城市浅埋市政给水管的应力分析
摘要：本文议论的重点是在浅埋市政的给水管时，市政给水管覆土层厚度0.5米可承受上述荷载。
Abstract: The main point of this paper is when shallow-burying the municipal administration water supply piping, the 0.5 meter thickness of soil layer on municipal administration water supply pipe could bear the above load.
关键词：市政给水管；应力原理；埋设条件
Key words: municipal administration water supply piping; stress principle; inbuilt condition
中图分类号：TU99 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）12-0267-01
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。
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。
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1mm的HDPE，其防漏性相当于200mm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：①HDPE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。②HDPE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1800N。③HDPE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65N时变形2mm即断裂。而内衬HDPE的混凝土管，在受力85N时变形1.8mm，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7.5mm时，环刚度为140kN，而带内衬的混凝土管变形25mm时环刚度为260kN，在变形12.5mm时环刚度为180kN，是刚性变形，而12.5~25mm变形阶段为弹性变形。
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