国内外埋地钢管结构设计规范对比研究

陈 龙，胡群芳［.上海城投(集团)有限公司，上海 0000；.同济大学 上海防灾救灾研究所，上海 0009］

当前，随着国家城市建设发展，对地下管线建设提出了新的需求，埋地管道大直径、深覆土已成为其主要发展趋势。例如，在 2010 年建成的某工程一期中的埋地循环水压力钢管[1]，直径 D 达 4.10 m，设计壁厚 td达 34 mm，径厚比 r/t 为 60，覆土厚度 Hs达 9.8 m。不同于浅埋的管道，此类大直径深覆土埋地钢管由于管侧变形的控制，其所受水平压力并不会随着覆土深度的增加而增大，因此，管顶垂直压力与管侧水平压力的比值（W/f）会大大增加，从而降低了埋地管的稳定性风险。因此，考虑深覆土埋地钢管工程条件的不确定性与复杂性，对国内现行规范的适用性提出了挑战。如 2008 年，某电厂循环水压力钢管实际覆土厚度达到6 m，引起了 310～415 mm 的变形。由于钢管底部约 1 m厚的砂填层回填施工难度较大，导致实际施工过程中砂回填未达到设计要求的回填土压实度，引起钢管在不同回填料之间发生不均匀沉降[1]。有关此类复杂工程条件下埋地钢管的设计，目前国内现行规范未曾给出具体的设计要求。本文在我国给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程的基础上，对比分析中外埋地钢管结构设计的理论及方法，从埋地钢管的刚度、强度、稳定性三个方面，分别论述中外规范计算理论的异同点与优缺点，并结合具体的工程案例分析各自的影响结果，以为后期我国大口径埋地钢管结构设计提供理论参考和技术指导。

1 国内现行设计规范简介

针对埋地管道结构设计，主要常用的规范有我国、日本、美国和英国等 7 本，如表 1 所示。其中，我国现行的两本规范均来源于 GBJ 69—84《给水排水工程结构设计规范》，其中 GB 50332 规范是其修订版本，而 CECS 规范则是在其第七章内容的基础上，为了逐步与国际接轨以及方便工程应用而独立编制的。日本 TSGP 规范由日本 Hydraulic gate and penstock association 在总结其国内各类发电站管道设计难题的基础上编制，并于 1981 年 进行修订。Steel Pipe—A guide for design and installation（本文简称AWWA M11 或 M11）由美国水行业协会（AWWA）于2003 年 3 月发行了该规范的最新版本。Guidelines for the design of buried steel pipe 由美国联邦事务（FEMA）与美国土木工程协会（ASCE）合作成立的美国生命线系统联盟发行，并将实际工程应用与学术研究集于一体。ASME B31.3 规范，出自美国机械师工程学会《压力管道规范》ASME B31 中的一卷，其适用性最广。Code of practice for pipelines由英国标准协会于 2004 年 7 月发布施行（本文简称 PD 8010），代替业已作废的规范 BS8010。

表1 国内外埋地钢管结构设计规范简介

国内现行的两本规范均仅适用于城镇公用设施和工业企业中的一般给水排水工程管道结构设计，不适用于工业企业中具有特殊要求的管道设计，且 CECS 规范要求埋设条件为素土平基或人工土弧基础。日本的 TSGP 规范除上述国内一般的给排水管道外，还适用于大容量和高水头抽水蓄能发电站管道设计。美国的 GDBSP ASCE 规范针对埋地钢管设计，而 AWWA M11 规范可同时对埋地及地面输水钢管设计。ASME 规范适用于所有流体，同时从管道的材料、设计、制作、安装、检查、检验和试验均作了相应的规范要求，所以是一本国际性的通用规范。英国 PD8010 规范分为陆地钢管与海底管线两部分，其在埋地钢管方面的设计与我国规范相比，主要的特性有以下几点：①提供了管道系统设计、材料选择、规格和使用、布置、土地征用、施工、安装、测试、运行、保养、和废弃方面的指导；②管道可输送油类、气或蒸汽类和其它易燃、易爆、有毒等危险介质；③适用于新建管道和已建管道。

此外，在容许设计温度方面各国规范也有所不同。我国规范埋地钢管的设计温度为 -25～25 ℃，日本 TSGP 规范的适用温度范围小于我国，为 -20℃～20℃，英国设计温度的下限与我国规范相同，但是其对应的上限远大于我国规范，达到 120℃。

2 埋地钢管结构设计规范对比

2.1 设计方法

20 世纪 70 年代以前，经验类比法作为埋地管结构设计主要方法，即以工程师经验为主，根据类似工程成功经验进行类比设计，不需要进行复杂的计算分析，但是由于缺乏理论依据，且不适用于复杂结构的设计逐步被容许应力法所替代。

目前国外主流规范均采用容许应力法，该设计方法以弹性力学理论为基础，将埋地钢管对应的危险截面某一点或某一局部计算应力值与材料的容许应力相比较，采取单一的安全系数，简洁而实用，但也因此对于不同工程工况情况不能分别计算处理。

埋地管道设计规范目前已经从容许应力法逐步发展到概率极限状态设计方法。该方法以对管道材料即荷载作用等大量数理统计为基础，采用分项安全系数考虑各荷载综合作用效应，并进行多阶段设计，国内现行的两本规范均采用该方法，但是由于设计过程对于各类参数的确定需要大量的数理统计做支撑[2]，所以对于工程经验相对缺乏的埋地钢管结构需要做专门的研究。

虽然国内外关于埋地钢管的设计方法不同，但其设计思路基本统一，即由强度计算确定管壁壁厚，进而通过变形验算以及稳定性验算对壁厚进行进一步的验算。

2.2 强度计算

国内外埋地钢管结构设计规范对于强度的计算大致从环向应力、纵向应力以及 Mises 折算应力三个方面去验算，但各自所考虑的荷载作用有所不同，如表 2 所示。

表2 国内外规范强度计算的荷载作用

我国规范将埋地钢管的强度计算划分入承载能力极限状态范围，通过各类荷载作用分项系数以及组合系数，综合考虑所受荷载的整体作用效应。在环向应力的计算中不仅考虑了钢管管壁因设计内压而引起的轴力作用效应，此外还考虑其它各类荷载组合的弯矩作用效应。但由于国内对地震、爆炸等特殊工况下埋地管的设计缺少相应的经验依据及统计数据的支撑，因此我国规范中并未将该类荷载作用计入埋地钢管强度计算中。各国规范中，仅有美国的ASME 规范以及 ASCE 规范做出了相应的规定，其中 ASCE规范认为地震作用下埋地钢管所受的灾害主要分为两个方面：①地震引起的地面位移所引发的间接灾害；②地震波传播所造成的直接灾害。其中关于地面位移的影响，ASCE规范推荐采用有限元模拟的分析方法进行计算。而对于地震波的影响则通过限制埋地钢管的弯曲应力以及轴向应变进行灾害控制。日本的 TSGP 规范以及英国的 PD 规范在强度计算上均仅考虑了设计内压、水锤压力以及温度作用三个荷载的作用效应。

纵向应力一般由横向应力和温度应力组成，此外我国规范还要求依据具体的工程情况考虑因不均匀沉降引起的纵向应力。各国规范有关温度应力的计算范围虽有所不一样，但均按照最不利工况进行选取。

国内外规范有关管材容许应力的取值各自不一。我国规范强度计算容许应力直接取自管材的屈服强度值；日本TSGP 规范容许应力需在屈服强度的基础上除以强度安全系数（一般取值 1.5），并乘以一定的焊缝强度折减系数（＜1），所以日本 TSGP 规范的强度计算容许应力值要小于我国CECS规范的容许应力值。美国的 AWWA 规范对于容许应力的规定除了在屈服强度的基础上乘以对应的焊缝折减系数以外，还需乘以相应的设计因数 a（静水工况下 a=0.5，水锤工况下 a=0.75）。英国PD规范容许应力的计算与美国的AWWA规范一样，不同的是英国规范对于设计因数a的工况区分更为详细（B 类物质：a≤0.72；C/D/E 类物质，且Ⅰ类场地下：a≤0.72；C/D/E 类物质，且Ⅱ类场地下：a≤0.3；对于其它取值a＞0.72 的情形必需要有可靠的分析依据）。由上述可知，我国 CECS 规范的强度计算容许值是各国不同规范中要求最为宽松的。

2.3 刚度验算

国内外规范在进行埋地钢管刚度验算时，均以竖向变形为主要分析对象，并按最不利工况即管道空载时进行刚度校核，此时管道所受荷载有上覆土荷载、地面超压以及管道内部真空无内力。除了 TSGP 规范、ASME B 31.3 以及PD 8010 规范没有给出具体的变形计算公式以外，其余规范所采用的变形计算式基本一致，均参照 Spangler 公式，综合考虑埋地钢管自身的强度、刚度以及管侧土体的弹性抗力作用。

各国规范有关容许变形的规定所采用的变形容许值差异并不是太大，基本都落在 0.02～0.04 D0 的区间内。此外对于大直径埋地管，由于壁厚相对较薄，钢管柔性相对增大，外压失稳和变形过大的可能性增加。为加强钢管抗外压失稳能力，并降低变形过大的可能性，可通过增加加劲肋环作为安全储备措施。参考日本规范相关条例，加劲肋环作用范围即加劲环左右两侧一定宽度以内受到约束的管壁，最大变形的最可能发生部位位于区间管壁处，需按照光面钢管计算变形的方法计算区间管壁的变形量，即采用上述 Spangler 公式计算，但在计算截面刚度时，需用等效宽度代替原有管壁宽度。

2.4 稳定性验算

埋地钢管的失稳形式主要有三种：环向鼓包、侧壁压屈和纵向屈曲，如图 1 所示。

图1 埋地钢管屈曲形式

中外规范稳定性计算中关于管道屈曲形式的选取有所差异，美国规范 GDBSP ASCE 的屈曲验算包含两种形式：侧壁压屈和管环屈曲，即图2中的（1）、（2）两种屈曲形式。但由工程经验可知，对于D/t小于100，且材料的屈服强度大于 0.03 MPa 的压力管而言，侧壁压屈破坏几乎是不可能的，所以 ASCE 规范并未给出具体的验算式，仅建议可通过保证一定的埋置深度来避免侧壁压屈的发生。英国规范PD 8010 在此考虑了管道的局部屈曲、纵向屈曲以及由于轴向压力引起的约束屈曲验算。日本 TSGP 规范的屈曲验算对象除了光圆管管壁以外，还包括了加肋管的管壁以及肋环，为国内加劲肋埋地钢管的设计提供了技术参照。

中外规范对埋地钢管进行稳定性计算时主要通过管道屈曲失稳的临界荷载 与管道上的外压作用的比值与对应的稳定性安全系数进行比较。其中，所考虑的屈曲外压基本相同，主要有竖向土压力、地面超载以及真空压力。但对应临界压应力的计算则各有不同。我国 CECS 规范采用日本藤田博爱公式计算埋地钢管临界荷载值。该式主要分为两部分：埋地钢管自身刚度所产生的抗力以及土体的抗力效应，其中第二部分土体抗力效应中有关负抗力效应的可靠性有争议，不宜考虑，因此修订后的规范将土体抗力的效应折减为二分之一，即仅考虑土体正抗力的效应的影响。对比各国规范稳定性计算公式可知，仅我国规范考虑了管侧土体的抗力影响，其它规范均仅从埋地钢管自身失稳的力学性能进行分析验算。但需要指出的是在各国规范中仅日本规范对加劲肋埋地钢管的设计提出了具体的计算式。日本 TSGP 规范对于光圆埋地钢管管壁和加劲肋环埋地钢管的加劲肋的稳定性计算均采用 Amstutz 原理，即假定当外压接近临界值时，环向管壁可能出现几个初始波，但随着外压的增大，管壁将首先向其中一个薄弱部位屈曲，形成一个单波，从而减小了其它部位的管壁发生屈曲的可能性。国内外实际埋藏式钢管失稳破坏和模型试验破坏的实例说明阿氏假定的屈曲波形是比较符合实际的。这为我国加劲肋环埋地钢管的设计提供了一定的参考价值。

3 工程设计案例设计对比

3.1 工程概况

本文利用国内某工程的埋地钢管参数作为计算案例，应用上述各国不同规范进行对比计算，表3为该工程中埋地钢管结构的主要设计参数，包括管材参数，管道尺寸、设计荷载和周边土体参数等。

表3 埋地钢管设计计算参数

3.2 强度计算对比分析

由表 4 可知，各国不同规范计算的判定结果基本一致。在环向应力的计算中，仅我国规范不能满足条件要求，且达到 294.17 MPa，远超出其它规范计算值，可以推断这是由于我国 CECS 规范在环向应力的计算中除了考虑设计内压以外，还考虑了其它荷载组合作用下引起的环向弯曲应力，且经过进一步计算发现因设计内压而引起的环向应力为 29.33 MPa，与其它规范计算值接近，其余因弯矩引起的环向应力为 265 MPa，是造成我国 CECS 规范的环向应力计算值偏大的原因，其最直接的影响是埋地钢管壁厚的增加，因此若是过高的估计该弯矩作用的影响，则会造成材料的浪费。

表4 各项规范强度计算结果对比分析单位：MPa

我国 CECS 规范将各项荷载的弯矩作用考虑在内从理论上分析更为合理，且从结果数值来看，也非常有必要，但是综合国内外设计规范以及实际工程经验，如何准确的考虑弯矩因素对环向应力的影响是值得我们进一步思考研究的问题。

3.3 刚度计算对比分析

由下表 5 国内外规范的刚度计算对比分析结果可知，该设计条件下的埋地钢管可满足我国 CECS 规范和美国 ASCE规范的设计要求，但不能满足美国 AWWA 规范的设计要求（日本 TSGP 规范和英国 PD 规范由于并未给出具体的计算式，在此省略）。

表5 各国不同规范刚度计算结果比对

各国不同规范刚度计算的椭圆度容许值均为 0.03，判定结果的不一致来源于各国不同规范椭圆度的计算值。但由前述可知，国内外规范对于埋地钢管的刚度计算均来源于Spangler 公式，因此，表 6 列出了各国不同规范椭圆度计算的中间参数值进行比较。

表6 各国不同规范椭圆度 Δy/D false 计算中间参数值

由表 6 可知，美国的 ASCE 规范与 AWWA 规范中间参数值最主要的区别在于管道所受竖向压力的不同，美国AWWA 规范所考虑的计算荷载值为 0.27 MPa，近似于 ASCE规范的 2 倍，符合最终两者椭圆度计算规律。我国 CECS 规范的单位长度管道刚度值为 6.35E＋4 MPa，取值远大于其它规范。埋地钢管的竖向变形为纵向截面的弯曲变形积累所致，而管道用以抵抗因竖向压力作用产生的纵向截面弯矩的刚度则来源于埋地钢管的纵向截面刚度，即考虑了惯性矩迁移的单位长度纵向截面刚度。

3.4 稳定性计算对比分析

表 7 为国内外规范有关埋地钢管稳定性计算结果对比，其中仅英国 PD 规范考虑弯矩屈曲、纵向屈曲以及外压屈曲的综合作用时不能满足其对应设计要求。此外，对比其它各类规范的容许屈曲值可发现，虽然均能满足对应设计要求，但是，日本规范的容许屈曲值远大于其它各国不同规范，这是由于日本规范基于 Amstutz 原理考虑了埋地钢管加劲肋的作用，从而大大提高了埋地钢管的承载能力。

表7 各国不同规范稳定性计算结果对比单位：MPa

4 结 语

伴随国家城镇化发展的快速发展需求，城市基础设施中的埋地管道工程近年来引起全社会的重视，大直径、深覆土埋地钢管会越来越多应用到实际工程[3]。然而，国内现行规范在适用条件上限制性存在问题，由此促使发展更加可靠的埋地钢管设计方法。综合国内外各埋地钢管结构设计规范，我国规范的设计方法已经采用极限状态设计方法，在强度计算方面考虑了各类荷载的综合作用效应，其合理性优势已有所体现，但是具体的设计参数应该如何选取还应结合更多的实际工程案例进行研究，以提高最终结果的精准性。

此外，对比分析国内外规范计算方法，其中存在很多借鉴点。日本的 TSGP 规范详细规定了有关加劲肋埋地钢管的设计，为我国大直径、深覆土埋地钢管的结构设计提供了一定的参照。英国的 PD 规范提供了埋地钢管各类不同屈曲形式下的稳定性验算方法。美国规范在工况的考虑、荷载的选择、埋地钢管的设计流程以及后期维护方面都作了详细的阐述，对我国不同工况下埋地钢管的设计具有实际性的指导作用。

综合上述分析可以发现，我国现行埋地钢管设计规范在工况的适用性、设计及后期维护等方面均有所欠缺，可在借鉴国内外设计规范及各类工程经验的基础上逐步完善，以满足工程结构日趋复杂的设计需求。