cecs 141：2002 给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程 条文说明

'CECS141:2002中国工程建设标准化协会标准给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程Specificationforstructuraldesignofburiedsteelpipelineofwatersupplyandsewerageengineering2002北京第1页 中国工程建设标准化协会标准给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程CECS141:2002条文说明2002北京第2页 目次1总则.......................................................42主要符号....................................................43材料.......................................................43.1材质标准.................................................43.2计算指标.................................................54钢管管道结构上的作用...........................................54.1作用的分类和作用的代表值...................................54.2永久作用标准值.............................................54.3可变作用标准值、准永久值系数...............................55基本设计规定...................................................55.1一般规定.................................................55.2承载能力极限状态计算规定...................................75.3正常使用极限状态验算规室...................................76承载能力极限状态计算...........................................86.1强度计算.................................................86.2稳定验算.................................................97刚度验算...................................................108构造规定...................................................10附录A钢管管道在各种荷载作用下的最大弯矩系数和竖向变形系数......12附录B管侧土的综合变形模量......................................13第3页 1总则1.0.1～1.0.2本设计规程是对原规范《给水排水工程结构设计规范》GBJ69—84中第七章钢管一节的修订，主要适用于城镇公用设施及工业企业中一般给水排水工程埋地钢管管道的结构设计。按照过去市政工程的习惯，埋地钢管管道较多用于给水工程的输水管线和配水管网中。近年来，有些排水和污水资源化再利用工程也采用了埋地钢管管道。为此，本规程修订后适当增加了在排水工程中应用的条款。1.0.3本条明确本规程是按照现行国家标准《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332规定的原则进行编制。在结构设计上采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，改变了原《给水排水工程结构设计规范》GBJ69—84中采用的单一安全系数设计方法。同时，将原《给水排水工程结构设计规范》GBJ69—84中的柔性管设计模式，由原苏联Л.М.Емелъянов提出的模式（以下简称“耶式”）改为国际通用的美国Spangler模式（以下简称“斯式”）。这是本次修订的主要方面。1.0.4本条说明，对于承受偶然荷载的或修建在特殊地基上的钢管管道，如地震区、湿陷性黄土或膨胀土等地区，应按照国家现行的有关标准进行设计，本规程不再重复规1.0.5埋地钢管管道属柔性管道，回填土的质量等对钢管管道受力的影响至关重要。因此，本条强调在施工中除符合本规程的有关规定外，尚应符合现行国家标准《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268的规定。2主要符号2.0.1、2.0.3本节给出的主要符号，其构成方法以及主体符号和上、下标用字等，均按照《工程结构设计基本术语和通用符号》GBJ132—90的规定确定。3材料3.1材质标准3.1.1本条规定了用于钢管管道的钢材，一般均采用Q235钢，其力学性能和化学成份应符合现行国家标准《碳素结构钢）GB/T700的要求。对于重要的城市给水工程的输水管道，宜选用性能优良的平炉和氧化转炉生产的镇静钢。3.1.2本条规定了钢管焊接材料的质量要求，以保证钢管连接材料的强度等指标不低于母材的相关指标。第4页 3.2计算指标3.2.1本条规定，钢管的强度设计值应按照《钢结构设计规范》GB50017的规定采用。3.2.2本条给出了钢材的物理力学性能指标。4钢管管道结构上的作用4.1作用的分类和作用的代表值4.1.1本条针对施加于给水排水工程埋地钢管管道结构上的各种作用，根据《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332规定的原则，分为永久作用和可变作用两类。与原《给水排水工程结构设计规范》GBJ69—84相比，在永久作用中增加了管道结构自重和管道内水重。对于大口径钢管道，此两项作用引起的内力不可忽略。4.1.2～4.1.4均按照《给水排水水工程管道结构设计规范》GB50332规定的原则确定。4.2永久作用标准值4.2.1～4.2.3在永久作用标准值中，管道结构自重、管顶竖向土压力和管道内水重等的计算方法均参照《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332的规定采用。与原《给水排水工程结构设计规范》GBJ69—84相比，将竖向土压力标准值的计算，由按刚性管道计算改为按柔性管道计算。4.3可变作用标准值、准永久值系数4.3.11设计内水压力标准值与工作压力标准值的关系，是沿用原《给水排水工程结构设计规范》GBJ69—84中对给水管道的要求。式中0.5MPa的数值，主要是考虑施工验收时试验压力或运行使用中的水锤余压。2考虑在排水工程中，当管道压力较低时，按照过去的工程经验，设计内水压力标准值与工作压力标准值之比可取1.5.4.3.2～4.3.6这些条款给出了真空压力、地面车辆等可变荷载的标准值，系沿用原规范的数据。其准永久值系数是按照《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332的原则确定。5基本设计规定5.1一般规定5.1.1～5.1.2根据《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332的要求，本规程按《工第5页 程结构可靠度设计统一标准》GB50153和《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068规定的原则，采用以概率理论为基础的极限状态设计方法。除管道整体稳定验算外，均采用分项系数设计表达式进行设计，改变了原《给水排水工程结构设计规范》GBJ69—84中单一安全系数的设计方法，这是本次修订的主要方面。对钢管管道按承载能力和正常使用两种极限状态进行设计。承载能力极限状态是以钢管结构的内力是否超过其承载力为依据；正常使用极限状态是以钢管结构的竖向变形是否超过允许限值为依据。表达式中的作用分项系数、作用组合系数、结构构件抗力分项系数和结构重要性系数均根据《工程结构可靠度设计统一标准》GB50153规定的原则，结合钢管管道运行的实际情况，经分析确定。5.1.3本条规定，埋地钢管管道进行内力分析时，应按柔性管计算。根据《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332的规定，对于埋设在地下的圆形管道结构，应根据管道结构刚度与管周土体刚度的比例α来判别属于刚性管道或柔性管道：sEpt3α=()sErd0式中E——管材的弹性模量；pE——管侧土的综合变形模量；dt——钢管的管壁厚度；r——钢管结构的计算半径。0当α≥1时按刚性管道计算；当α＜1时按柔性管道计算。根据给水排水工程中常ss用钢管的尺寸和一般土壤的特性，经核算α均小于1，因此钢管道应按柔性管道计算。s5.1.4考虑到施工中可能出现的不利因素，参考日本等国的经验，土弧基础的中心角要在计算中心角的基础上加大一定角度，一般15°～20°。5.1.5埋地有压管道在其敷设方向改变处将产生推力。在一般情况下，由于钢管管道整体连接，其推力可自身平衡。但当敷设方向改变处附近设有柔性接头时，管道将失去平衡，此时应根据柔性接头的位置采用不同的抗滑措施。当柔性接头距敷设方向改变处较远时，可采用钢管与土壤间的摩擦力抗滑。抗滑稳定性抗力系数1.5，系根据《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332的规定确定。第6页 5.2承载能力极限状态计算规定5.2.1～5.2.2本条根据《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332的原则，规定了承载能力极限状态的计算要求。其中管道重要性系数γ，对给水和排水工程中不同类别、0不同可靠度要求的管道，规定了不同的取值。与原《给水排水工程结构设计规范》GBJ69—84按材料种类给定不同的强度设计调整系数相比，更加符合工程实际。5.2.3本条给出了钢管管道强度计算时，作用效应组合设计值的表达式及各种作用的分项系数、组合系数。根据《建筑结构荷载规范》GB50009的规定，作用效应组合设计值的表达式有两种，第一种是对永久作用和参与组合的各可变作用中效应最大的可变作用直接采用设计值效应，即γCγ和γCQ，对其他可变作用分别采用乘以组合值系数GGkQ1Q1kϕ的设计值效应；第二种是对全部参与组合的各可变作用统乘一个组合系数ϕ。对第二cic种方式，当组合系数ϕ等于0.9时，其可靠度与原《给水排水工程结构设计规范》GBJ69c—84的安全度相协调，且应用简便，因此采用了公式（5.2.3）所列的表达式。其中自重及管内水重的分项系数γ=1.2、竖向土压力分项系数γ=1.27、设计内水压力和地面G1G1车辆荷载，地面堆积荷载和温度作用分项系数γ=1.4，均按《给水排水工程管道结构设Q计规范》GB50332的有关规定确定，其作用效应按第6.1节的规定计算。5.2.4～5.2.5条文对钢管管道的两种稳定验算做了规定，与原规范的规定基本协调，但有两点修改：一是管壁环向稳定安全系数由原规范的2.5改为2.0，主要是考虑修改后的规范对原临界压力计算模式取消了土壤负抗力的作用，故相应调整了安全系数；二是将抗浮安全系数由1.05，提高到1.1，主要是考虑工程中浮托力变异性较大，很难精确计算，实践中普遍认为原取值偏低，应予提高。5.2.6本条给出了承载能力极限状态计算时的各种作用组合，补充了抗浮验算时作用的组合表。5.3正常使用极限状态验算规室5.3.1～5.3.2条文提出的要求，是根据《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332的规定，进行正常使用极限状态验算时，作用效应均按作用代表值计算。对钢管管道，其代表值包括竖向土压力的标准值和地面可变作用准永久值。5.3.3本条针对钢管管道不同的内防腐材料，规定了在准永久组合作用下的最大竖向变第7页 形限值。根据工程实践经验，该值的大小主要与材料的延性有关。对水泥砂浆内防腐，给出了一定的幅度，工程中可按手工涂抹或机械成型等不同延性情况选用。6承载能力极限状态计算6.1强度计算6.1.1～6.1.2条文给出的应力折算系数η=0.9，是根据原《给水排水工程结构设计规范》GBJ69—84的应力组合系数ϕ=1.12换算确定。最大组合折算应力表达式与原规范mGBJ69—84一致，仍采用第四强度理论公式。6.1.3为了与《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332协调一致，对原规范GBJ69—84的管壁应力计算模式进行了修改，采用了美国“斯式”模式。主要原因有：一是，原规范GBJ69—84中原苏联的“耶式”模式存在一些问题，如对管周土壤负抗力是否可靠，水平向土压力与侧向土壤抗力重复计算是否合理等一直有争议；二是，国内外的资料说明，柔性管道在土压力作用下的内力和变形均采用“斯式”模式计算，能与国际做法协调一致。钢管管道的内力和变形计算公式可做如下假定：1钢管管道在外压及内水压力等组合荷载作用下，管道的环向弯矩和竖向变形可由三部分组成，如下图所示：一为管顶竖向压力及与之平衡的反力产生的弯矩与变形；二为管道两侧土壤水平抗力形成的弯矩与变形；三为内水压力复圆产生的弯矩与变形。2竖向变形值近似等于水平变形值。3参考美国、日本等国的资料，在采用“斯式”计算外压与设计内水压力组合时，为考虑设计内水压力使管道竖向变形减小等因素而引入折减系数ϕ，当土壤回填模量较低、内压较高时可取0.7，对排水管道可取1.0。4管壁截面上最大弯矩M的计算公式，可利用竖向压力及与之平衡的反力产生的弯矩与变形的关系进行计算。按上述假定给出了本条所列公式。据第5.2节、第6.1.1、6.1.2条和本条的综合分析，修改后的设计可靠度与原规范6BJ69—84的安全度基本一致。6.1.4纵向应力的计算基本沿用了原规范的公式。增加了地基不均匀沉降引起的应力，该值的计算，可根据工程的实际情况，按照弹第8页 性地基上的长梁计算确定）6.2稳定验算6.2.1本条沿用了原规范的规定。6.2.2在原规范GBJ69—84中，钢管稳定计算中的临界压力是采用“耶式”得出的公式，即：22Ep(n−1)t3EdF=()+cr,k223(1−VP)D0(n−1)(1+Vs)该式的第二部分是土壤抗力效应，该效应为整个管壁横截面上的全部正、负抗力效应。对负抗力效应的可靠性一直有争议，不宜考虑，因此修订后采用了日本藤田博爱氏提出的公式，将土壤抗力的效应减少了二分之一，即只计入正效应，在分母中增加了2。6.2.3钢管管道的抗浮验算是这次修订中增加的内容。当地下水位较高时，在设计及施工中均应验算钢管管道的抗浮的稳定性。6.2.4根据管道运行和检修的要求，在输水管道及配水管网中往往设置闸门及柔性接头。当这些柔性接头距管道敷设方向改变处较近时，由于内水压力的作用将产生不平衡力。为保证此处钢管的稳定性，应采取下列抗滑稳定措施：在管道敷设方向改变处设置混凝土支墩、钢筋混凝土桩或利用管壁与土壤间的摩擦力等。显然，钢管管道利用管壁与土壤间的摩擦力来抵抗不平衡力是比较经济的。这样做不需要增加工程量，只需满足一定的安全长度。在一般情况下，柔性接头的布置是留有余地的。6.2.5管道单位长度上土壤摩擦力的计算公式，国内现行相关标准中有两种形式：第一种是假定作用于管道上的土压力沿管径的水平和垂直方向均匀分布，垂直方向的土压力值为管顶处土压力值，水平方向的土压力值按管中水平点的侧向土压力值计算，如图所第9页 示。第二种认为作用于管道上的压力沿管周非均匀分布，管顶处的土压力值为该处的垂直土压力值，管中水平点的土压力值为该点的侧向土压力值，其余各点的压力值为该点垂直和水平土压力在径向的投影值。经比较，第二种比较符合实际。7刚度验算本章对钢管的刚度验算做出了规定。将原规范GBJ69—84中按“耶式”计算的管道竖向变形公式，改为按“斯式”计算。理由同6.1.3条说明。本章采用的“斯式”变形公式，符合《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332的规定。8构造规定8.0.1～8.0.6基本沿用了原规范GBJ69—84的规定，主要从钢管的制造、施工等方面提出要求。其中第8.0.2、8.0.3条是根据以往的工程经验确定的。第8.0.4条中，增加了焊缝的质量等级要求。8.0.7本条强调了钢管管道回填土夯实密度的重要性。对柔性管道的强度和变形设计，均需考虑土壤的抗力作用。管道周围回填土夯实密度的高低，直接影响土壤抗力的大小，是钢管管道安全、经济、合理设计的关键，在设计、施工中均应充分重视。8.0.8本条强调施工中要严格控制管道的竖向变形。对口径较大的管道，为克服自重变形等不利因素可采用预加负变形等措施，例如可在回填土前在管道内设置临时的竖向支撑或加大管侧回填土的密实度等，使管道产生一定量的负变形。一些工程实践证明，采第10页 用上述措施可取得良好效果。8.0.9钢管管道的防腐质量很重要，是影响钢管管道耐久性的关键因素，在设计、施工时均应充分重视。8.0.10对输送饮用水的管道，规定了内防腐材料必须符合国家现行卫生标准的要求，此点非常重要。对内防腐材料是否符合卫生标准的判断，必须由省级及以上部门指定的检测单位的正式检测报告做出，以确保对人体健康无害。第11页 附录A钢管管道在各种荷载作用下的最大弯矩系数和竖向变形系数本附录给出的各种系数，是美国Spangler公式中所对应的各项系数。第12页 附录B管侧土的综合变形模量管侧回填土的变形模量是柔性管道设计的重要参数，在以往的柔性管道设计中采用了回填土本身的变形模量。实际上，该变形模量除与回填土土质、压实程度有关外，还受沟槽宽度和两侧原状土土质的影响。根据国外有关资料，应根据上述因素综合进行评价。按《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332的规定，对管侧回填土变形模量进行修正时，综合修正系数可按下式计算：1ξ=（B.0.1）α+α(E)/E12en式中ξ——综合修正系数；α、α——与沟槽宽和管外缘宽的比例有关的计算参数；12E——管侧回填土的变形模量；eE——沟槽两侧原状土的变形模量。n附录B表B.0.2-2中的数据，是根据公式（B.0.1）计算而得，方便使用。第13页'