(SL 191—2008)，荷載組合分基本組合和特殊組合兩種情況。各種荷載組合見表4-2。基本組合運行期1、2的土壓力分別考慮黃河灘地30年、50年淤積兩種情況;特殊組合的檢修期1、2的土壓力分別考慮黃河灘地30年、50年淤積兩種情況。

4.5.3　結構分析與初步設計

把管道截面作為一個環形構件進行內力分析，利用結構的對稱性，按彈性中心法進行分析。計算位移時，只考慮彎矩面而不考慮軸力的影響。基本方程為:

(1)確定彈性中心O的位置，如圖4-5所示。

彈性中心O與圓心O'的距離為:

式中 M0——未知彎矩;

δ11——在彈心處施加一對反向的單位彎矩(M0=1)時，于彈心處產生的相對角變;

δ22——在彈心處施加一對反向的單位推力(未知軸力H0=1)時，于彈心處產生的相對水平位移;

Δ1p——由于外部荷載作用，在彈心處產生的相對角變;

Δ2p——由于外部荷載作用，在彈心處產生的相對水平位移;

a——圓心至彈心處的距離，cm;

y'——圓心至計算截面重心的距離，cm;

E——圓管材料的彈性模量，kg/cm3;

I——計算截面的慣性矩，cm4。

(2)求系數δ11和δ22，即

(3)求自由項Δ1p和Δ2p，即

其中:

(4)內力計算如下:

分析示意圖如圖4-6所示。由于現澆鋼筋混凝土圓管軸線及截面的變化規律比較復雜，基本方程的系數及自由項的積分很困難，實際設計時，一般采用近似方法計算積分，即把積分改為求和。

分段出的數據(如EI、Mp)，可由公式計算得或從圖中量得，然后再求出每分段處的被積函數的數值，最后進行求和，具體計算可列表進行。

計算結果:埋管厚度1m，內層配筋，外層配筋。