4.5　初步设计阶段的滩地埋管荷载-结构法力学分析

4.5.1　荷载

根据现有的黄河水文资料、滩地地质资料和埋管的实际运行情况，埋管承受的主要荷载有埋管自重、内水压力、设计外水压力(正常地下水位35.40m)、汛期外水(黄河位山段大堤设防标准为11000m3/s，考虑淤积，2050年相应水位50.40m)、正常土压力(现地面高程42.5m)及淤积土压力(按黄河河床每年平均淤积0.096m计)，分别取30年淤积3m和50年淤积5m两种情况，淤积高程分别为45.50、47.50m、地基反力、扬压力。

土压力:一般设计的埋地管道的管顶竖向土压力取上部土体的自重应力乘以垂直土压力系数。这种方法考虑了土—结构相互作用，表达式比较简明，我国水利、电力及铁路等规范均采用此方法。但是，由于压力集中系数不可能同时反映管涵土压力诸多因素的影响，因而用该种方法计算显得粗略。本书采用《给水排水工程管道结构设计规范》(GB 50332—2002)规定的公式计算。

埋管的管顶竖向土压力标准值，应根据管道的敷设条件和施工方法分别计算确定。对由设计地面开槽施工的管道，管顶竖向土压力标准值可按下式计算:

作用在地下管道上的侧向土压力，应按主动土压力计算，侧向土压力沿圆形管道管侧的分布可视作均匀分布，其计算值可按管道中心处确定。作用在管道上的侧向土压力如图4-4所示。

(1)对埋设在地下水位以上的管道，其侧向土压力标准值应按下式计算:

(2)对于埋置在地下水位以下的管道，管体上的侧向压力应为主动土压力与地下水静水压力之和。此时，侧向土压力可按下式计算:

z——自地面至地下水位的距离，m。

4.5.2　荷载组合

根据《水工混凝土结构设计规范》(SL 191—2008)，荷载组合分基本组合和特殊组合两种情况。各种荷载组合见表4-2。基本组合运行期1、2的土压力分别考虑黄河滩地30年、50年淤积两种情况;特殊组合的检修期1、2的土压力分别考虑黄河滩地30年、50年淤积两种情况。

4.5.3　结构分析与初步设计

把管道截面作为一个环形构件进行内力分析，利用结构的对称性，按弹性中心法进行分析。计算位移时，只考虑弯矩面而不考虑轴力的影响。基本方程为:

(1)确定弹性中心O的位置，如图4-5所示。

弹性中心O与圆心O'的距离为:

式中 M0——未知弯矩;

δ11——在弹心处施加一对反向的单位弯矩(M0=1)时，于弹心处产生的相对角变;

δ22——在弹心处施加一对反向的单位推力(未知轴力H0=1)时，于弹心处产生的相对水平位移;

Δ1p——由于外部荷载作用，在弹心处产生的相对角变;

Δ2p——由于外部荷载作用，在弹心处产生的相对水平位移;

a——圆心至弹心处的距离，cm;

y'——圆心至计算截面重心的距离，cm;

E——圆管材料的弹性模量，kg/cm3;

I——计算截面的惯性矩，cm4。

(2)求系数δ11和δ22，即

(3)求自由项Δ1p和Δ2p，即

其中:

(4)内力计算如下:

分析示意图如图4-6所示。由于现浇钢筋混凝土圆管轴线及截面的变化规律比较复杂，基本方程的系数及自由项的积分很困难，实际设计时，一般采用近似方法计算积分，即把积分改为求和。

分段出的数据(如EI、Mp)，可由公式计算得或从图中量得，然后再求出每分段处的被积函数的数值，最后进行求和，具体计算可列表进行。

计算结果:埋管厚度1m，内层配筋，外层配筋。