GB∕T 43311-2023 球墨鑄鐵管設(shè)計方法（正式版）

GB/T43311—2023球墨鑄鐵管設(shè)計方法Designmethodforductileironpipes2023-11-27發(fā)布2024-06-01實施國家標準化管理委員會IGB/T43311—2023本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件修改采用ISO10803:2011《球墨鑄鐵管設(shè)計方法》。本文件與ISO10803:2011相比，在結(jié)構(gòu)上有較多調(diào)整。兩個文件之間的結(jié)構(gòu)編號變化對照一覽表見附錄A。本文件與ISO10803:2011相比，存在較多技術(shù)差異，在所涉及的條款的外側(cè)頁邊空白位置用垂直單線(1)進行了標示。這些技術(shù)差異及其原因一覽表見附錄B。本文件做了下列編輯性改動：——增加了部分術(shù)語和定義中的注釋；——將基本規(guī)定中球墨鑄鐵管依據(jù)壓力和壁厚分級、管壁厚度、球墨鑄鐵管的設(shè)計進行分條描述；——將壓力分級管的允許工作壓力、最小壁厚、公稱——將管土共同作用進行分條描述；——刪除了現(xiàn)場水壓試驗的注釋；——刪除了符合ISO2531和ISO7186的管的首選壓力等級、其他壓力等級和允許覆土深度；——增加了附錄C(資料性)熱力用球墨鑄鐵管的設(shè)計指南。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔識別專利的責任。本文件由中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會提出。本文件由全國鋼標準化技術(shù)委員會(SAC/TC183)歸口。工業(yè)信息標準研究院、永通球墨鑄鐵管有限責任公司、沈陽亞特重型裝備制造有限公司、山西泫氏實業(yè)集團有限公司、安徽歐泰祺智慧水務(wù)科技有限公司、本溪北臺鑄管股份有限公司、中國長江三峽集團有限公司。1球墨鑄鐵管設(shè)計方法1范圍本文件規(guī)定了符合GB/T13295和GB/T26081的球墨鑄鐵管設(shè)計方法，包括基本規(guī)定、按內(nèi)部壓力設(shè)計和按外部荷載設(shè)計。本文件適用范圍如下：——有壓、無壓或負壓條件(或工況)下運行；2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T13295水及燃氣用球墨鑄鐵管、管件和附件(GB/T13295—2019,ISO2531:2009,MOD)GB/T26081排水工程用球墨鑄鐵管、管件和附件(GB/T26081—2022,ISO7186:2011,MOD)3術(shù)語和定義GB/T13295和GB/T26081界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。允許工作壓力allowableoperatingpressure部件可長時間安全承受的最大內(nèi)部壓力，不包括沖擊壓。注：該壓力為在理想狀態(tài)下且PMA=1.2PFA時的理論計算值。最大允許工作壓力maximumallowableoperatingpressurePMA部件在使用中可安全承受的，包括沖擊壓在內(nèi)的最大內(nèi)部壓力。管頂以上500mm范圍內(nèi)的回填土層，見圖1。2GB/T43311—2023管道兩側(cè)的間填土層，其采用的回填材料和壓實度決定了回填土反作用模量上’的大小，見圖1。角層和管底基礎(chǔ)層構(gòu)成。管下腋角upperbedding土弧基礎(chǔ)的上半部分，在設(shè)計要求的基礎(chǔ)中心角范圍內(nèi)形成的弧形支撐，其范圍、壓實度決定了基礎(chǔ)中心角的大小，見圖1。管底基礎(chǔ)lowerbedding土弧基礎(chǔ)的下半部分，在地基上用回填材料均勻鋪設(shè)的用以敷設(shè)管道的持力層，見圖1。覆土深度depthofcover;covereddepth埋地管道外頂至地表面的垂直距離，見圖1。3GB/T43311—2023基礎(chǔ)中心角beddingreactionangle管道底部與基礎(chǔ)接觸的管下腋角圓弧對應(yīng)的管截面圓心角，用2a表示。注：在此范圍內(nèi)作用有土弧基礎(chǔ)的支承反力，管道結(jié)構(gòu)的支承強度與基礎(chǔ)中心角大小成正比。管側(cè)回填土抵抗變形能力的量度。壓實度standardProctordensity回填土經(jīng)壓實而達到的實際干密度與依據(jù)GB/T50123測定的最大干密度的比值，也稱壓實系數(shù)。除設(shè)計要求用重型擊實標準外，其他皆以輕型擊實標準試驗獲得的最大干密度為100%。4基本規(guī)定4.1球墨鑄鐵管一般按允許工作壓力或壁厚進行分級，且應(yīng)符合GB/T13295或GB/T26081的要求。注：壓力分級管也稱為C級管，壁厚分級管也稱為K級管。4.2球墨鑄鐵管的管壁應(yīng)具備足夠的強度來承受內(nèi)水壓力以及回填土荷載、交通荷載等外部荷載的作用。4.3球墨鑄鐵管的設(shè)計應(yīng)包含內(nèi)部壓力設(shè)計和允許覆土深度計算，設(shè)計計算方法見第5章和第6章，附錄C給出了熱力用球墨鑄鐵管的設(shè)計指南。注：允許覆土深度是指管道所能承受的最大覆土深度。4.4球墨鑄鐵管的設(shè)計步驟如下所示：a)初選出滿足管道工作壓力要求的壓力分級管或壁厚分級管，其允許工作壓力PFA不應(yīng)低于管道工作壓力；b)根據(jù)步驟a)初選出的管的公稱壁厚em和最小壁厚emin,按照第6章的公式計算允許覆土深度；c)若步驟b)計算的允許覆土深度不滿足工程設(shè)計要求，應(yīng)選擇更高級別的管，重復步驟a)和步驟b),直到允許覆土深度滿足工程設(shè)計要求。注：由于優(yōu)異的材料性能、良好的管截面徑向穩(wěn)定性和較高的設(shè)計安全系數(shù)，球墨鑄鐵管、管件和附件及其接口在依照設(shè)計條件安裝、運行時，能夠在整個管道運行壽命期間保持所有的結(jié)構(gòu)功能特性。5按內(nèi)部壓力設(shè)計5.1壓力分級管5.1.1表1給出了壓力分級管的允許工作壓力PFA。表1壓力分級管的允許工作壓力PFA壓力級別C20C25C30C40C50C64C100PFA/MPa4.05.1.2壓力分級管的壁厚見GB/T13295或GB/T26081,壓力分級管的最小壁厚emin不應(yīng)小于43.0mm,并應(yīng)按式(1)計算：emin=(PFA×SF×DE)/(2×R+PFA×SF)……(1)式中：PFA——允許工作壓力，單位為兆帕(MPa),見3.1;SF——安全系數(shù)，見5.3;DE——管的公稱外徑(即插口外徑),單位為毫米(mm),見GB/T13295或GB/T26081;R——球墨鑄鐵的最小抗拉強度，單位為兆帕(MPa),一般取420MPa。5.1.3壓力分級管的公稱壁厚enm應(yīng)按式(2)計算得出。eom=emin+(1.3+0.001D) (2)式中：DN——GB/T13295和GB/T26081規(guī)定的管的公稱直徑，單位為毫米(mm)。5.2壁厚分級5.2.1壁厚分級管的公稱壁厚e不應(yīng)小于6.0mm,并應(yīng)按式(3)計算得出：K璧厚級別系數(shù)可取8.10、雙2;1DNFGB/T13295和GBT26081規(guī)色的管的公稱直徑(位為毫來(mm)。5.2.2璧厚分級管的最小壁厚應(yīng)按式資算得出：5.2.3盛厚分級管的允許工作莊方RFA)應(yīng)按式(5)計算得出PPAE2XRD×S……………(5)式中：D管的平均重徑(見6.3,0,單位為毫采(nm):SF——安全系數(shù)，見5.3。5.2.4表2給出了常用壁厚分級管的允許工作壓力，常見壁厚分級管的壁厚見GE/T13295。表2壁厚分級管的允許工作壓力DPAK9管K10管5GB/T43311—2023表2壁厚分級管的允許工作壓力PFA(續(xù))DNK9管MPaMPa4504.04.64.34.05.3設(shè)計安全系數(shù)管道壁厚與允許壓力設(shè)計時選用的安全系數(shù)應(yīng)符合以下要求：——對于最大允許工作壓力設(shè)計(即GB/T13295和GB/T26081中的PMA),安全系數(shù)SF應(yīng)取——對于允許工作壓力設(shè)計(即GB/T13295和GB/T26081中的PFA),安全系數(shù)SF應(yīng)取3。6按外部荷載設(shè)計6.1設(shè)計要求在受到外部荷載作用時，管的徑向變形應(yīng)滿足式(6)的要求：△≤△mx 式中：6GB/T43311—20236.2管的最大允許徑向變形率Am管的最大允許徑向變形率△應(yīng)按照式(7)計算，對于水泥砂漿內(nèi)襯管，△m不應(yīng)大于3%;對于有機內(nèi)襯(如環(huán)氧陶瓷內(nèi)襯、聚氨酯內(nèi)襯等)或無內(nèi)襯管，△不應(yīng)大于4%?！鱩=100×R;×(DE-em)/(SF?×E×em×DF) (7)R:——材料的環(huán)向彎曲強度，單位為兆帕(MPa),取500MPa;SF?——安全系數(shù)，取1.5;E——彈性模量，單位為兆帕(MPa),取170000MPa;6.3管的徑向變形率△6.3.1管的徑向變形率應(yīng)按式(8)計算： (8)Kx——變形系數(shù)，取決于基礎(chǔ)中心角，見表3;q——外部荷載造成的管頂單位面積上豎向壓力，單位為兆帕(MPa),見6.4.1.1;S——管的徑向剛度，單位為兆帕(MPa),見6.3.2;E'——回填土反作用模量，單位為兆帕(MPa),見6.5?！诠艿理敳垦刂睆椒秶鷥?nèi)呈現(xiàn)均勻分布；——與均勻分布在基礎(chǔ)中心角2a范圍內(nèi)的垂直向上作用反力相等；——使得管道兩側(cè)產(chǎn)生變形，從而形成在100°范圍內(nèi)呈拋物線分布的橫向反作用壓力。6.3.2管的徑向剛度S按式(9)計算，也可從GB/T13295和GB/T26081的相關(guān)附錄中選?。篠=1000×E×I/D3…(97GB/T43311—2023式中：I——管壁縱向截面單位長度的截面慣性矩(見6.3.3),單位為立方毫米(mm3);D——管的平均直徑(見6.3.4),單位為毫米(mm)。6.3.3管壁縱向截面單位長度的截面慣性矩I按式(10)計算：I=e2/12 (10)式中：6.3.4管的平均直徑D由式(11)計算得出：D=DE—esi………………6.3.5不同管溝類型和土壤類型所對應(yīng)的變形系數(shù)Kx和管側(cè)土的回填土反作用模量E'見表3。6.4管所受外部荷載及允許覆土深度計算6.4.1一般要求6.4.1.1外部荷載造成的管頂單位面積上豎向壓力q應(yīng)按式(12)計算：q=q?+q?…………(12)式中：q?——單位面積上交通荷載壓力，單位為兆帕(MPa)。6.4.1.2允許覆土深度應(yīng)通過式(6)～式(15)計算得出。6.4.2單位面積上土體荷載壓力6.4.2.1單位面積上土體荷載壓力q?應(yīng)按式(13)計算：q?=0.001×y×H…………(13)式中：q?——單位面積上土體荷載壓力，單位為兆帕(MPa);γ——土體重度，單位為千牛每立方米(kN/m3);6.4.2.2當缺乏實測數(shù)據(jù)時，土體重度γ宜取20kN/m2。如果經(jīng)實際勘測后回填土的土體重度γ小于20kN/m3,也可按實測值選用。如果實測值大于20kN/m2,應(yīng)按實測值選用。6.4.3單位面積上交通荷載壓力6.4.3.1當覆土深度不小于0.3m時，單位面積上交通荷載壓力q?應(yīng)按式(14)計算：q?=0.04×β×(1-2×10-^DN)/H…………(14)式中：qz——單位面積上交通荷載壓力，單位為兆帕(MPa);β——交通荷載系數(shù)(見6.4.3.2)。6.4.3.2交通荷載系數(shù)β應(yīng)符合下列規(guī)定。β=P'/100 (15)式中：P'—-車輛單軸荷載，單位為千牛(kN)。b)對于鋪設(shè)在禁止車輛行駛的道路下，β取0.75。86.4.3.4地面堆積物荷載大于交通荷載時，單位面積上交通荷載壓力q?應(yīng)按地面堆積物荷載取值，不應(yīng)小于10kN/m2。6.5管土共同作用6.5.1基礎(chǔ)中心角取決于施工情況(鋪設(shè)墊層、管側(cè)回填區(qū)的壓實度)和管的徑向變形(尤其對于DN1000及以上的管道)。6.5.2管側(cè)回填區(qū)的回填土反作用模量E'的值取決于土壤類型和管側(cè)回填區(qū)的管溝類型。表3給出了五種典型的管溝類型和六種土壤類型(土壤分類見附錄D)下對應(yīng)的E'值，E'值的選取應(yīng)符合以下要求：a)應(yīng)進行初步的巖土工程勘察以便于確定土壤分類和選擇合適的E'值；b)當在設(shè)計階段缺乏可適用的標準或其他數(shù)據(jù)時，可參照表3中的值；c)當鋪設(shè)管道時，管溝采取了支撐結(jié)構(gòu)進行支護，如果回填完成后支撐結(jié)構(gòu)保留在原地，或者支撐結(jié)構(gòu)移除時能確保管側(cè)回填區(qū)的土壤始終壓實在管溝壁的原狀土上，可選用表3中的值；否則應(yīng)選擇較小的E'值。6.5.3當管溝底部存在土壤液化或流沙等不良情況時，應(yīng)進行地基處理，以穩(wěn)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中五種典型的管溝類型如下：a)管溝類型1:虛填；b)管溝類型2:管周回填區(qū)進行很輕的壓實，壓實度大于75%;c)管溝類型3:管周回填區(qū)進行輕度壓實，壓實度大于80%;d)管溝類型4:管周回填區(qū)進行中度壓實，壓實度大于85%;e)管溝類型5:管周回填區(qū)進行重度壓實，壓實度大于90%。注：當管溝底部可以為管道提供合適均勻的支撐時，管道通常是直接鋪設(shè)在平底管溝上，否則會鋪設(shè)一層疏松土壤作為管底基礎(chǔ)。表3回填土反作用模量E'管溝類型12345回填方式虛填很輕壓實輕度壓實中度壓實高度壓實大于75大于85基礎(chǔ)中心角/(°)EA類土壤類型B類土壤類型C類土壤類型D類土壤類型E類土壤類型F類土壤類型41bb41b652bb7753bh75bb·當把土壤直接倒入管溝內(nèi)時，根據(jù)不同類型的土壤類型及其含水率，壓實度一般能達到70%～80%。除非能確保能達到更高的值，否則E'應(yīng)取0。9(資料性)本文件與ISO10803:2011結(jié)構(gòu)編號對照情況表A.1給出了本文件與ISO10803:2011結(jié)構(gòu)編號對照一覽表。表A.1本文件與ISO10803:2011結(jié)構(gòu)編號對照情況本文件結(jié)構(gòu)編號ISO10803:2011結(jié)構(gòu)編號112233、附錄D第一段4.44.251、5.12、5.1.31.5.1、6.5.2,6.54附錄D第二段—附錄C附錄B附錄E附錄A、附錄B、附錄C(資料性)本文件與ISO10803:2011技術(shù)差異及其原因本文件結(jié)構(gòu)編號技術(shù)差異原因1刪除了“……輸送給水、污水和其他流體……”,修改為“……符合GB/T13295和GB/T26081……”;適應(yīng)我國球墨鑄鐵管市場需求及行業(yè)現(xiàn)狀。目前，隨著行業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，球墨鑄鐵管除傳統(tǒng)的供排水工程外，還可用于燃氣、供熱等其他領(lǐng)域。3將“ISO7268界定的術(shù)語和定義適用于本文件”修改為“GB/T13295和GB/T26081界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件”;管底基礎(chǔ)、基礎(chǔ)中心角、壓實度”,增加了術(shù)語“上部回填層、管側(cè)回填土、覆土深度、回填土反作用模量”適應(yīng)我國球墨鑄鐵管市場需求及行業(yè)現(xiàn)狀4.1增加了壁厚分級管的表述；用規(guī)范性引用的GB/T13295替換了ISO2531,用規(guī)范性引用的GB/T26081替換了ISO7186滿足GB/T13295中壁厚分級管設(shè)計需要；適應(yīng)我國技術(shù)條件，增加可操作性增加了壓力分級管的允許工作壓力數(shù)值方便標準使用和理解統(tǒng)一了最小壁厚為3.0mm與我國球墨鑄鐵管標準體系相適應(yīng)增加壁厚分級管的內(nèi)部壓力設(shè)計內(nèi)容滿足GB/T13295中壁厚分級管設(shè)計需要明確了徑向變形的要求方便標準使用和理解加嚴了最大允許徑向變形率的要求符合我國相關(guān)工程建設(shè)標準的要求(資料性)熱力用球墨鑄鐵管的設(shè)計指南C.1概述C.1.1當熱力用球墨鑄鐵管的承插式柔性接口可以消納溫度變化引起的管道熱伸長時，設(shè)計時僅考慮內(nèi)壓和持續(xù)外載產(chǎn)生的一次應(yīng)力，不必考慮熱脹，診縮等變形受約束而產(chǎn)生的二次應(yīng)力。C.2設(shè)計參數(shù)表C.1給出了球墨鑄鐵樹料的設(shè)計參數(shù)。表C.1球墨鑄鐵材料的設(shè)計參數(shù)溫度℃為