CECS141：2002给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程

中国工程建设标准化协会标准给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程Specification for structural design of buried steel pipeline of water supply andsewerage engineeringCECS 141:2002上编部门：北京市市政工程设计研究总院批准部门：中国匸程建设标准化协会施行口期：2 0 0 3 年3 月1 口第2页土术工程,1 Z , A刖 B本规程的内容原屈于给水排水工程结构设计规范GBJ 6984中第七章。为了逐 步与国际接轨，方便工程应用和今后修订，现按,照中国工程建设标准化协会（94）建标 协字第门号关于下达推荐性标准编制计划的丙的要求进行修订。并独立成本。本规程系根据国家标准建筑结构可靠度设计统一标准GB 50068和工程结构可 靠度设计统一标准GB 50153规定的原则，采用以概率理论为基础的极限状态设计方法 编制，并与有关的结构专业设计观范协调一致。本规程任修订过程中，总结了近十多年来原给水排水工程结构设计规范GBJ 69 84的匸程实践经验，吸取了国外相关标准的内容，并经中国匚程标准化协会管道结构 委员会多次讨论，使内容有了充实和完善。根据国家计委标 1986 1649号文关丁请中国工程建设标准化委员会负责组织推荐 性1程建设标准试点T作的通知的要求，现批准协会标准给水排水匸程埋地钢管管 道结构设计规程,编号为CECS141： 2002,推荐给工程建设设计、施工、使用单位采用。本规程第 3.11、121、515、5.22、52.4、525、5.33、& 0.1、& 0. 7、8. 0. 9、 8.0.10条建议列入匸程建设标准强制性条文。本规程由中国工程建设标准化协会管道结构委员会CECS/ TC17 （北京西城区刀坛南 街乙二号北京市市政工程设计研究总院，邮编：100045）归口管理，并负贵解释。在使 用中如发现盂要修改或补允之处，清将意见和资料径寄解释单位。主编单位：北京市市政工程设计研究总院主要起草人：刘雨生沈世杰潘家多钟启承中国工程建设标准化协会2002年12月25日m二L木工程冃 次前 言31 总则52主要符号53材料73.1 材质标准73.2 计算指标84钢管管道结构上的作用84.1作用分类和作用代表值84.2 永久作用标准值84.3可査作用标准值、准永久值系数95基本设计规定115.1 一般规定115.2承载能力极限状态计算规定125.3正常使用极限状态验算规定146承载能力极限状态计算 146.1 强度计算146.2 稳定验算167刚度验算178构造规定17附录A钢管管道在各种荷载作用下的最大弯矩系数和竖向变形系数19附录B管侧土的综合变形模量20本规程用词说明221总贝I1.0.1为了在给水排水工程埋地钢管管道结构设计中，贯彻执行国家的技术经济政策， 做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量，制订本规程。1.0.2本规程适用丁城、镇公用设施和工业企业中一般给水排水工程埋地焊接钢管管道 结构设计，其埋设条件为素土平基或人匸土弧基础。本规程不适用丁工业企业屮具有特殊耍求的埋地钢管管道结构设计。1.0.3本规程是根据现行国家标准给水排水工程管道结构设计规范GB 50332规定 的原则编制的。1.0.4对丁建设在地震区、湿陷性黄土或膨胀土等特殊条件地区的给水排水工程埋地钢 管管道结构，其设计尚应符合国家现行有关标准的规定。1.0.5钢管管道施匸时，尚应遵守现行国家标准给水排水管道工程施I】及验收规范 GB 50268的规定。2主要符号2.0.2管道上的作用和作用效应F“管内真空压力标准值；仏浮托力标准值；化上管道单位长度上管顶竖向土压力标准值；Fwk管道的工作床力标准值；管道的设计内水压力标准值：%温度作用标准值；钢管管道结构|巫标准值：G叔管道内水重标准值：仏地而午辆轮压产生的管顶处的单位而积上竖向压力标准值；qmk地面堆积荷载产生的竖向床力标准值;“叭一管道的最大竖向变形。第5页土术工程2.0.2材料性能Ep钢管管材弹性模最；Ee 管侧向填土的变形模M：:E”一基糟两侧原状土的变形模最：E(l 管侧土的综合变形模f钢管管材或焊缝的强度设计值；a钢管管材的线膨胀系数；Ys回塡土重度；vp钢管管材的泊桑比；v,回塡土的泊桑比。2.0.3儿何参数a 单个车轮着地分布长度；b单个车轮着地分布宽度；b0管壁计算宽度；D,管道外壁克径；Dq管道的计算胃径：Hs管顶至设计地面的覆土高度：r()管的计算半径；r,管的外壁半径：/.管壁设计厚度；g管華计算厚度。2.0.4计算系数C61钢管管道结构的h重效应系数;C,竖向土压力效应系数：第7页童匸土术工程cGw管道内水巫效应系数：C“d、Cq、Cq八Cq,、Cqs分别为设计内水压力、地面车辆荷载、地而堆积荷载、温度作用和地基不均匀沉降的效应系数；%变形滞后效应系数；k綁、kwm分别为钢管管道结构自巫、竖向土压力和管内水巫作用下柔性管管琏截面的最大弯矩系数；kh竖向斥力作用下柔性管的竖向变形系数：K,抗滑稳定性抗力系数：Kst管堆截面的设计稳定性抗力系数：Kf抗浮稳定性抗力系数：/CI心、鼻、YGi一分别为管道结构自重、竖向土压力、管内水巫和地基不均匀沉降的分项系数：yQ设计内水床力、地面车辆荷载、堆积荷载和温度作用的分项系数：叭可变作用的组合系数；匕可变作用的准永久值系数。3材 料3.1材质标准3.1.1钢管的管材强度等级不应低于Q235,其质量应符合现行国家标准碳素结构钢GB/T 700的要求。3.1.2钢管的焊接材料应符介下列耍求：1手匸焊接用的焊条，应符合现行国家标准碳钢焊条GB/T5117的耍求。选用的焊条型号应与钢管管材力学性能相适应。2 动焊或半门动焊应采用与钢管管材力学性能相适应的焊丝和焊剂。焊丝应符合现行国家标准熔化焊用钢丝T 14957的耍求。3.2计算指标3. 2.1钢管管材和焊缝的强度设计值，应根据现行国家标准钢结构设计规范GB 50017 的规定采用。3. 2. 2钢材的物理件能指标应按表3. 2. 2采用。表3.2.2钢材的物理性能指标弹性模最Ep(N/mm2)重度人(kN/m3)线膨胀系数a(以每C计)泊桑比2.06X10578.512X1060.34钢管管道结构上的作用4.1作用分类和作用代表值4.1.1钢管管道结构上的作用可分为永久作用和可变作用两类：1永久作用应包括管道结构IT朿、竖向土斥力、管道内水朿和地棊的不均匀沉降。2可变作用应包括管道内的设计内水压力、管道真空压力、地而堆积荷载、地面车 辆荷载、地下水浮力和温度变化作用。4.1.2钢管管道结构设计时，对不同性质的作用应采用不同的代表值。作用标准值为作 用的基本代表值。对永久作用，应采用标准值作为代表值。对可变作用，应根据设计要求采用标准值、 组合值或來永久值作为代表值C作用的组合值或來永久值，应为作用的标卅值乘以作用 的组介系数或准永久值数。4.1.3当钢管管道结构承受两种或两种以上可变作用，且按承载能力极限状态的作用效 应基本组介进行设计时，可变作用应采用组合值作为代表值。4.1.4当按止常使用极限状态的作用效应准永久组介进行设计时，可变作用应采用准永 久值作为代表值。4.2永久作用标准值4. 2. 1钢管管道结构H重标准值可按下式计算：G严人丿(4-2.1)式中 G山钢管管道结构H重标准值(kN/m)；第10页Q钢管管道的计算也径，按圆心至管壁中线计算（m）；t管瞬设计厚度（rrm）：ysl钢管管材重度，按表3.2.2采用。4.2.2作用在钢管管顶的竖向土斥力，其标准值应按下式计算：宀（4-2.2）式中几上竖向土压力标准值（kNm）；乙回填土重度（kN/nf）:H,管顶至设计地而的覆土高度（m）；D,管外壁苴径（m） o4. 2. 3钢管管道内水的重度标准值人可 10kN/ nfo4.2.4地基不均匀沉降的标准值，应按现行国家标准建筑地基基础设计规范GB 50007的规定计算确定。4.3可查作用标准值、准永久值系数4.3.1钢管管道设计内水压力的标准值，应按下列规定计算：1对给水工程，可按下式计算： = +0.5（4.3.1-1）式中 5钢管管道的设计内水压力标准值，取不小T0.9：Fwk钢管管道的匸作床力标准值（Wa）。2对排水工程，可按下式计算：55心（4.3.1-2）4.3.2钢管管道在运行过程中可能产生的真空压力，其标准值化,可取0.05Wa,准永 久值系数可取肖厂0。4.3.3地面堆积荷载产生的竖向压力标准值g冰可取10kN/rrf,准永久值系数可取 匕=0. 5。4.3.4地而车辆轮压产生的管顶处竖向压力标准值及其准永久值系数，可按下列规定确 定：1单个轮压产生的管顶处竖向压力标准值，可按下式计算（图4. 3. 4-1）:(a + 1.4z)(b + 1.4z)(4.3.4-1)第12页第#页式中Qm车辆的单个轮床标准值（kN）:q“地而车辆轮压产生的管顶处单位面积上竖向压力标准值（kN/rrf）；儿 动力系数，按表4. 3. 4-1釆用; d 单个乍轮的着地分布长度（m）: b单个千轮的着地分布宽度（m）: z车行地面至管顶的距离（m）。心 松轮胎胞寛度的传谡（b）沿轮胎地K度的传遵第#页m 4. 3.4-1地面车擠单个轮压的传遵分布表4. 3. 4-1动力系数如地面至管顶的距离（EW0.250.30.40.50.6M0. 71.31.251.21.151.051.02两个以上轮压产生的管顶处竖向压力标准值,可按下式计算（图4.3.4-2）:(4.3.4-2)a 叽 Q、kHvk n-l（a + lAz）（nb + 工 d： 1.4z）式中/车轮总数星；d地而相邻两个轮压间的净距（m） o第#页图4- 3.4 2 地面车辆两个以上轮压的传递分布第13页第#页4.3.5温度作用标准值可按管道闭合温差土25C计算，准永久值系数可取肖厂1.0。4.3.6地下水的浮托力标准值应按故高地下水位计算，地下水的巫度标准值可取10kN/rrf.5基本设计规定5. 1 一般规定5.1.1本规程采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度帚管道结构的可靠度。除管道稳定验算外，均采用分项系数设计表达式进行设计。5.1.2钢管管道结构应按下列两种极限状态进行仪计：1承载能力极限状态：管道结构达到最大承载能力，管濮I大I材料强度被超过而破坏; 管道结构作为刚体火去平衡而上浮或滑移；管罹截而丧失稳定。2正常使用极限状态：管道的竖向变形超过正常使用的变形。5.1.3在确定结构分析模型时，钢管管道按柔性管计算，并按弹性体系计算内力，不考 虑非弹性变形引起的内力重分布O5.1.4土弧基础设计和施匸采用的土弧中心角度，应按下列规定确定：1应在结构计算采用的土弧中心角的基础上增加15。20 :2对素土平基敷设的管道，可按土狐中心角为20计算。5.1.5埋地钢管管道，当其敷设方向改变处的一侧或两侧没有柔性接头时，应对敷设方向改査处进行抗滑稳定验算，抗滑稳定性抗力系数K、不应小于1.5o5.1.6当采用重力式支墩或桩基抗滑时，应按相应规范的规定验算；当采用钢管管道与 土壤间的摩擦力抗滑时，所需要的管道长度应按本规程第6. 2.4条的规定进行验算。5.2承载能力极限状态计算规定5. 2.1钢管管道结构按承载能力极限状态进行强度计算时，结构上的各种作用均应采用 作用设计值。作用设计值应为作用分项系数与作用代表值的乘积。5.2.2钢管管道结构进行强度计算时，应满足下列要求：(5.2.2)ySWR式中 /（1管道结构重要性系敛，应根据现行国家标准给水排水工程管道结构没计规范GB 50332的规定釆用.对给水输水管道，当单线输水时取1.1. 双线输水和配水管道取10;污水管道取1.0；雨水管道取09；S一 用效应组合的设计值；R一一 管管道结构抗力设计值，应按第3. 2节的规定确定。5.2.3钢管管道进行强度计算时，作用效应的基本组介设计值应按下式确定：(5.2.3)S = /gCgiGm + YgC.Fj. + FgwCgwGhR + y GsC qAS + W cy Q (CsdFwd 上 + C Qnd mk + CF小)式中/C|钢管管道结构IT巫分项系数，取1.2,心、yGs竖向土床力、地某不均匀沉降分项系数，取1.27：管内水車分项系数，取1.2；5、c.、c分别为钢管管道结构IT重、竖向土床力及管内水重的效应系数;yq设计内水压力、地面车辆荷载、地面堆积荷载和温度作用的分项系数，取1.4；s、C“、C饷、Cq,、Cq,分别为设计内水压力、地而午辆荷载、地面堆积荷载、温度作用和地基不均匀沉降的效应系数；G“钢管管道结构H重标准值（kMm）：t管道单位长度上管顶竖向土床力标准值；第16页F管道的设计内水压力标准值；Gwk管道内水雨标准值：qyk地面车辆轮压产生的管顶处单位而积上竖向压力标准值：地而堆积荷载产生的竖向压力标准值；Flk温度作用标准值：$地妹不均匀沉降标准值：可变作用的组合系数，取0.9。5.2.4对管壁截面进行稳定验算时，各种作用均应采用标准值，并满足设计稳定性抗力 系数K“不低于20的要求。5.2.5对埋地在地下水水位以下的钢管道，应根据最高地下水水位和管道复土条件验算 抗浮稳定性。验算时各种作用应采用标准恒，并应满足抗浮稳定性抗力系数K/不低于1. 1 的要求。5. 2. 6按承载能力极限状态计算时，各种作用组合的匚况应按表5. 2. 6的观定來用。表5.2.6按承载能力极限状态计算的作用组合计算项目计算工况永久作用可变作用竖向 土压 力几客门 gg不均匀沉降乞设计内水压力地面车辆荷载地面堆积荷我q揪真空压力浮托力温度作用耳强度1VJjjJj计算2JJjjj抗浮验算1jj管壁1VJV稳定验算2J4V注：表中“标记的作用为相应工况应予计算的项目，“”标记的作用应按具体设计条件确定采用。5.3正常使用极限状态验算规定5.3.1钢管管道按正常使用极限状态验算时，乞种作用效应均应采用作用代表值计算。5.3.2钢管管道按1E常使用极限状态进行变形验算时，作用效应设计值可按下式计Sd = CgrF* + Cg/%(5. 3. 2)式中 你地而车辆荷载幺乂或地而堆积荷载让，应根据设计条件釆用其中较大者。5.3.3钢管管道在准永久组合作用下，最大竖向变形限值应按下列规定采用：1当内防腐为水泥砂浆时，最大竖向变形不超过002耳0.03D。；2当内防腐为延性良好的涂料时，最大竖向变形不应超过0.03Q0.04D。6承载能力极限状态计算6.1强度计算6.1,1钢管管道的强度计算，应满足下列耍求：g0f(6.1.1-1)(6.1.1-2)式中 J一一钢管管璧截面的最大环向应力(N/mrf):钢管管唯截而的故大组合折算应力(N/rnrf)；H应力折算系数，可取0.9； f钢管管材或焊缝的强度设计值，按第3.2.1条的规定采用。6.1.2钢管管壁截而的最大组介折算应力，应按下式计算:CT(6.1.2)第19页jjjF 土木工程第#页jjjF 土木工程式中6.1.3M = q式中6.1.4式中N 6M(6. 1.3-1)(6. 1.3-2)(6.1.3-1)6钢管管壁截面的纵向应力（N/rnrf） c钢管管唯截面的最大环向应力听应按下式确定:N = 0 皿。1 + 0.732 鱼（令 Ep厶b0管壁计算宽度（mn）；（P弯矩折减系数，取0.71.0； /。一一管壁计算厚度（価），取/0 = r-2；r0管的计算半径（価）；M在荷载组合作用下钢管管嘩截面上的最大坏向弯矩设计值（Nrnn）；N在荷载组A作用下钢管管壁截而上的最大环向轴力设计值（N）：Ed钢管管侧土的综介变形模暈（Nrmf）,当为单线敷设时可按附录B采用； 当为戏线敷设或与其他管线A槽施匸时，其取值应根据实际情况具体确定;Ep钢管管材弹性模显（N/imf）:、k祕分别为钢管管道结构H重、竖向土床力和管内水重作用下管壁截而的最大弯矩系数，可按附录A确定；0 管外壁氏径（価）o钢管管確的纵向应力应按下式计算：6 = up（ye y/cyQaEpT + 血（6.1.4）vp钢管管材泊松比；a钢管管材线膨胀系数：AT钢管管道的闭合温差；感地某不均匀沉降引起的纵向应力，可按弹性地棊上的长梁计算确定。6.2稳定验算6.2,1钢管管壁截面的稳定性验算，应满足下式耍求：4 WK皿+你）50砾石、碎石571020砂砾、砂夹石，细粒土含杲不大于12%35714同上，细粒含量大于12%13510粘性土或粉土（ coL 50%砂粒含最人J-25%13510粘性土或粉上（coL V50%砂粒含駁小J-25%137it： 1表中数值适用f10m以卜覆土：当覆土超过10m时，匕表数值偏低：2回填土的变形模量 可按要求的压实系数采用;表中的压实系数（%）指设计要求回填土压实后的密度与该土相同压实能届卜遲人丁密度的比值；3某槽两侧原状土的变形模E,t nf按标准贯入度试验锤击数确定;4 .为粘性土的液限；5细粒土指粒径小F 0.075rnn的土；6砂粒指粒径为0.0752.0rrm的土。表B.0.2-2计算参数1.52.02.53.04.05.00.13.062.041.631.401.171.050.22.501.831.521.341.151.040.41.801.351.351.241.111.030.61.431.291.211.151.071.020.81.181. 181.091.071.031. 011.01.001.001.001.001.001.001.50.730.780.820.860.930.982.00.570.G40.70.760.860.952.50.470.540.610.680.810.933.00.400.470.540.610.760.904.00.300.370.440.510.670.875.00.250.300.370.430.610.83第28页本规程用词说明一、为便丁在执行木规程条文时区别对待，对耍求严格程度不同的用词说明如下：1表示很严格，非这样做不可的：正面词采用“必须”;反而词采用“严禁”。2表示严格，在正常情况下均应这样做的：正面词釆用“应”:反面词采用“不应”或“不得”。3表示允许稍有选择，在条件许可时tr先应这样做的：正面词采用“宜”或“可”；反面词采用“不宜”。二、条文中指定应按其他有关标准执行时，写法为“应按执行“或”应符合 耍求（或规定）“。第29页