计算机辅助设计热力管道墙式固定墩

周 彬

近几年集中供热事业快速发展,热力工程设计就显得尤为重要。在热力管线工程结构设计中墙式固定墩的计算设计比较普遍。在热力工程设计时间比较紧、任务繁重、计算量较大的情况下,为了缩短设计时间,保证设计出图质量,我院充分利用计算机辅助设计,利用了AutoCAD内部用户化CAD系统的AutoLISP语言实现对AutoCAD的图形实体和各种参数表的数据进行存取和编辑,使设计和绘图融为一体。

1 概述

热力工程中管线受力分析十分重要,因此我们分析了工艺受力的特点及管道对墙式固定墩的作用力:1)管道热胀冷缩受约束产生的作用力(过渡段的摩擦力或锚固段的轴向力);2)内压力产生的不平衡力(固定点两侧管道横截面不对称在内压作用下产生的不平衡力,也包括波纹管补偿器端波环状计算截面上的内压作用力);3)活动端位移产生的作用力(补偿器的弹性力或摩擦力,转角管段升温变形的轴向力)。由于这些原因在设计墙式固定墩时对于其体积、造价要求就比较严格了,手工计算较为复杂,需要精确计算。以下详细论述完成墙式固定墩设计和出图步骤。

2 程序运行主框图及运行环境

图1为墙式固定墩设计程序运行主框图。本程序利用AutoLISP语言编程,其程序和数据都采用符号表达式,简单容易掌握。通过函数调用实现对AutoCAD的二次开发,使设计与绘图融为一体。但其使用条件具有局限性,必须在AutoCAD环境下运行。

3 墙式固定墩设计计算

3.1 确定墙式固定墩墙厚度

设计依据:受冲切承载力计算:

式(1)中的系数η应按下列两个公式计算,并取其中较小值:

其中,FL为单管水平力设计值;βh为固定墙厚度影响系数,当 h≤800 mm 时,取 βh=1.0,当 h≥2 000 mm 时,取 βh=0.9,其间按线性内插法取用;ft为混凝土轴心抗拉强度设计值;бpc,m为临界截面周长上两个方向混凝土有效预压应力按长度的加权平均值,其值宜控制在1.0 N/mm2～3.5 N/mm2范围内;um为固定墙厚1/2处孔径;h0为去掉固定墙保护层厚度的固定墙有效厚度;η1为局部荷载或集中反力作用面积形状的影响系数;η2为临界截面周长与板截面有效高度之比的影响系数;βs为墙式固定墩设计中局部荷载或集中反力作用面积为圆形,取 βs=2;αs为板柱结构中柱类型的影响系数,墙式固定墩设计中取αs=40。

进入＜确定墙式固定墩墙厚度＞选项卡,条件输入采用对话框形式,将已知条件输入。公式解释:已知:1)单管水平力设计值FL;2)固定墙中心位置孔径 um;3)混凝土等级相应取值 ft。

其他参数:假设固定墙厚 h0,βh根据假设固定墙厚取相应值;бpc,m宜控制在1.0 N/mm2～3.5 N/mm2范围内,由设计人员根据实际工程确定;η按式(2),式(3)计算并取其中较小值;以上条件具备后将假设固定墙厚h0代入式(1)进行试算:1)所得结果不满足式(1)时,应调整所假设固定墙厚 h0,直到满足式(1)且与FL取值接近即可;2)如所得结果满足式(1)时,但与FL取值差值较大时可适当调整墙厚;3)如所得结果满足式(1)时,且与FL取值接近或相等时墙厚即可确定。

3.2 确定墙式固定墩整体尺寸

墙式固定墩通常采用倒T形,要使其安全使用且土建造价合理就需要对固定墩抗滑移、抗倾覆验算。

3.2.1 抗滑移条件

其中,Ka为抗滑移系数;K为固定墩后背土压力折减系数,取0.4～0.7;Ep为被动土压力,N;f1,f2,f3分别为固定墩底面、侧面及顶面与土壤产生的摩擦力,N;Ea为主动土压力,N,当固定墩前后为黏性土时Ea可略去;T为供热管道对固定墩作用力,N。

公式解释:1)K根据规范由设计人员根据工程实际情况确定;2)Ep由式(6)求得;3)f1=0.9[(固定墩体积+固定墩上部土体积)×ρ]×um,f2=(ρ h1k+ρ h2k)×H/2,k为静止土侧压力系数,f3=2ρ vum+ρ1v1um;4)Ea由式(7)求得;5)T由工艺专业提供两管水平推力标准值。

3.2.2 抗倾覆条件

3.2.3 土壤承载条件

其中,Kov为抗倾覆系数;X1为被动土压力Ep作用点至固定墩底面距离,m;X2为主动土压力Ea作用点至固定墩底面距离,m;G1为固定墩上部覆土自重,N;b,d,h分别为固定墩几何尺寸(宽、厚、高),m;h1,h2,H分别为固定墩顶面、管孔中心和底面与地面的距离,m;φ为回填土内摩擦角,砂土取30°。

3.2.4 回填土与固定墩的摩擦系数

计算固定墩底面、侧面和顶面与土壤的摩擦力时,摩擦系数um按表1取用。进入＜确定墙式固定墩整体尺寸＞选项卡,条件输入采用对话框形式,将已知条件输入。公式解释:已知:1)固定墙几何尺寸(厚、高、底板厚度、宽度);2)基础底板上覆土厚度;3)基础底板左边、右边净长;4)地下水自然地面下埋深;5)防滑键几何尺寸(高、宽);6)土的特性(密度、摩擦系数、相对密度、含水量、摩擦角、凝聚力系数);7)两管水平、垂直推力标准值;8)被动土压力折减系数;两管水平推力距防滑键底高度。将上述条件输入后即可得出抗滑移条件、抗倾覆条件是否满足式(4),式(5),如不满足墙式固定墩尺寸,对其进行调整直到抗滑移条件、抗倾覆条件满足式(4),式(5)为止。

表1 回填土与固定墩的摩擦系数

3.3 配筋计算

根据工艺专业提供管道受力条件,通过计算求得弯矩值后,进行相应的配筋计算。程序中求钢筋面积采用公式法,利用现行GB 50010-2002钢筋混凝土设计规范中公式:

由以上公式求出x后即可得到钢筋面积As。确定钢筋直径和根数,得出钢筋面积后,采用列表的形式,先确定直径及钢筋面积,然后求出钢筋根数,即可完成后续的绘图工作。

4 画墙式固定墩施工图

绘图功能和图形交互编辑功能是AutoLISP开发AutoCAD的主要目的,AutoLISP本身并没有提供用于直接生成图形的函数,但AutoLISP提供了比AutoCAD简单而透明的接口功能,提供了一个系统内部函数command,使得在AutoLISP程序中可以简单而方便地调用AutoCAD命令,以完成要求的绘图。利用command函数和一些与屏幕绘图有关的函数编写绘图程序,在该程序中钢筋直径及根数一经确定,输入绘图比例、绘图基点,程序即可完成墙式固定墩的绘图工作。

5 结语

经过多年的热力工程设计,该项程序已经得到了广泛的应用,大大提高了热力工程设计的效率,且计算精度高,避免了人为的一些计算错误和图面错误,还提高了出图质量,保证了工期。随着科技不断发展,工程实践的积累和理论学习的深入,该程序将会进一步得到完善和提高,使热力工程设计做到安全可靠、经济合理。

[1] 王 飞,张建伟.直埋供热管道工程设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[2] GB 50010-2002,混凝土结构设计规范[S].