（高清版）GBT 43311-2023 球墨铸铁管设计方法

GB/T43311—2023球墨铸铁管设计方法Designmethodforductileironpipes2023-11-27发布2024-06-01实施国家标准化管理委员会IGB/T43311—2023本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件修改采用ISO10803:2011《球墨铸铁管设计方法》。本文件与ISO10803:2011相比，在结构上有较多调整。两个文件之间的结构编号变化对照一览表见附录A。本文件与ISO10803:2011相比，存在较多技术差异，在所涉及的条款的外侧页边空白位置用垂直单线(1)进行了标示。这些技术差异及其原因一览表见附录B。本文件做了下列编辑性改动：——增加了部分术语和定义中的注释；——将基本规定中球墨铸铁管依据压力和壁厚分级、管壁厚度、球墨铸铁管的设计进行分条描述；——将压力分级管的允许工作压力、最小壁厚、公称——将管土共同作用进行分条描述；——删除了现场水压试验的注释；——删除了符合ISO2531和ISO7186的管的首选压力等级、其他压力等级和允许覆土深度；——增加了附录C(资料性)热力用球墨铸铁管的设计指南。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国钢铁工业协会提出。本文件由全国钢标准化技术委员会(SAC/TC183)归口。工业信息标准研究院、永通球墨铸铁管有限责任公司、沈阳亚特重型装备制造有限公司、山西泫氏实业集团有限公司、安徽欧泰祺智慧水务科技有限公司、本溪北台铸管股份有限公司、中国长江三峡集团有限公司。1球墨铸铁管设计方法1范围本文件规定了符合GB/T13295和GB/T26081的球墨铸铁管设计方法，包括基本规定、按内部压力设计和按外部荷载设计。本文件适用范围如下：——有压、无压或负压条件(或工况)下运行；2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T13295水及燃气用球墨铸铁管、管件和附件(GB/T13295—2019,ISO2531:2009,MOD)GB/T26081排水工程用球墨铸铁管、管件和附件(GB/T26081—2022,ISO7186:2011,MOD)3术语和定义GB/T13295和GB/T26081界定的以及下列术语和定义适用于本文件。允许工作压力allowableoperatingpressure部件可长时间安全承受的最大内部压力，不包括冲击压。注：该压力为在理想状态下且PMA=1.2PFA时的理论计算值。最大允许工作压力maximumallowableoperatingpressurePMA部件在使用中可安全承受的，包括冲击压在内的最大内部压力。管顶以上500mm范围内的回填土层，见图1。2GB/T43311—2023管道两侧的间填土层，其采用的回填材料和压实度决定了回填土反作用模量上’的大小，见图1。角层和管底基础层构成。管下腋角upperbedding土弧基础的上半部分，在设计要求的基础中心角范围内形成的弧形支撑，其范围、压实度决定了基础中心角的大小，见图1。管底基础lowerbedding土弧基础的下半部分，在地基上用回填材料均匀铺设的用以敷设管道的持力层，见图1。覆土深度depthofcover;covereddepth埋地管道外顶至地表面的垂直距离，见图1。3GB/T43311—2023基础中心角beddingreactionangle管道底部与基础接触的管下腋角圆弧对应的管截面圆心角，用2a表示。注：在此范围内作用有土弧基础的支承反力，管道结构的支承强度与基础中心角大小成正比。管侧回填土抵抗变形能力的量度。压实度standardProctordensity回填土经压实而达到的实际干密度与依据GB/T50123测定的最大干密度的比值，也称压实系数。除设计要求用重型击实标准外，其他皆以轻型击实标准试验获得的最大干密度为100%。4基本规定4.1球墨铸铁管一般按允许工作压力或壁厚进行分级，且应符合GB/T13295或GB/T26081的要求。注：压力分级管也称为C级管，壁厚分级管也称为K级管。4.2球墨铸铁管的管壁应具备足够的强度来承受内水压力以及回填土荷载、交通荷载等外部荷载的作用。4.3球墨铸铁管的设计应包含内部压力设计和允许覆土深度计算，设计计算方法见第5章和第6章，附录C给出了热力用球墨铸铁管的设计指南。注：允许覆土深度是指管道所能承受的最大覆土深度。4.4球墨铸铁管的设计步骤如下所示：a)初选出满足管道工作压力要求的压力分级管或壁厚分级管，其允许工作压力PFA不应低于管道工作压力；b)根据步骤a)初选出的管的公称壁厚em和最小壁厚emin,按照第6章的公式计算允许覆土深度；c)若步骤b)计算的允许覆土深度不满足工程设计要求，应选择更高级别的管，重复步骤a)和步骤b),直到允许覆土深度满足工程设计要求。注：由于优异的材料性能、良好的管截面径向稳定性和较高的设计安全系数，球墨铸铁管、管件和附件及其接口在依照设计条件安装、运行时，能够在整个管道运行寿命期间保持所有的结构功能特性。5按内部压力设计5.1压力分级管5.1.1表1给出了压力分级管的允许工作压力PFA。表1压力分级管的允许工作压力PFA压力级别C20C25C30C40C50C64C100PFA/MPa4.05.1.2压力分级管的壁厚见GB/T13295或GB/T26081,压力分级管的最小壁厚emin不应小于43.0mm,并应按式(1)计算：emin=(PFA×SF×DE)/(2×R+PFA×SF)……(1)式中：PFA——允许工作压力，单位为兆帕(MPa),见3.1;SF——安全系数，见5.3;DE——管的公称外径(即插口外径),单位为毫米(mm),见GB/T13295或GB/T26081;R——球墨铸铁的最小抗拉强度，单位为兆帕(MPa),一般取420MPa。5.1.3压力分级管的公称壁厚enm应按式(2)计算得出。eom=emin+(1.3+0.001D) (2)式中：DN——GB/T13295和GB/T26081规定的管的公称直径，单位为毫米(mm)。5.2壁厚分级5.2.1壁厚分级管的公称壁厚e不应小于6.0mm,并应按式(3)计算得出：K璧厚级别系数可取8.10、双2;1DNFGB/T13295和GBT26081规色的管的公称直径(位为毫来(mm)。5.2.2璧厚分级管的最小壁厚应按式资算得出：5.2.3盛厚分级管的允许工作庄方RFA)应按式(5)计算得出PPAE2XRD×S……………(5)式中：D管的平均重径(见6.3,0,单位为毫采(nm):SF——安全系数，见5.3。5.2.4表2给出了常用壁厚分级管的允许工作压力，常见壁厚分级管的壁厚见GE/T13295。表2壁厚分级管的允许工作压力DPAK9管K10管5GB/T43311—2023表2壁厚分级管的允许工作压力PFA(续)DNK9管MPaMPa4504.04.64.34.05.3设计安全系数管道壁厚与允许压力设计时选用的安全系数应符合以下要求：——对于最大允许工作压力设计(即GB/T13295和GB/T26081中的PMA),安全系数SF应取——对于允许工作压力设计(即GB/T13295和GB/T26081中的PFA),安全系数SF应取3。6按外部荷载设计6.1设计要求在受到外部荷载作用时，管的径向变形应满足式(6)的要求：△≤△mx 式中：6GB/T43311—20236.2管的最大允许径向变形率Am管的最大允许径向变形率△应按照式(7)计算，对于水泥砂浆内衬管，△m不应大于3%;对于有机内衬(如环氧陶瓷内衬、聚氨酯内衬等)或无内衬管，△不应大于4%。△m=100×R;×(DE-em)/(SF₁×E×em×DF) (7)R:——材料的环向弯曲强度，单位为兆帕(MPa),取500MPa;SF₁——安全系数，取1.5;E——弹性模量，单位为兆帕(MPa),取170000MPa;6.3管的径向变形率△6.3.1管的径向变形率应按式(8)计算： (8)Kx——变形系数，取决于基础中心角，见表3;q——外部荷载造成的管顶单位面积上竖向压力，单位为兆帕(MPa),见6.4.1.1;S——管的径向刚度，单位为兆帕(MPa),见6.3.2;E'——回填土反作用模量，单位为兆帕(MPa),见6.5。——在管道顶部沿着直径范围内呈现均匀分布；——与均匀分布在基础中心角2a范围内的垂直向上作用反力相等；——使得管道两侧产生变形，从而形成在100°范围内呈抛物线分布的横向反作用压力。6.3.2管的径向刚度S按式(9)计算，也可从GB/T13295和GB/T26081的相关附录中选取：S=1000×E×I/D³…(97GB/T43311—2023式中：I——管壁纵向截面单位长度的截面惯性矩(见6.3.3),单位为立方毫米(mm³);D——管的平均直径(见6.3.4),单位为毫米(mm)。6.3.3管壁纵向截面单位长度的截面惯性矩I按式(10)计算：I=e²/12 (10)式中：6.3.4管的平均直径D由式(11)计算得出：D=DE—esi………………6.3.5不同管沟类型和土壤类型所对应的变形系数Kx和管侧土的回填土反作用模量E'见表3。6.4管所受外部荷载及允许覆土深度计算6.4.1一般要求6.4.1.1外部荷载造成的管顶单位面积上竖向压力q应按式(12)计算：q=q₁+q₂…………(12)式中：q₂——单位面积上交通荷载压力，单位为兆帕(MPa)。6.4.1.2允许覆土深度应通过式(6)～式(15)计算得出。6.4.2单位面积上土体荷载压力6.4.2.1单位面积上土体荷载压力q₁应按式(13)计算：q₁=0.001×y×H…………(13)式中：q₁——单位面积上土体荷载压力，单位为兆帕(MPa);γ——土体重度，单位为千牛每立方米(kN/m³);6.4.2.2当缺乏实测数据时，土体重度γ宜取20kN/m²。如果经实际勘测后回填土的土体重度γ小于20kN/m³,也可按实测值选用。如果实测值大于20kN/m²,应按实测值选用。6.4.3单位面积上交通荷载压力6.4.3.1当覆土深度不小于0.3m时，单位面积上交通荷载压力q₂应按式(14)计算：q₂=0.04×β×(1-2×10-^DN)/H…………(14)式中：qz——单位面积上交通荷载压力，单位为兆帕(MPa);β——交通荷载系数(见6.4.3.2)。6.4.3.2交通荷载系数β应符合下列规定。β=P'/100 (15)式中：P'—-车辆单轴荷载，单位为千牛(kN)。b)对于铺设在禁止车辆行驶的道路下，β取0.75。86.4.3.4地面堆积物荷载大于交通荷载时，单位面积上交通荷载压力q₂应按地面堆积物荷载取值，不应小于10kN/m²。6.5管土共同作用6.5.1基础中心角取决于施工情况(铺设垫层、管侧回填区的压实度)和管的径向变形(尤其对于DN1000及以上的管道)。6.5.2管侧回填区的回填土反作用模量E'的值取决于土壤类型和管侧回填区的管沟类型。表3给出了五种典型的管沟类型和六种土壤类型(土壤分类见附录D)下对应的E'值，E'值的选取应符合以下要求：a)应进行初步的岩土工程勘察以便于确定土壤分类和选择合适的E'值；b)当在设计阶段缺乏可适用的标准或其他数据时，可参照表3中的值；c)当铺设管道时，管沟采取了支撑结构进行支护，如果回填完成后支撑结构保留在原地，或者支撑结构移除时能确保管侧回填区的土壤始终压实在管沟壁的原状土上，可选用表3中的值；否则应选择较小的E'值。6.5.3当管沟底部存在土壤液化或流沙等不良情况时，应进行地基处理，以稳定管周回填土，避免回填土反作用模量E'的降低。6.5.4表3中五种典型的管沟类型如下：a)管沟类型1:虚填；b)管沟类型2:管周回填区进行很轻的压实，压实度大于75%;c)管沟类型3:管周回填区进行轻度压实，压实度大于80%;d)管沟类型4:管周回填区进行中度压实，压实度大于85%;e)管沟类型5:管周回填区进行重度压实，压实度大于90%。注：当管沟底部可以为管道提供合适均匀的支撑时，管道通常是直接铺设在平底管沟上，否则会铺设一层疏松土壤作为管底基础。表3回填土反作用模量E'管沟类型12345回填方式虚填很轻压实轻度压实中度压实高度压实大于75大于85基础中心角/(°)EA类土壤类型B类土壤类型C类土壤类型D类土壤类型E类土壤类型F类土壤类型41bb41b652bb7753bh75bb·当把土壤直接倒入管沟内时，根据不同类型的土壤类型及其含水率，压实度一般能达到70%～80%。除非能确保能达到更高的值，否则E'应取0。9(资料性)本文件与ISO10803:2011结构编号对照情况表A.1给出了本文件与ISO10803:2011结构编号对照一览表。表A.1本文件与ISO10803:2011结构编号对照情况本文件结构编号ISO10803:2011结构编号112233、附录D第一段4.44.251、5.12、5.1.31.5.1、6.5.2,6.54附录D第二段—附录C附录B附录E附录A、附录B、附录C(资料性)本文件与ISO10803:2011技术差异及其原因本文件结构编号技术差异原因1删除了“……输送给水、污水和其他流体……”,修改为“……符合GB/T13295和GB/T26081……”;适应我国球墨铸铁管市场需求及行业现状。目前，随着行业技术的快速发展，球墨铸铁管除传统的供排水工程外，还可用于燃气、供热等其他领域。3将“ISO7268界定的术语和定义适用于本文件”修改为“GB/T13295和GB/T26081界定的以及下列术语和定义适用于本文件”;管底基础、基础中心角、压实度”,增加了术语“上部回填层、管侧回填土、覆土深度、回填土反作用模量”适应我国球墨铸铁管市场需求及行业现状4.1增加了壁厚分级管的表述；用规范性引用的GB/T13295替换了ISO2531,用规范性引用的GB/T26081替换了ISO7186满足GB/T13295中壁厚分级管设计需要；适应我国技术条件，增加可操作性增加了压力分级管的允许工作压力数值方便标准使用和理解统一了最小壁厚为3.0mm与我国球墨铸铁管标准体系相适应增加壁厚分级管的内部压力设计内容满足GB/T13295中壁厚分级管设计需要明确了径向变形的要求方便标准使用和理解加严了最大允许径向变形率的要求符合我国相关工程建设标准的要求(资料性)热力用球墨铸铁管的设计指南C.1概述C.1.1当热力用球墨铸铁管的承插式柔性接口可以消纳温度变化引起的管道热伸长时，设计时仅考虑内压和持续外载产生的一次应力，不必考虑热胀，诊缩等变形受约束而产生的二次应力。C.2设计参数表C.1给出了球墨铸铁树料的设计参数。表C.1球墨铸铁材料的设计参数温度℃为