一种复杂地段埋地敷设钢质管道的支撑支座及其设计方法与流程

本发明涉及管道工程技术领域，具体而言，涉及一种复杂地段埋地敷设钢质管道的支撑支座及其设计方法。

背景技术：

管道输送作为五大运输体系之一，相对于水运、公路、铁路、航空业来说，在现实和未来社会中，占据重要位置。钢质管道在国民经济建设中占有及其重要的地位，且管道建设管径越来越大。管道一般采用埋地敷设方式，埋地敷设的钢质管道一般采用焊接连接；在管道竖向和纵向转弯处设置弯管。埋地敷设的钢质管道根据地形地貌条件可采用沟上焊接连接与沟下焊接连接的方式。

埋地敷设的钢质管道在复杂地段施工，因回填施工导致的管道防腐层损坏、管体损伤、接头焊缝微裂纹等损害不易发现且很少有机会修复，会在管道运营的全寿命周期内始终存在，可能因损害本身导致管道事故发生，也可能与其他因素叠加诱发管道事故发生。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种复杂地段埋地敷设钢质管道的支撑支座及其设计方法，能够降低管沟开挖不平整、细土回填质量差、下沟吊装作业散落碎石等因素对管道防腐层的损坏和管体的损伤，减少管道不均匀沉降或管道椭圆度过大问题，从而降低管道事故的发生。

本发明提供了一种复杂地段埋地敷设钢质管道的支撑支座，包括：水平布置的底板和弧形内凹且弧度与管道匹配的圆弧托板；

两个纵向支撑板分别位于支撑支座的左右两端且竖直布置于所述底板和所述圆弧托板之间，所述纵向支撑板的一端与所述圆弧托板的端部粘接固定，所述纵向支撑板的另一端与所述底板顶端粘接固定；

两个所述纵向支撑板之间间隔且竖直布置有两个第二纵向加劲板，所述第二纵向加劲板的一端与所述圆弧托板底端粘接固定，所述第二纵向加劲板的另一端与所述底板顶端粘接固定；

两个所述第二纵向加劲板之间竖直布置有第一纵向加劲板，所述第一纵向加劲板的一端与所述圆弧托板底端粘接固定，所述第一纵向加劲板的另一端与所述底板顶端粘接固定；

两个横向支撑板分别位于支撑支座的前后两端，所述横向支撑板将所述底板、所述圆弧托板和两个所述纵向支撑板封闭，所述横向支撑板的顶端外轮廓与所述圆弧托板的弧形匹配且与所述圆弧托板粘接固定，所述横向支撑板的底端与所述底板粘接固定，所述横向支撑板的两个侧壁分别与两个所述纵向支撑板粘接固定，所述横向支撑板的内壁分别与所述第二纵向加劲板和所述第一纵向加劲板粘接固定。

作为本发明进一步的改进，所述圆弧托板和所述横向支撑板的圆心角大于90°。

作为本发明进一步的改进，所述第一纵向加劲板粘接固定在所述底板中部，所述第二纵向加劲板位于所述第一纵向加劲板和所述纵向支撑板中间。

作为本发明进一步的改进，还包括位于所述支撑支座与所述管道之间的绝缘橡胶板，所述绝缘橡胶板的形状与所述圆弧托板的形状匹配。

本发明还提供了一种复杂地段埋地敷设钢质管道的支撑支座设计方法，包括：

步骤1，确定支撑支座的设计基本条件：包括埋地敷设钢质管道的外直径d、壁厚t、自重q1、材质、埋深h，每节管道的长度l，管道敷设地质的密度r1，管沟地基承载力p，以及支撑支座的材料q；

步骤2，根据管道的直径、壁厚、自重及埋深，确定管道中间段所需要加设的支撑支座个数n；

步骤3，计算每个支撑支座需要的竖向承载力f；

步骤4，计算每个支撑支座底部最小面积a；

步骤5，根据支撑支座的稳定性要求，确保所述支撑支座的横向有效支撑角度不小于90°，纵向支撑宽度不小于0.5d，计算支撑支座的横向支撑宽度及纵向支撑宽度；

步骤6，确定支撑支座的结构，包括支撑支座的立板与圆弧托板相交段需要的最小长度lt,min，以及立板最小支撑长度lp,min；

步骤7，设计支撑支座各构件的结构和尺寸，确保各构件尺寸满足受力要求。

作为本发明进一步的改进，步骤3中，竖向承载力f通过式计算：

式中：

n为支撑支座个数，k为支撑支座承载力设计安全系数，q1为管道的自重，q2为输送介质自重，r1为管道敷设地质的密度，l为每节管道的长度，h为管道的埋深，d为管道外直径。

作为本发明进一步的改进，步骤4中，支撑支座底部最小面积a通过式计算：

式中：

f为竖向承载力，p为管沟地基承载力。

作为本发明进一步的改进，步骤6中，按圆弧托板抗剪要求计算立板与圆弧托板相交段需要的最小长度，具体通过式计算：

式中：rs为材料q的抗拉强度标准值保证率，r2为材料q的分项系数，re为材料q的环境影响系数，fv为材料q的抗剪强度，t1为圆弧托板的厚度；

lp,min通过式计算：

式中：rs为材料q的抗拉强度标准值保证率，r2为材料q的分项系数，re为材料q的环境影响系数，fv为材料q的抗剪强度，t2为立板的厚度。

作为本发明进一步的改进，将支撑支座设计为包含以下构件：一个底板、一个圆弧托板、两个横向支撑板、两个纵向支撑板、一个第一纵向加劲板和两个第二纵向加劲板。

作为本发明进一步的改进，所述底板的长度为1100mm，宽度为700mm，厚度为40mm，所述横向支撑板的厚度为20mm，所述圆弧托板的厚度为20mm，所述纵向支撑板的长度为700mm，高度为400mm，厚度为20mm；所述第二纵向加劲板的长度为700mm，高度为210mm，厚度为20mm；所述第一纵向加劲板的长度为700mm，高度为160mm，厚度为20mm。

本发明的有益效果为：

针对钢质管道自身特点及复杂地段管道回填施工等存在的质量问题，设计对应的支撑支座，布设在管道接头和管段上，可以取代目前沟底回填细土保护管道的施工方案，能够降低管沟开挖不平整、细土回填质量差、下沟吊装作业散落碎石等因素对管道防腐层的损坏和管体的损伤，降低不均匀沉降和管端椭圆度增大对钢质管道焊缝的不利影响，从而降低管道事故的发生，极大地提高了施工质量和管道安全运营的可靠度。

附图说明

图1为本发明实施例所述的一种复杂地段埋地敷设钢质管道的支撑支座的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的一种复杂地段埋地敷设钢质管道的支撑支座的立面图；

图3为本发明实施例所述的一种复杂地段埋地敷设钢质管道的支撑支座的平面图；

图4为本发明实施例所述的圆弧托板的示意图；

图5为本发明实施例所述的横向支撑板的示意图；

图6为本发明实施例所述的一种复杂地段埋地敷设钢质管道的支撑支座的设计方法的流程示意图。

图中，

1、底板；2、横向支撑板；3、圆弧托板；4、纵向支撑板；5、第二纵向加劲板；6、第一纵向加劲板；7、绝缘橡胶板；8、管道。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1，如图1-5所示，本发明实施例的一种复杂地段埋地敷设钢质管道的支撑支座，用于支撑管道8，包括：水平布置的底板1和弧形内凹且弧度与管道8匹配的圆弧托板3。绝缘橡胶板7的形状与圆弧托板3匹配。

两个纵向支撑板4分别位于支撑支座的左右两端且竖直布置于底板1和圆弧托板3之间，纵向支撑板4的一端与圆弧托板3的端部粘接固定，纵向支撑板4的另一端与底板1顶端粘接固定。

两个纵向支撑板4之间间隔且竖直布置有两个第二纵向加劲板5，第二纵向加劲板5的一端与圆弧托板3底端粘接固定，第二纵向加劲板5的另一端与底板1顶端粘接固定。

两个第二纵向加劲板5之间竖直布置有第一纵向加劲板6，第一纵向加劲板6的一端与圆弧托板3底端粘接固定，第一纵向加劲板6的另一端与底板1顶端粘接固定。

两个横向支撑板2分别位于支撑支座的前后两端，横向支撑板2将底板1、圆弧托板3和两个纵向支撑板4封闭，横向支撑板2的顶端外轮廓与圆弧托板3的弧形匹配且与圆弧托板3粘接固定，横向支撑板2的底端与底板1粘接固定，横向支撑板2的两个侧壁分别与两个纵向支撑板4粘接固定，横向支撑板2的内壁分别与第二纵向加劲板5和第一纵向加劲板6粘接固定。

还包括位于支撑支座与管道8之间的绝缘橡胶板7，绝缘橡胶板7的形状与圆弧托板3的形状匹配。

进一步的，为保证对管道的支撑，圆弧托板3和横向支撑板2的圆心角大于90°。本实施例中，圆弧托板3和横向支撑板2的圆心角为102°。

进一步的，为保证支撑支座受力的均匀，第一纵向加劲板6粘接固定在底板1中部，第二纵向加劲板5位于第一纵向加劲板6和纵向支撑板4中间。

进一步的，底板1、横向支撑板2、圆弧托板3、纵向支撑板4、第二纵向加劲板5和第一纵向加劲板6的材质均为gfrp(玻璃纤维增强复合玻璃钢)，并不仅限于gfrp材料。所有的粘接材料均为环氧树脂。整个支撑支座为非金属复合材料，耐腐蚀、质量轻、易加工，且不影响线路阴极保护系统的正常运行。

实施例2，一种复杂地段埋地敷设钢质管道的支撑支座设计方法，应保证管道底部距管沟底平面的距离为200mm左右，保证管沟回填时一般粒径的碎石土(通常小于150mm)能够顺利回填到位，如图6所示，该方法包括：

步骤1，确定支撑支座的设计基本条件：包括埋地敷设钢质管道的外直径d、壁厚t、自重q1、材质、埋深h，每节管道的长度l，管道敷设地质的密度r1，管沟地基承载力p，以及支撑支座的材料q。

步骤2，根据管道的直径、壁厚、自重及埋深，确定管道中间段所需要加设的支撑支座个数n。

步骤3，计算每个支撑支座需要的竖向承载力f。

其中，竖向承载力f通过式1计算：

式中：

n为支撑支座个数，k为支撑支座承载力设计安全系数，q1为管道的自重，q2为输送介质自重，r1为管道敷设地质的密度，l为每节管道的长度，h为管道的埋深，d为管道外直径。

步骤4，计算每个支撑支座底部最小面积a。

其中，支撑支座底部最小面积a通过式(2)计算：

式中：

f为竖向承载力，p为管沟地基承载力。

步骤5，根据支撑支座的稳定性要求，确保支撑支座的横向有效支撑角度不小于90°，纵向支撑宽度不小于0.5d，计算支撑支座的横向支撑宽度及纵向支撑宽度。

步骤6，确定支撑支座的结构，包括支撑支座的立板与圆弧托板相交段需要的最小长度lt,min，以及立板最小支撑长度lp,min。

按圆弧托板抗剪要求计算立板与圆弧托板相交段需要的最小长度，具体通过式(3)计算：

式中：rs为材料q的抗拉强度标准值保证率，r2为材料q的分项系数，re为材料q的环境影响系数，fv为材料q的抗剪强度，t1为圆弧托板的厚度；

lp,min通过式4计算：

式中：rs为材料q的抗拉强度标准值保证率，r2为材料q的分项系数，re为材料q的环境影响系数，fv为材料q的抗剪强度，t2为立板的厚度。

步骤7，设计支撑支座各构件的结构和尺寸，确保各构件尺寸满足受力要求。

本实施例中，设计的基本条件为：埋地敷设钢质管道的外直径d＝1219mm、壁厚t＝26mm、自重q1＝480kg/m、x80材质、采用3pe防腐结构，防腐层厚度3.5mm；每节管道的长度l＝12m，管道的埋深h＝1.2m，管道敷设地质为卵石地质，卵石密度r1＝2.1×10³kg/m³，管沟地基承载力p＝260kpa，以及支撑支座的材料q为gfrp。

每个支撑支座需要的竖向承载力f通过式(1)计算，其中，n取3，k取0.8，q1取480kg/m，q2为输送介质自重，输气管道可忽略，r1取2.1×10³kg/m³，l取12m，h取1.2m，d取1.219m，计算得到f＝174kn。

计算每个支撑支座底部最小面积a通过式(2)计算，其中，f＝174kn，p＝260kpa，计算得到a＝0.669m²。为保证管道支撑支座的稳定性，支撑支座横向有效支撑角度不应小于90°，纵向支撑宽度不应小于0.5d”，对于本实施例的管道，横向支撑宽度取1.1m，纵向支撑宽度取0.7m，支撑支座底部面积为0.77m²＞0.669m²，满足条件。

支撑支座的顶托圆弧板厚度t1＝20mm，支座立板厚度t2＝20mm，考虑立板与托板相交相切，按圆弧托板抗剪要求通过式(3)计算立板与圆弧托板相交段需要的最小长度，式(3)中，rs取0.95，r2取1.4，re取1.6，fv取110x10³kpa，t1取0.02m，计算得到lt,min＝0.168m，同样，通过式(4)计算得到lp,min＝0.168mm。

根据上述计算结果，将支撑支座设计为包含以下构件：一个底板1、一个圆弧托板3、两个横向支撑板2、两个纵向支撑板4、一个第一纵向加劲板6和两个第二纵向加劲板5。这里的横向支撑板2、纵向支撑板4、第一纵向加劲板6和第二纵向加劲板5均为立板。各个构件之间的连接关系如实施例1所述。各个构件的尺寸如下：底板1的长度为1100mm，宽度为700mm，厚度为40mm，横向支撑板2的厚度为20mm，圆弧托板3的厚度为20mm，纵向支撑板4的长度为700mm，高度为400mm，厚度为20mm；第二纵向加劲板5的长度为700mm，高度为210mm，厚度为20mm；第一纵向加劲板6的长度为700mm，高度为160mm，厚度为20mm。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。