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。
ISO 2531 输水用球墨铸铁管、管件、附件及接头 ISO 7186 排水用球墨铸铁产品 ISO 7268 管子组件——公称压力的定义 ISO 10802 球墨铸铁管线安装后的液压试验 3 术语和定义
下列ISO 7268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
AASHTO T99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ISO 2531的输水用球墨铸铁管应按照允许工作压力进行分级。符合ISO 7186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ISO 2531或ISO 7186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ISO 2531的规定）或2.4mm（ISO 7186的规定），通过公式（1）计算：
其中：
（1）
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ISO 2531和ISO 7186规定的管的公称壁厚，单位:mm。
表A.1中给出了符合ISO 2531的各种级别的管的公称壁厚，表A.2给出了符合ISO 7186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ISO 2531和ISO 7186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ISO 2531和ISO 7186规定的PFA）。
注：在试验压力达到ISO 2531和ISO 7186规定的允许试验压力时，允许按照ISO 10802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 ??? (K x ? 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/D?
3
?
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，mm； D——管的平均直径（DE- estiff）,mm；
DE——ISO 2531和ISO 7186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。
3
管材料刚度值，S，可从ISO 2531和ISO 7186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1 Spang1cr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 ?)
( K x ) ? (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／m；
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/m。不过，若最初勘测确定的实际单位重量不到20KN/ m，也可以使用实际值来确定q1。 但如果实际测量数据超过20KN/ m，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。
3
3
3
3
（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
球墨铸铁管设计方法 - 图文
