球墨铸铁管设计方法.docx
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球墨铸铁管设计方法
第一节球墨铸铁管设计方法
1范围
本国际标准规定了输送水、污水和其它流体的球墨铸铁管的设计方法：
——有/无内部压力；
——有/无地面和交通荷载。
2引用标准
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。
凡是注明日期的引用文件，仅仅被引用的版本适用于本标准。
凡是未注明日期的引用文件，其最新版本（包括任何修改单）适用于本标准。
ISO2531输水用球墨铸铁管、管件、附件及接头
ISO7186排水用球墨铸铁产品
ISO7268管子组件——公称压力的定义
ISO10802球墨铸铁管线安装后的液压试验
3术语和定义
下列ISO7268中给出的术语和定义适用于本标准。
3.1允许工作压力（PFA）
部件可长时间安全承受的最大内部压力，不包括冲击压。
3.2最大允许工作压力（PMA）
部件在使用中可安全承受的最大内压力，包括冲击压。
3.3允许现场试验压力（PEA）
新近安装在地面上或掩埋在地下的部件在短时间内可承受的最大流体静压力，此压力用以检测管线的完整和密封性。
注：
该试验压力与系统试验压力（STP）不同，但与管线的设计压力有关。
3.4埋置
埋设在管道周围的材料的布置及类型，对管道结构性能具有影响作用。
见图D.l。
3.5底层
埋置的下面部分，由下底层（必要时）和上底层构成。
见图D.l。
3.6底层反作用角
计算模式中使用的约定角，用于计算管道内底的实际土壤压力分布。
3.7压实
在安装过程中将土壤有意识的压实。
3.8标准葡氏密度
AASHTOT99定义的使用2.5kg夯锤和305mm锤落的土壤压实度。
4设计程序
4.1管壁厚度应具备足够的强度来抗衡流体的内部压力以及因回填和交通产生的外部荷载的影响。
符合ISO2531的输水用球墨铸铁管应按照允许工作压力进行分级。
符合ISO7186排水用球墨铸铁管可按有压管或重力管进行分类。
使用第5章节和第6章节给出的公式，可以通过以下两种方式设计埋设的管道：
a）由允许工作压力（PFA）计算最小壁厚；
b）根据附录B和附录C给出覆土层的深度。
4.2管子的设计程序如下所示：
a）由允许工作压力挑选出符合ISO2531或ISO7186的合适的级别管【管的最小壁厚由公式
（1）得出】；
b）按照章节6中的公式计算允许覆土层的深度；
c）若允许覆土层的高度不够，应选择更高压力级别的管，重复4.2a）和b），直到覆土高度可以接受。
注1：
实际上，在多数情况下，管子的压力等级和允许覆土深度可根据附录B或C中的表选择得出，不用按照上文提到的步骤进行详细的计算。
注2：
由于恒定的材料性能，横截面的稳定性以及较高的设计安全系数，球墨铸铁管、管件、附件和接口在依照设计进行安装时应在整个施工过程中保持其功能特性。
注3：
某些国家的国家标准或法规可以规定其它的设计方法。
5内部压力的设计
5.l壁厚设计公式
管的最小壁厚emin不应小于3.0mm（符合ISO2531的规定）或2.4mm（ISO7186的规定），通过公式
（1）计算：
（1）
其中：
emin为抗内压产生的环向应力的管的最小壁厚，mm；
PFA为允许工作压力，巴（见5.2）；
SF为设计安全系数（见5.2）；
DE为管的公称外径，mm（见附录A）；
Rm为球墨铸铁的最小抗拉强度，MPa（ISO2531和ISO7186中规定Rm=420MPa）；
公称壁厚，enom，由公式2计算得出：
enom=emin+（1,3+0,001DN）
（2）
式中：
DN是ISO2531和ISO7186规定的管的公称壁厚，单位:
mm。
表A.1中给出了符合ISO2531的各种级别的管的公称壁厚，表A.2给出了符合ISO7186的压力管和自流管级别的公称壁厚。
5.2设计安全系数
对于最大允许工作压力的管的最小壁厚emin，用设计安全系数2.5进行计算（即ISO2531和ISO7186规定的PMA）；对于允许工作压力的管的最小壁厚emin，用设计安全系数3进行计算（即ISO2531和ISO7186规定的PFA）。
注：
在试验压力达到ISO2531和ISO7186规定的允许试验压力时，允许按照ISO10802标准进行球墨铸铁管线的现场试验。
6外部荷载的设计
6.1设计公式
（3）
或
q=∆（8S+0,061E'）/（Kx+100）
式中：
Δ——管的径向偏移，用外径D的百分数表示，D%；
KX——偏移系数，取决于底层反作用角；
q——因外部所有的荷载造成的管顶上的垂直压力，MPa；
S——管的径向刚度，MPa；
S=EI/D3
式中：
E——管壁材料的弹性模量，MPa（球墨铸铁为170000MPa）；
I——=（estiff3/12）是单位长度管壁面积的二次矩，mm3；
D——管的平均直径（DE-estiff）,mm；
DE——ISO2531和ISO7186规定的管的公称外径，mm；
estiff——管的最小壁厚和公称壁厚的平均值，mm；
E＇——土壤反作用模量，MPa。
管材料刚度值，S，可从ISO2531和ISO7186的相关附录中得知。
表1中给出了每种管沟类型和土壤类别的E＇和KX值。
注：
本设计公式是基于Spangler模型（见图1），其中向下作用的垂直压力q：
——在管道顶部沿着直径范围是均匀分布的；
——同管道内底向上作用的压力相等，均匀地分布在底层反作用角2α范围；
——产生一个管道偏移，使管道侧面受到一个横向的反作用压力，在100°角范围内为抛物线分布。
图中：
1——垂直压力q；
2——横向反作用压力=
；
3——垂直反作用压力=
。
图1Spang1cr模型
6.2施于管道上的荷载及允许覆土深度的计算
6.2.1概述
作用在管道顶部的总垂直压力q为两个压力之和：
q=q1+q2（4）
式中:
q1——土壤荷载压力；
q2—一交通荷载压力。
注：
交通荷载的压力q2要大于加在地面上的普通静荷载的压力；同样对于任何不正常的地面荷载需要进行特别考虑。
公式（4）中的q与H（允许覆土深度）的关系为：
q=f'（H）
（5）
由公式（3）（见6.1）可推导出：
f'（H）=∆⨯（8S+0,061E'）
（Kx）⨯（100）（6）
允许的覆土层的深度H，在根据6.2.2和6.2.3中的公式计算出q的值以及其他参数之后才能得出。
6.2.2地面荷载的压力
下式用于计算管道上方棱柱形土壤的重量q1：
q1＝0.001γH（7）
式中：
q1——管道顶部的压力，MPa；
γ——回填层的单位重量，KN／m3；
H——覆盖土层的深度（从管道顶部到地面的距离），m。
在没有其它数据的情况下，土壤的单位重量，对于绝大多数情形应取为20KN/m3。
不过，若最初勘测确定的实际单位重量不到20KN/m3，也可以使用实际值来确定q1。
但如果实际测量数据超过20KN/m3，应以实际值确定q1。
6.2.3交通荷载的压力
q2的值应按照公式（8）来计算，根据国家和/或地方适用的标准和法规规定的车轮荷载。
（8）
式中：
q2——管道顶部的压力，MPa；
β——交通荷载系数；取值如下：
——1.5：
这是一般情况，出入道路除外;
——0.75：
禁止车辆行驶的道路；
——0.50：
所有其它的情形。
H——覆盖土层的深度，m；
DN——公称尺寸。
注1：
当H＜0.3m时，本公式不适用。
在国家标准对交通荷载有规定的情况下，β值的计算公式如下：
β=P/100（9）
式中：
P是车轮荷载，单位：
KN，是一种根据各自国家标准制订的特殊荷载类型。
所有管线的设计至少是β＝0.5，而靠近道路铺设的管线在设计上应能承受道路的满荷载。
注2：
对于埋设在铁路或机场地下或承受工地上繁忙交通荷载的管线，应按各自国家标准和规定增加特殊要求。
6.3土壤与管道的相互作用
底层反作用角取决于安装条件（底层、侧面填土压实）以及管道的径向偏移（特别是大口径管道）。
侧面填土层的土壤反作用Eˊ的模量取决于埋填用的土壤类型和管沟类型（见附录D）。
在缺少适用标准或其它数据时，在设计阶段，对五种典型的管沟类型和六种土壤类型使用表1给出的Eˊ值（见土壤分类的附录E）。
对于埋设在路堤和管沟内的管道同样有效。
进行初步工程勘测以辨识土壤的类别和选择适当的E＇值。
表l的Eˊ值适用于管沟支撑留在原位，或取出后以便使侧面填土层压实在原来的管壁上;否则使用较小的Eˊ值。
当地面条件较差时，有必要使用保持土壤加固的铺垫，以防止埋填移动，造成土壤反作用模量的减小。
6.4允许的管道径向偏移
ISO2531和ISO7186的相关附录中给出了允许的管道径向偏移Δmax。
这些值为抵抗管壁的弯曲，内衬变形，接口渗漏以及管道的耐液压能力提供了足够的安全性。
尽管如此，国家标准和／或工厂的产品标准可制定更加严格的规定，例如对于水泥砂浆内衬，这个值为3％。
对于每个DN，允许的管道径向偏移Δmax是以下两个极限值中最低的：
a）Δ1，提供安全系数2、防止造成内衬无法挽回的损坏：
——对于水泥砂浆内衬（DN≥DN300）：
△1＝3+（DN-300）/500，最大4％；
——对于饶性内衬：
△1＝5%；
b）Δ2，提供安全系数l.5，保证球墨铸铁管壁抗弯强度
Δ2＝100×Rf×（DE-enom）/SF×E×enom×DF
其中：
Rf——管壁材料的弯曲强度（Rf＝500MPa，球墨铸铁）；
D——ISO2531和ISO7186规定的管道外径，mm；
enom—一管的公称壁厚，mm；
SF——安全系数（=l.5）；
E——管壁材料的弹性模量（E＝170000Mpa，球墨铸铁）；
DF——主要取决于管道径向韧性的变形系数（球墨铸铁管道的DF＝3.5）。
附录A
（资料性）
首选压力等级和其他压力等级的尺寸
A.1符合ISO2531的首选压力等级和其他压力等级的尺寸
根据带饶性接头的管道允许工作压力（PFA单位：
巴）将的管道尺寸分为首选压力等级和其他压力等级，数字前加字母C，即：
本附录中给出的C20，C25，C30，C40，C64和C100。
表中的数据是根据公式
（1）和章节5计算得出的，并符合ISO2531标准。
表A.1——符合iso2531管的首选压力等级和其他压力等级的尺寸
DN/mm
DEa/mm
公称壁厚enom/mmb
C20
C25
C30
C40
C50
C64
C100
40
56
4.4c
4.4
4.4
4.4
50
66
4.4c
4.4
4.4
4.4
60
77
4.4c
4.4
4.4
4.4
65
82
4.4c
4.4
4.4
4.4
80
98
4.4c
4.4
4.4
4.8
100
118
4.4c
4.4
4.4
5.5
125
144
4.5c
4.5
4.8
6.5
150
170
4.5c
4.5
5.3
7.4
200
222
4.7c
5.4
6.5
9.2
250
274
5.5c
6.4
7.8
11.1
300
326
5.1
6.2c
7.4
8.9
12.9
350
378
5.1
6.3cd
7.1
8.4
10.2
14.8
400
429
5.5
6.5cd
7.8
9.3
11.3
16.5
450
480
6.1
6.9c
8.6
10.3
12.6
18.4
500
532
6.5
7.5c
9.3
11.2
13.7
20.2
600
635
7.6
8.7c
10.9
13.1
16.1
23.8
700
738
7.3
8.8cd
9.9
12.4
15.0
18.5
27.5
800
842
8.1
9.6c
11.1
14.0
16.9
21.0
900
945
8.9
10.6c
12.3
15.5
18.8
23.4
1000
1048
9.8
11.6c
13.4
17.1
20.7
1100
1152
10.6
12.6c
14.7
18.7
22.7
1200
1255
11.4
13.6c
15.8
20.2
1400
1462
13.1
15.7c
18.2
1500
1565
13.9
16.7c
19.4
1600
1668
14.8
17.7c
20.6
1800
1875
16.4
19.7c
23.0
2000
2082
18.1
21.8c
25.4
2200
2288
19.8
23.8c
2400
2495
21.4
25.8c
2600
2702
23.1
27.9c
a公差＋1mm。
b有焊环的管见ISO10804。
c首选等级。
d对于首选等级，厚度略大于计算值，在C40和C30之间及C30和C25之间平滑过渡。
A.2符合ISO7186的压力管和自流污水管的尺寸
表A.2——符合ISO7186的有压污水管和重力污水管的尺寸
DN/mm
DEa/mm
公称壁厚，enom/mm
压力管：
符合ISO2531的首选压力等级
压力管
自流管
80
98
4.4
3.4
C40
100
118
4.4
3.4
C40
125
144
4.5
3.4
C40
150
170
4.5
3.4
C40
200
222
4.7
3.4
C40
250
274
4.9
4.1
C30
300
326
5.1
4.8
C30
350
378
5.7b
5.5
C30
400
429
6.3b
C30
450
480
6.4
C25
500
532
6.5
C25
600
635
7.5
C25
700
738
8.5b
C25
800
842
9.6
C25
900
945
10.6
C25
1000
1048
11.6
C25
1100
1152
12.6
C25
1200
1255
13.6
C25
1400
1462
15.7
C25
1500
1565
16.7
C25
1600
1668
17.7
C25
1800
1875
19.7
C25
2000
2082
21.8
C25
2200
2288
23.8
C25
2400
2495
25.8
C25
2600
2702
27.9
C25
a公差＋1mm。
b对于首选等级，厚度略大于计算值，在C40和C30之间及C30和C25之间平滑过渡。
附录B
（资料性）
符合ISO2531的覆土层允许深度
B.1概述
表B.1～B.14给出覆土层的允许深度，由章节6的公式和数据计算出，并假定了β的三个不同值，六种土壤类型和五种不同的管沟类型。
注：
对E和F类型土壤采用0Eˊ值；这种极限情况下可能出现在土壤的承载能力很差和／或土壤很粘、未压实的状况。
B.2符合ISO2531标准的压力等级管道的允许覆土层深度
见表B.1至B.14：
a）最小允许覆土深度为1米。
对于覆土深度不足1米的，有必要进一步考虑；
b）NR表示“不被推荐的”。
表B.1——符合ISO2531标准的水泥砂浆内衬C20管道的允许覆土层深度
DN
土壤类型
允许覆土深度
m（β=0.5/0.75/1.5）
1类管沟
2类管沟
3类管沟
4类管沟
5类管沟
700
A
5,4/5,3/5,1
5,5/5,6/5,2
6,9/6,8/6,6
9,8/9,8/9,6
15,2/15,2/15,1
B
3,7/3,6/3,1
3,8/3,7/3,3
5,2/5,1/4,8
7,4/7,3/7,1
11,1/11,0/10,9
C
1,9/1,5/NR
2,6/2,4/NR
3,4/3,2/2,6
4,9/4,8/4,5
8,3/8,3/8,1
D
NR
2,0/1,6/NR
2,7/2,5/NR
4,2/4,1/3,8
6,3/6,2/6,0
E/F
NR
NR
NR
NR
NR
800
A
5,6/5,6/5,3
5,8/5,7/5,5
7,2/7,1/7,0
10,2/10,2/10,1
15,9/15,9/15,8
B
3,9/3,8/3,3
4,0/3,9/3,5
5,4/5,3/5,0
7,7/7,6/7,4
11,6/11,5/11,4
C
2,0/1,6/NR
2,7/2,5/NR
3,5/3,4/2,8
5,1/5,0/4,7
8,7/8,6/8,5
D
NR
2,1/1,7/NR
2,8/2,7/NR
4,4/4,3/4,0
6,5/6,4/6,2
E/F
NR
NR
NR
NR
NR
900
A
5,6/5,5/5,3
5,7/5,7/5,4
7,1/7,1/6,9
10,2/10,1/10,0
15,8/15,8/15,7
B
3,8/3,7/3,3
3,9/3,8/3,4
5,3/5,2/5,0
7,6/7,6/7,4
11,5/11,5/11,4
C
1,9/1,5/NR
2,7/2,5/NR
3,4/3,3/2,8
5,0/4,9/4,6
8,6/8,6/8,4
D
NR
2,1/1,7/NR
2,8/2,6/NR
4,3/4,2/3,9
6,4/6,4/6,2
E/F
NR
NR
NR
NR
NR
表B.1（续）
DN
土壤类型
允许覆土深度
m（β=0.5/0.75/1.5）
1类管沟
2类管沟
3类管沟
4类管沟
5类管沟
1000
A
5,6/5,5/5,3
5,8/5,7/5,5
7,1/7,1/6,9
10,2/10,1/10,0
15,8/15,8/15,7
B
3,8/3,7/3,3
3,9/3,8/3,5
5,3/5,2/5,0
7,6/7,6/7,4
11,5/11,5/11,4
C
1,9/1,6/NR
2,7/2,5/NR
3,4/3,3/2,8
5,0/4,9/4,7
8,6/8,6/8,4
D
NR
2,0/1,7/NR
2,8/2,6/NR
4,4/4,3/3,9
6,4/6,4/6,2
E/F
NR
NR
NR
NR
NR
（β=0.5/0.75/1.5）
1100
A
5,5/5,5/5,2
5,7/5,6/5,4
7,1/7,1/6,9
10,1/10,1/10,0
15,8/15,8/15,7
B
3,8/3,7/3,3
3,9/3,8/3,4
5,3/5,2/5,0
7,6/7,5/7,4
11,5/11,4/11,3
C
1,9/1,5/NR
2,7/2,5/NR
3,4/3,3/2,8
5,0/4,9/4,6
8,6/8,5/8,4
D
NR
2,0/1,7/NR
2,7/2,6/NR
4,3/4,2/3,9
6,4/6,3/6,1
E/F
NR
NR
NR
NR
NR
1200
A
5,5/5,4/5,2
5,7/5,6/5,4
7,1/7,0/6,9
10,1/10,1/9,9
15,8/15,7/15,7
B
3,8/3,6/3,3
3,9/3,8/3,4
5,2/5,2/4,9
7,5/7,5/7,3
11,4/11,4/11,3
C
1,9/1,5/NR
2,6/2,4/NR
3,4/3,2/2,8
4,9/4,9/4,6
8,5/8,5/8,3
D
NR
1,9/1,6/NR
2,7/2,6/NR
4,3/4,2/3,9
6,3/6,3/6,1
E/F
NR
NR
NR
NR
NR
1400
A
5,5/5,4/5,2
5,7/5,6/5,4
7,1/7,0/6,8
10,1/10,0/9,9
15,7/15,7/15,6
B
3,7/3,6/3,3
3,9/3,8/3,4
5,2/5,2/4,9
7,5/7,5/7,3
11,4/11,4/11,3
C
1,9/1,5/NR
2,6/2,5/NR
3,4/3,2/2,8
4,9/4,8/4,6
8,5/8,5/8,3
D
NR
1,9/1,7/NR
2,7/2,6/1,7
4,3/4,2/3,9
6,3/6,3/6,1
E/F
NR
NR
NR
NR
NR
1500
A
5,5/5,4/5,2
5,7/5,6/5,4
7,0/7,0/6,8
10,1/10,0/9,9
15,7/15,7/15,6
B
3,7/3,6/3,3
3,8/3,8/3,4
5,2/5,1/4,9
7,5/7,4/7,3
11,4/11,3/11,3
C
1,8/1,5/NR
2,6/2,4/NR
3,3/3,2/2,8
4,9/4,8/4,6
8,5/8,4/8,3
D
NR
1,9/1,7/NR
2,7/2,5/1,8
4,2/4,2/3,9
6,3/6,2/6,1
E/F
NR
NR
NR
NR
NR
1600
A
5,5/5,4/5,2
5,7/5,6/5,4
7,1/7,0/6,8
10,1/10,0/9,9
15,7/15,7/15,6
B
3,7/3,6/3,3
3,9/3,8/3,4
5,2/5,2/4,9
7,5/7,5/7,3
11,4/11,4/11,3
C
1,9/1,6/NR
2,6/2,5/1,6
3,4/3,2/2,8
4,9/4,8/4,6
8,5/8,5/8,3
D
1,0/NR/NR
1,9/1,7/NR
2,7/2,6/1,9
4,3/4,2/3,9
6,3/6,3/6,1
E/F
NR
NR
NR
NR
NR
表B.1（续）
DN
土壤类型
允许覆土层深度
m
（β=0,5/0,75/1,5
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