剪力钉型固定支座在大直径供热管网的应用

刘世宇

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司第六设计研究院，天津300381)

1 概述

架空敷设的管道固定点称为固定支座，直埋敷设的管道固定点称为固定墩，其所起的作用都是固定管道。本文的剪力钉型固定支座兼顾架空和直埋两种敷设方式，统称固定支座。

大直径管道一般是指DN 1 000 mm以上的管道。在过去，国家标准图集的架空管道只是在DN 600 mm及以下管径范围，其架空管道固定支座全都是采用传统单面或双面挡板式固定支座。这种挡板式固定支座，其承载能力(抗推力)很小，一般小于等于294 kN，远远无法满足大管径管道大推力的运行要求。而大直径管道一般推力>6 300 kN。对于直埋管道固定节，没有相应的国家标准，一些专业生产厂家也不能提供相关的产品，从某种意义上说，大直径管网的发展遇到了瓶颈。不仅如此，由于传统挡板式固定支座所特有的构造形式，没有有效的保温、隔热措施，其散热量大，无法满足热水管道长距离输送中沿途温降控制要求。因此，在工程实践中，提出了在能满足抵抗大管径热水管道所产生的大推力要求的同时，也能控制其热损失达到最小值要求的新型固定支座的需求。

2 剪力钉型固定支座结构模型构想的产生

为实现供热管道在混凝土结构中起到嵌固固定的目的，通常是将有一定厚度的钢制环板，焊接在供热管道上，然后在其外面浇筑混凝土，埋设在混凝土中的钢制环板起到固定管道的作用，并以此达到承担管道轴向推力的目的。它在管道整体布置上起到非常重要的作用，也是固定支座的关键所在。

从受力角度分析，在管道推力作用下，被混凝土嵌固住的钢制环板主要承受剪力。也就是说，固定支座能够承受管道轴向推力的大小，主要取决于钢制环板的构造尺寸及与管道的连接方式。因此，对钢制环板的要求是严格的，钢制环板的厚度不能太薄，它不仅要有强度要求(即要有足够的抗剪强度)，还要有刚度要求(即要有足够的抗变形能力)；同时为保证与混凝土接触面有足够的抗压强度，往往钢制环板的接触面尺寸要足够大。

为保证钢制环板的刚度要求，钢制环板在厚度选择上往往比较厚，一般要50～70 mm，而这样厚的钢板不易得到，即便有，与钢管连接也存在问题，尽管采用双面坡口焊也难做到全截面熔焊，由于环板厚度与管壁厚度悬殊大，即使做到全截面熔焊，其焊缝处管壁强度也严重下降。为了解决这个问题，一般做法是，将钢制环板厚度减薄，在环板两侧、管道环周上辐射状焊接加强肋板以补其刚度。这种构造做法带来的问题是，不仅焊缝多而集中，所产生的温度场极不均匀并且使焊缝周围温度应力加大，有可能影响管道安全运行；而且钢制环板、肋板的展开面积大大增加，使其在混凝土中的散热量大而集中，长期运行对混凝土强度、耐久性也产生影响。

将建筑结构工程中钢与混凝土组合结构的连接形式——剪力钉，直接应用于供热管道固定节上，是一个很有意义的设想。这种组合结构的连接形式，毕竟是在建筑结构工程和热力工程两个不同领域、剪力钉与建筑型钢的连接和剪力钉与管材的连接两种不同形态连接方式以及在不同温度环境下应用，其接触形式、变形条件以及受力特征极其相似，仅就应用而言尚无先例。为保证剪力钉在供热管道与混凝土结构之间起到可靠连接及稳定支撑作用，使得在管网设计寿命期内，管道安全运行、混凝土正常工作，因此，有必要对其模型进行分析，并以此作为实物模型试验的理论指导，再将试验结果与理论分析数据进行分析对比，由此能够较为安全地评估连接件的承载能力，以期作为设计、制造的依据。

3 剪力钉型固定支座结构设计与计算

由剪力钉型固定节与包裹在固定节外面的混凝土组成共同工作的传力构件，称为管道剪力钉型固定支座，以下简称固定支座。

3.1 剪力钉型固定支座的设计

剪力钉型固定节主要包括：D1420×18工作钢管，D1620×18钢套管，钢套管长度为800 mm，尺寸为120 mm×600 mm×18 mm钢加劲板，Φ25剪力钉,剪力钉的长度为200 mm。剪力钉型固定节见图1。

图1 剪力钉型固定节

剪力钉型固定节制作过程：将12块加劲板均布焊在工作钢管外周圈上，在钢套管相应位置上开槽，将加劲板穿过此槽，再将钢套管焊在加劲板上，然后将48个剪力钉均匀分布焊在钢套管上(分为2排，每排24个)。然后在工作钢管与钢套管之间的空隙以及加劲板周围填充保温材料。

3.2 剪力钉型固定支座强度分析

剪力钉承载力计算：

根据GB 50017—2017《钢结构设计标准》第14.3.1条的单个抗剪连接件(圆柱头焊钉)的受剪承载力设计值的计算公式，1个剪力钉受剪承载力设计值应由式(1)确定。

(1)

式中F——剪力钉受剪承载力设计值 ，N

As——剪力钉钉杆截面积,mm2,剪力钉直径为25 mm，As=490.625 mm2

Ec——混凝土弹性模量,N/mm2,混凝土强度等级为C25，Ec=2.8×104N/mm2

fc——混凝土轴心抗压强度设计值,N/mm2，混凝土强度等级为C25，fc=11.9 N/mm2

fu——剪力钉极限抗拉强度设计值，N/mm2，剪力钉材料性能等级为4.6级时，取fu=400 N/mm2)

经计算，1个剪力钉受剪承载力设计值为：

F=121 778.5 N

验算剪力钉是否满足其抗拉强度上限值条件：

0.7Asfu=137 375.0 N

F≤0.7Asfu

因此，验算结果满足公式(1)要求的判断条件。

以此承载力设计值作为试件加载荷的依据，并作为试验结果的验证参照。

4 剪力钉型固定支座结构试验

将按实际尺寸加工好的剪力钉型固定节，放置于定型的混凝土模板之中，准确定位后绑扎双向分布钢筋Ø14@200、环向及放射钢筋Ø14@200，浇筑C25混凝土，标准养护至设计强度,即完成固定支座试验件制作。该试件共制作了3件。同期保留3组混凝土试块。剪力钉型固定支座见图2，图2中的尺寸单位为mm。

图2 剪力钉型固定支座

4.1 试验设备

考虑试验的特殊性和便利性，在工程现场搭建了临时试验棚，建设了承载10 000 kN级推力的实验台1座； 用于施加推力的3 200 kN油压千斤顶 3台及配套的控制柜；测量固定支座位移量的指针式百分表 2台；用于起重、搬运用的辅助工具若干。

4.2 试验步骤、结果与分析

① 试验准备

试验当天检测混凝土试块的实际抗压强度值，目视观察试件表面有无异常情况；检查试压装置是否运行正常；确定测试仪器处于正常状态。

为保证试件底部均匀受力，在试件底设置细砂垫层，上部试验机活动端要均匀接触到平直的管件端。

② 试验步骤

试件正式加载前，先进行预加载，加荷速率为10 kN/s，加荷至0.3Ft后卸载。Ft为48个剪力钉的总承载力设计值，为5 845.368 kN。采用单调分级加载，初始加荷时每级荷载增量为200 kN，当荷载加至0.5Ft时，每级荷载增量为100 kN。每级持荷时间为3 min。当荷载增至0.8Ft时，每级荷载增量为50 kN，直至1.0Ft，即为满负荷，持荷时间大于5 min。随后进行了超载试验。每级荷载增量为350 kN，在荷载增至1.3Ft时，与千斤顶接触部位，管壁出现屈曲现象(即管壁局部应力集中而失稳)，随即加荷停止，最终固定支座没有达到破坏状态(即未出现滑移现象，或突然失载现象)。其间对称布置于固定支座上的2个百分表工作正常，始终是边加载荷边记录千斤顶压力表压力读数和百分表位移量的读数。

③ 试验结果

全过程观测结果表明，整个加荷过程中一切工作正常，3个试件表现完全一致，未出现任何异常现象，固定支座位移量保持不变，即始终为零。与剪力钉承载力计算内容完全一致。

④ 结果分析

试验结果分析表明，这种剪力钉型的固定支座，结构构造合理，使用安全可靠，具有广泛的适用性。在重复荷载作用下，剪力钉在混凝土的滑移量极其微小。它的安全使用主要与剪力钉的选择和布置、混凝土强度等级的选择和钢筋布设等几方面因素有关。

5 结语

以此次试验结果为依据，我们在实际工程中得以应用，到目前为止，这种剪力钉型固定支座已在太古长输热网上安全使用4 a。它很好地解决了在长输热网中传统固定支座常出现的诸多问题。它能适用于各种管径的推力，能在各种敷设方式(包括直埋、架空)的供热管道中应用，起固定管道作用。

经过4个运行期的实际工程考验，证明该支座具有构造简捷、承受力范围大、便于施工、环境适用性强、安全可靠等优点。还通过红外线测温仪，测试固定支座的混凝土表面温度，结果显示支座表面温度与周边环境温度没有变化。这就表明这种新型固定支座的使用，很好地解决了传统支座所存在的散热量大且不均问题。目前我们也将这种固定支座应用在地下综合管廊以及直埋管网中，剪力钉型固定支座为大管径、大推力、节能环保型长输供热管网发展提供了可靠保障。