cecs 142：2002 给水排水工程埋地铸铁管管道结构设计规程 条文说明

'CECS142:2002中国工程建设标准化协会标准给水排水工程埋地铸铁管管道结构设计规程Specificationforstructuraldesignofburiedcast-ironpipelineofwatersupplyandsewerageengineering条文说明2002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铸铁管管道结构设计规程Specificationforstructuraldesignofburiedcast-ironpipelineofwatersupplyandsewerageengineeringCECS142:2002条文说明主编部门：北京市市政工程设计研究总院批准部门：中国工程建设标准化协会施行日期：2003年3月1日2003北京第2页 目录1总则.......................................................42主要符号.......................................................53材料.......................................................63.1材质标准...................................................63.2计算指标...................................................64铸铁管管道结构上的作用.........................................85基本设计规定...................................................95.1一般规定...................................................95.2承载能力极限状态计算规定...................................95.3正常使用极限状态验算规定..................................106承载能力极限状态计算..........................................116.1灰口铸铁管管道的强度计算..................................116.2球墨铸铁管管道和铸态球墨铸铁管管道的强度计算...............116.3铸铁窗管道的稳定验算......................................137球墨铸铁管管道和铸态球墨铸铁管管道的变形验算...................148构造规定......................................................15附录A圆形刚性管道在各种荷载作用下的弯矩系数....................16附录B圆形柔性管道在各种荷载作用下的最大弯矩系数和竖向变形系数...17附录C管侧土的综合变形量........................................18第3页 1总则1.0.1～1.0.2本规程是对《给水排水工程结构设计规范》GBJ69—84中铸铁管一节的补充和修订。补充了球墨铸铁管管道和铸态球墨铸铁管管道结构设计的有关条款。补充的原因有二：一是，由于此种管材具有强度高、韧性大、安装方便等特点，在给水工程中已大量采用，如北京、山西等输水工程已用到DN2600和DN2000等大口径；二是，目前国内已有“新兴铸管（集团）有限责任公司”、“穆松桥巨龙球墨铸铁管有限公司”等十几家工厂能生产球墨铸铁管，年产量在50万吨左右，产品已有相应的国家标准《离心球墨铸铁管》GB13295—91，但在工程应用方面设有专门的工程结构设计标准，给推广应用带来了一定困难。为此，修订时将球墨铸铁管管道列入新标准系列之中。铸态球墨铸铁管，除延伸率不如球墨铸铁管外，其它性能均与球墨铸铁管相同，该产品目前尚无国家产品标准，选用时应依照生产厂家的企业标准确定。1.0.3本条说明本规程是按照《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332规定的原则编制的，即对管道工程结构设计理论模式和方法的改进是依据《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068和《工程结构可靠度设计统一标准》GBJ50153的规定，以概率理论为基础的极限状态设计方法替代《给水排水工程结构设计规范》GBJ69—84中采用的单一安全系数极限状态设计方法。1.0.4埋地管道工程所处地区，如土壤性质不良，将影响管道正常运行。因此，对兴建在地震区、湿陷性黄土或膨胀土等特殊条件地区的给水排水埋地铸铁管管道，其结构设计尚应符合现行有关标准的规定。1.0.5埋地球墨铸铁管管道和铸态球墨铸铁管管道属柔性管道。因回填土的质量等对柔性管道的受力影响很大，因此本条强调，在施工中除满足本规程的有关规定外，尚应满足现行国家标准《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268的规定。第4页 2主要符号2.1.1～2.1.3本节给出的主要符号均按照现行国家标准《工程结构设计基本术语和通用符号》GBJ132规定的原则确定。第5页 3材料3.1材质标准3.1.1本条规定，灰口铸铁管的质量应符合国家现行有关标准的规定。其中，灰口铸铁管材的抗弯和抗拉强度标准值应不小于表3.1.1规定的值。2表3.1.1灰口铸铁管材的强度标准值(N/mm)直径(mm)强度种类≤300350～700≥800抗弯强度标准值340280240抗拉强度标准值1403.1.2本条规定，球墨铸铁管的质量应符合现行国家标准《离心铸造球墨铸铁管》2GB13295的要求，其中抗拉强度标准值应不小于420N/mm。3.1.3目前国内尚无铸态球墨铸铁管的国家标准或行业标准，但从现有几家企业的产品质量看，除延伸率外，其它性能均能满足现行国家标准《离心铸造球墨铸铁管》GB13295的有关规定。因此，延伸率指标应由制造厂提供，并应有可靠的技术鉴定证明。其他质量标准均应满足现行国家标准《离心铸造球墨铸铁管》GB13295的规定。3.2计算指标本节给出了三种管材的强度设计值。按照现行国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068的规定，管材的强度设计值可根据管材强度标准值和管材抗力分项系数计算而得。三种管材的强度标准值，可按第3.1.1～3.1.3条说明中的数值确定。由于缺乏统计资料，管材抗力分项系数可通过对原《给水排水工程结构设计规范）GBJ69—84和相关标准的安全系数进行反演分析而得，即按下式计算：γR=K/(∑γQφ)第6页 式中K——原规范中的单一安全系数；γ——作用分项系数；Qφ——组合系数；γ——抗力分项系数。R在确定管材抗力分项系数的换算中，作用分项系数γ组合系数φ等按《给水排Q水工程管道结构设计规范》GB50332的原则确定。经综合分析后，∑γQφ可取1.27。2.5对灰口铸铁管管道K值为2.5，对应的γ=≈2.0R1.27对球墨铸铁管管道，目前国内尚无结构设计标准。其安全系数K，参考美国、2.3日本等国的相关设计规范，经综合分析后可取2.3，相应的抗力分项系数γ=≈R1.271.81。对铸态球墨铸铁管管道，考虑到延伸率比球墨铸铁管低，其抗力分项系数γR可取2.0。根据上述分析，第3.2节给出了三种管材的强度设计值。第7页 4铸铁管管道结构上的作用本章的内容均按照《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332的规定编写，与原《给水排水工程结构设计规范》GBJ69—84相比增加了管道内水重及管道自重。对直径较大的管道管内水重及管道自重引起的应力不可忽视。永久作用标准值和可变作用标准值、准永久值系数的确定均按照《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332的规定确定。第8页 5基本设计规定5.1一般规定5.1.1本条明确规定，本规程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。5.1.2本条规定，球墨铸铁管管道和铸态球墨铸铁管管道的结构设计应按承载能力和正常使用两种极限状态进行。灰口铸铁管管道属脆性材料，结构设计可只按承载能力极限状态进行。5.1.3本条规定了铸铁管管道结构分析模型的确定原则。根据《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332的规定，对于埋设于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a来判别刚性管道或柔性管道。当a≥1时按刚性管ss道计算；当a≤1时按柔性管道计算。根据球墨铸铁管管道及铸态球墨铸铁管管道s的结构尺寸与一般土壤特性的比例，经核算，此两种管道可按柔性管道计算；灰口铸铁管管道属脆性材料，应按刚性管道计算。5.1.4考虑施工中可能出现的不利因素，参考日本等国的资料，土弧基础的设计中心角度在计算中心角的基础上要增加一定数量，一般为15°～20°。5.2承载能力极限状态计算规定5.2.1～5.2.2本条是根据《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332规定的原则确定的。。5.2.3～5.2.4本条列出了灰口铸铁管管道、球墨铸铁管管道和铸态球墨铸铁管管道进行强度计算时的各种作用、分项系数和组合系数。灰口铸铁管管道上作用的种类，在原《给水排水工程结构设计规范GBJ69—84规定的基础上增加了管道结构自重和管道内水重。分项系数和组合系数的值，是根据《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332的规定采用的。第9页 5.2.5本条给出了铸铁管管道强度计算时采甩的各种作用组合。对灰口铸铁管管道，与原规范相比增加了管内水重和管道结构自重。5.2.6～5.2.7本条规定了管道抗浮和抗推稳定性抗力系数。5.3正常使用极限状态验算规定5.3.1～5.3.2本条是根据《给水排水工程管道结构设什规范》GB50332的规定制定的。按正常使用极限状态验算时，作用效应均采用作用代表值。对球墨铸铁管管道和铸态球墨铸铁管管道，其代表值包括竖向土压力标准值和地面可变作用的准永久值。。5.3.3本条对球墨铸铁管管道和铸态球墨铸铁管管道，按不同的内防腐材料，规定了在准永久组合荷载作用下最大竖向变形的限值。根据工程实践，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，在工程中可按手工涂抹或机械成型等的不同延性质量选用。第10页 6承载能力极限状态计算6.1灰口铸铁管管道的强度计算本节列出的灰口铸铁管管道强度计算公式，系将原《给水排水工程结构设计规范》GBJ69—84规定的单一安全系数表达式，按照第5.1.1条的规定改为概率极限状态设计方法的分项系数设计表达式。6.2球墨铸铁管管道和铸态球墨铸铁管管道的强度计算本节对球墨铸铁管和铸态球墨铸铁管管道的强度计算作出了规定。1根据国内外有关资料，球墨铸铁管管道的强度计算表达式为设计内水压力作用下的环向边缘拉应力与覆土等外压力作用下的环向边缘弯曲应力之和，即一般材料力学的拉弯应力公式。2埋入地下的球垦铸铁管道属柔性管道，其受力大小与管道周围的土壤抗力有关。国外许多研究者对管道四周土壤抗力的大小及其分布进行了长期研究，归纳起来，土壤抗力的影响可用系数η表示：1η=（6.2.2-1）λkr0r031+()Etp0式中λ——抗力分布系数；k——土的抗力系数，按k≈E/r计算。d0抗力分布系数的大小取决于抗力曲线的形状及方向。从国内外资料看，λ的取值主要有两种形式，如下图所示：第一种形式（图1）是苏联л.М.Емелъянов模式（以下简称“耶式”）。该模式先假定管道为绝对刚性，计算垂直和水平土压力，然后再计入两种土压力引起的土壤抗力。抗力沿管周360°分布，水平方向为正、垂直方向为负，且每点的抗第11页 力由径向和切向两部分组成。抗力分布系数按下式计算：k1λ=1.333(1+)4k2式中k——土壤抵抗切向位移的抗力系数；1k——土壤抵抗径向位移的抗力系数。2第二种形式（图2）是美国Spangler模式（以下简称“斯式”）。其抗力曲线为二次抛物线，分布角β=100°，为水平方向，抗力分布λ系数=0.732。第一种形式“耶式”有两点需要推敲，一是土壤负抗力的理论分析与工程实际有一定出入，可靠性差；二是其水平压力除侧向土壤的弹性抗力外又计入水平土压力的影响，从而加大了管道的侧向阻力。显然“斯式”相对合理，且《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332规定的柔性管道变形计算是按“斯式”进行。因此，本节球墨铸铁管和铸态球墨铸铁管管道的强度计算按“斯式”进行。根据美国、日本等国的资料，采用“斯式”计算与设计内水压力组合时，计入了设计内水压力使管道竖向变形减小的影响。综合计算分析后，当覆土等外荷载与设计内水压力组合进行强度计算时，可计入工作内水压力对管道竖向变形的影响。为简化计算，引入了弯矩折减系数φ，对给水工程，当内压较高而口填土变形模量较低时可取φ＝0.7，对排水工程可取φ＝1.0。最大弯矩表达式的确定，可参考《给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程》GBCS141:2002条文说明的有关内容。第12页 6.3铸铁窗管道的稳定验算6.3.1本条规定了铸铁管管道在空管时受地下水浮力作用的稳定验算方法。6.3.2灰口铸铁管管道石棉水泥接口的单位粘着力标准值，系参考北京市自来水公司等单位《铸铁管石棉水泥接口粘着力报告》提出的有关数据确定。第13页 7球墨铸铁管管道和铸态球墨铸铁管管道的变形验算本章给出了球墨铸铁管和铸态球墨铸铁管管道进行变形验算的有关公式。球墨铸铁管和铸态球墨铸铁管管道竖向最大变形的计算公式系根据《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332的规定采用美国Spangler模式，与强度计算公式协调一致。其中变形滞后效应系数与回填土的土质和密实度有关。回填砂性土时滞后系数较小，回填粘性土时滞后系数较大；当回填土密实度较高时，相应滞后系数较大。第14页 8构造规定8.0.1因胶圈石棉水泥接口抵抗不均匀沉降的能力较差，在管道沿线工程地质条件有变化，不均匀沉降较大处，应采用柔性接口。8.0.2本条对人工土弧砂基的尺寸及材料作出了规定，其中管底以下人工砂基的厚度沿用了原规范中钢管的数据。8.0.3本条强调了球墨铸铁管和铸态球墨铸铁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，均需考虑土的抗力作用。管道两侧回填土夯实密度的高低，直接影响土壤抗力的大小，是球墨铸铁管和铸态球墨铸铁管管道安全、经济、合理的关键，设计、施工中均应充分重视。8.0.5本条强调了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。如回填土前，在管道内设置临时的竖向支撑或加大管侧回填土密实度等，可使管道产生一定量的负变形。在北京市的DN2600球墨铸铁管管道施工中，采取管内设置竖向支撑的措施，取得了良好的效果。8.0.6球墨铸铁管和铸态球墨铸铁管管道的防腐质量很重要，是影响管道耐久性的关键因素，设计、施工中均应充分重视。8.0.7对输送饮用水的管道，规定了其内防腐材料必须符合有关卫生标准的要求，此点非常重要。内防腐材料是否符合卫生标准的判断，必须具有省、部级以上部门指定检测单位的正式检测报告，以确保对人体健康无害。第15页 附录A圆形刚性管道在各种荷载作用下的弯矩系数本附录给出的圆形刚性管道弯矩系数，延用了原《给水排水工程结构设计规范》GBJ69—84的弯矩系数，适用于灰口铸铁管道。第16页 附录B圆形柔性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系数，是美国Spangler公式中所对应的各项系数。该系数用于球墨铸铁管管道和铸态球墨铸铁管管道。第17页 附录C管侧土的综合变形量管侧回填土的变形模量是柔性管道设计的重要参数，以往采用回填土本身的变形模量；实际上，该变形模量与回填土的土质、压实程度和沟槽两侧原状土的土质有关。根据国外资料，《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332对管侧回填土的变形模量进行了修正。综合修正系数可按下式计算：1ξ=（C.0.1）a+a(E/E)12en式中a、a——与沟槽宽度和管外缘宽度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C中，表C.0.2-2的数据是根据上述公式计算的。第18页'