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4.3 正常使用极限状态计算

4.3.1 本条对管道结构正常使用条件下的极限状态计算内容作了规定,这些要求主要针对管道结构的耐久性,保证其使用年限,提高工程投资效益。

4.3.2 本条对柔性管道的允许变形量作了规定。原规范仅对水泥砂浆内衬作出现定,控制管道的最大竖向变形量不宜超过0.02 。从工程实践来看,此项允许变形量与水泥砂浆的配制及操作成型工艺密切相关,例如手工涂抹和机械成型,其质量差异显著;砂浆配制掺入适量的纤维等增强抗力材料,将改善砂浆的延性性能等。据此,条文对水泥砂浆内衬的允许变形量,规定可以有一定的幅度,供工程技术人员对应采用。
此外,条文还结合近十年来防腐内衬材料的引进和开拓,管材品种的多种开发,增补了对防腐涂料内衬和化学管材的允许变形量的规定,这些规定与国外相应标准的要求基本上协调一致。

4.3.3~4.3.7 条文对钢筋混凝土管道结构的使用阶段截面计算做出了规定,这些要求和原规范的规定是协调一致的。
1 当在组合作用下,截面处于受弯或大偏心受压、拉时,应控制其最大裂缝宽度,不应大于0.2mm,确保结构的耐久性,符合使用年限的要求。同时明确此时可按长期效应的准永久组合作用计算。
2 当在组合作用下,截面处于轴心受拉或小偏心受拉时,应控制截面的裂缝出现,此时一旦形成开裂即将贯通全截面,直接影响管道结构的水密性要求和正常使用,因此相应的作用组合应取短期效应的标准组合作用计算。

4.3.8 本条对柔性管道的变形计算给出了规定,相应的组合作用应取长期效应的准永久组合作用计算。
原规范规定的计算模型系按原苏联1958年《地下钢管设计技术条件和规范》采用,该计算模型由前苏联学者Л.М.ЕмеΛьянов提出,其理念系依照地下柔性管道的受载程序拟定,即管子在沟槽中安装后,沟槽回填土使管体首先受到侧土压力使柔性管产生变形,向土体方向的变形导致土体的弹性抗力,据此计算管体在竖向、侧向土压力和弹性土抗力作用下管体的变形。

如图4.3.8 所示,当管体上下受到相等的均布压力p时,管体上任一点半径向位移ω为:

按此式可得管顶和管侧的变位置是相同的。当管体仅受到侧向土压力时、亦将产生变形,其方向则与竖向土压作用相反。由于管侧土压力值要小于竖向土压力(例如1/3),因此管体的最终变形还取决于竖向土压力导致的变形形态。
应该认为原规范引用的计算模型在理念上还是清楚的,但与通常的弹性地基上结构的计算模型不相协调,后者的结构上的受力,只需计算结构上受到的组合作用以及由此形成的弹性地基反力,美国spang1er 氏即是按此理念提出了计算模型,获得国际上广为应用,据此条文修改为采用spang1er 计算模型,以使在柔性管的变形计算方法上与国际沟通,协调一致。
另外,在条文给定的计算变形公式中,引入了变形滞后效应系数DL。此项系数取1.0~1.5,主要是管侧土体并非理想的弹性体,在抗力的长期作用下,土体会产生变形或松弛,管侧回填土的压实密度越高,滞后变形效应越显著,粘性土的滞后变形比砂性土历时更长,这一现象已被国内、外工程实践检测所证实(例如国内曾对北京市第九水厂DN2600mm 输水管进行管体变形追踪检测)。显然此项变形滞后系数取值,不仅与埋地管道覆土竣工到投入运行的时间有关,还与管道的运行功能相关,如果是压力运行,内压将使管体变形复圆。因此,对变形滞后系数的取值,对无压或低压管(内压在0.2MPa 以内)应取接近于1.5 的数值;对于压力运行管道,竣工所投入运行的时间较短(例如不超过3 个月),则可取1.0 计算,亦即可以不考虑滞后变形的因素;对压力运行管道,从竣工到运行时间较长时,则可取1.0<DL<1.5 作为设计计算采用值。

4.3.9~4.3.11 有关条文规定可参阅《给水排水构筑物结构设计规范》相应条文的说明。