給水管跨越障礙場地的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

魏媛媛

(太原市自來水公司供水設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030009)

城市供水管線在敷設(shè)過程中，經(jīng)常遇到鐵路、公路、河流、排洪渠及污水渠等障礙場地，尤其是給水管穿越河渠地段時(shí)，給水管支撐間距按一般允許跨距滿足不了要求，或按一般管道施工規(guī)范，向下穿越河渠施工不能滿足障礙區(qū)有關(guān)規(guī)范、規(guī)程要求時(shí)，則必須采取其他特殊技術(shù)措施。

1 敷設(shè)形式及優(yōu)缺點(diǎn)比較

1)給水管線向上跨越河渠的形式按其支撐結(jié)構(gòu)可分為:縱梁式、吊索式管橋、懸索式管橋、加強(qiáng)管道、拱形管道等形式。給水管向下穿越河渠的形式按其敷設(shè)方法的不同可分為:埋地敷設(shè)、套管敷設(shè)、地溝敷設(shè)。

2)給水管線向上跨越河渠敷設(shè)的優(yōu)缺點(diǎn):能充分利用管材本身的承載能力;造價(jià)較為經(jīng)濟(jì);特別適用于大管徑的“柔性”管道;不宜用于脆性的或小直徑的管道。向下穿越河渠敷設(shè)的優(yōu)缺點(diǎn):大小管徑的各種材質(zhì)的管道均能適用;不占用地上空間，有利于環(huán)境規(guī)劃;較為安全可靠;若不是嚴(yán)重潮濕的環(huán)境，對高低溫管道均能適用;熱穩(wěn)定性好，特別是寒冷地區(qū)，間斷運(yùn)行含有水分并有可能凍結(jié)的管道，或因散熱量較大難以保持介質(zhì)的運(yùn)行參數(shù)時(shí)，地下敷設(shè)可使運(yùn)行狀況得以改善;但管線運(yùn)行期進(jìn)行維護(hù)搶修比較困難。

因此，給水管在實(shí)際施工敷設(shè)過程中，我們設(shè)計(jì)方建議采用向上跨越河渠架設(shè)給水管道，同時(shí)采取有效保溫措施，此種方式為今后管線管理部門提供維修空間，可以有效縮短搶修時(shí)間，保證市民的正常用水，減少供需水方的矛盾糾紛。

2 材料要求

給水管向上跨越河渠管體材料采用Q235B鋼，優(yōu)先采用鎮(zhèn)靜鋼。

焊接材料:手工焊采用的焊條應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5117碳鋼焊條的規(guī)定。選擇的焊條型號應(yīng)與主體金屬力學(xué)性能相適應(yīng)。自動焊或半自動焊采用的焊絲和相應(yīng)的焊劑應(yīng)與主體金屬力學(xué)性能相適應(yīng)，并應(yīng)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

預(yù)埋件及配件:Q235鋼，寒冷地區(qū)宜采用Q235B鋼。

支座混凝土:一般地區(qū)采用C25，寒冷地區(qū)采用C30，且應(yīng)滿足抗凍要求。

支墩材料:根據(jù)支墩所處地質(zhì)條件及高度等因素確定，多采用漿砌毛石砌體、素混凝土、鋼筋混凝土等結(jié)構(gòu)形式。

給水管內(nèi)防腐材料:當(dāng)采用水泥砂漿作為內(nèi)防腐材料時(shí)，其材料應(yīng)滿足CECS 10∶89埋地給水鋼管道水泥砂漿襯里技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)采用其他材料作為內(nèi)防腐材料時(shí)，對飲用水管，其材料應(yīng)滿足GB/T 17219-1998生活飲用水輸配水設(shè)備及防護(hù)材料的安全性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求，多采用無毒環(huán)氧涂料防腐。

外防腐材料:鋼管外防腐采用環(huán)氧煤瀝青四油二布加強(qiáng)級防腐，質(zhì)量要求應(yīng)符合SY/T 0447-96埋地鋼制管道環(huán)氧煤瀝青防腐層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

保溫層材料:多采用填充蛭石粉保溫，保溫層材料重量應(yīng)不大于0.2 kN/m2(管道外表面積)。

3 架空段給水管設(shè)計(jì)要求

管道架空段縱向坡度不大于0.05且不得轉(zhuǎn)彎。

對多跨給水管建議采用等跨布置。若需采用不等跨布置，則相鄰跨度差應(yīng)不大于5%。

管道架空段與基岸的布置形式可以是兩端水平深入(見圖1a))、一端水平伸入一端斜彎入土中(見圖1b))、兩端斜彎入土中(見圖1c))。

圖1 管道架空段與基岸的布置形式

對于兩端水平伸入基岸的管道，應(yīng)在其兩端進(jìn)入基岸后的適當(dāng)位置設(shè)置伸縮節(jié)接頭。對于一端水平一端斜彎的管道，應(yīng)在其水平伸入端進(jìn)入基岸后的適當(dāng)位置設(shè)置伸縮節(jié)接頭。

為減少溫差所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，對斜彎入土的管道，其斜彎段長度應(yīng)不小于有關(guān)規(guī)范要求。

為避免多跨架空鋼管因溫差引起的伸縮變形量過大而影響入土斜彎段的受力，管道架空段總長度不宜大于105 m。當(dāng)管道架空段總長度大于105 m時(shí)，宜設(shè)伸縮節(jié)接頭，同時(shí)應(yīng)設(shè)置支墩以抵抗由于管內(nèi)壓力所產(chǎn)生的水平推力。

給水管兩端應(yīng)設(shè)置扇狀鋼筋防護(hù)欄，以免行人穿行管道發(fā)生危險(xiǎn)。

架空管道跨越河道時(shí)，管底應(yīng)高出設(shè)計(jì)最高水位不小于1.0 m，有航道要求時(shí)應(yīng)按航道部門的要求確定。

為消除壓力管道在運(yùn)行中由于積存氣體而產(chǎn)生顫動，應(yīng)在管道適當(dāng)位置設(shè)置自動排氣閥。

4 給水管最大允許跨度的計(jì)算分析

管道允許跨度的大小直接決定管道支墩的數(shù)量和可能跨越的最大距離。管道的允許跨度取決于管材的強(qiáng)度，管道截面的剛度，外荷載的大小，管道敷設(shè)坡度以及管道允許的最大撓度。給水管的允許跨度可按強(qiáng)度和剛度兩個(gè)條件確定。

4.1 按強(qiáng)度條件確定給水管的跨度

給水管斷面上的最大應(yīng)力不得超過管材的許用應(yīng)力，以保證給水管安全運(yùn)行。根據(jù)這一原則所確定的管道允許跨度，稱為按強(qiáng)度條件確定的管道跨度，計(jì)算公式如下:

1)對于連續(xù)敷設(shè)的水平管道:

2)對于盡端直管的管道:

其中，［σw］為許用外載綜合應(yīng)力;W為管道抗彎截面系數(shù)，為橫向焊接系數(shù);q為給水管單位長度計(jì)算重量，N/cm;D為給水管外徑，cm;α為給水管內(nèi)徑與外徑比。

4.2 按剛度條件確定管道的跨度

給水管在一定跨度下會有一定的撓度，根據(jù)對撓度的限制所確定的管道允許跨度稱為按剛度條件確定的管道跨度。

管道通常會有0.002～0.003或更大的坡度，如果設(shè)計(jì)中不區(qū)別情況一律不允許管道存在反坡情況，會使跨度縮小，支墩布置變密。因此應(yīng)考慮管道輸送介質(zhì)的情況，合理確定最大允許撓度，以擴(kuò)大管道的允許跨度。由于城市供水管網(wǎng)輸送有壓流體，可按允許有一定程度反坡的情況考慮。

1)對于連續(xù)敷設(shè)的水平直管:

其中，L，L1，L2為跨距，cm;X為管道支座到管子最大撓曲面的距離，cm;E為材料的彈性模數(shù)，MPa;J為慣性矩，cm4;q為管道單位長度重量，N/cm;DN為管道工程直徑，cm;i為管道坡度。

需用試差法解聯(lián)立方程式，直到L1=L2為止。

2)對于盡端直管:

解法同1)。

5 支座及支墩的設(shè)計(jì)計(jì)算

工程設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行支墩設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先明確給水管每延米的永久荷載、可變荷載及地震作用標(biāo)準(zhǔn)值。工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)支墩材料、結(jié)構(gòu)形式的需要，自行進(jìn)行荷載組合，以便進(jìn)行支墩的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及裂縫控制等計(jì)算。給水管支墩的位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離現(xiàn)有建、構(gòu)筑物，且支墩基礎(chǔ)的埋深不宜大于現(xiàn)有建、構(gòu)筑物基礎(chǔ)。特殊地區(qū)環(huán)境，應(yīng)采取臨時(shí)加固支撐、打板樁等施工措施。

支墩基礎(chǔ)埋深應(yīng)考慮地基的凍脹性和沖刷深度。對于凍脹性地基，基礎(chǔ)埋深按GB 50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中有關(guān)條例確定。對于沖刷地基，基礎(chǔ)最小埋深也應(yīng)滿足有關(guān)要求。管道支墩基坑的回填土應(yīng)分層壓實(shí)，壓實(shí)系數(shù)不低于0.95?；靥钔林胁坏煤杏倌唷鐾?、腐殖土、雜草、樹根等。位于岸邊的支墩，應(yīng)在支墩的兩側(cè)及墩前設(shè)置錐形護(hù)坡，護(hù)坡坡度高:寬不大于1∶0.58。對于砌體支墩，在其頂部應(yīng)設(shè)置連接件與支座混凝土可靠連接，確保支座在水平力作用下的安全。

在具體工程設(shè)計(jì)中，支墩材料各不相同，有砌體、混凝土或鋼筋混凝土，結(jié)構(gòu)形式也各不相同，有墩體結(jié)構(gòu)、構(gòu)架式結(jié)構(gòu)，其所需的荷載組合也不盡相同。水平及垂直荷載組合值:根據(jù)管徑及管壁設(shè)計(jì)厚度和管道是否保溫，按抗震設(shè)防烈度直接查取有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圖集中作用于管道的水平及垂直荷載基本組合值，用于支墩強(qiáng)度計(jì)算;根據(jù)管道是否保溫，按管壁設(shè)計(jì)厚度查取作用于管道的水平及垂直荷載標(biāo)準(zhǔn)組合值，用于地基承載力驗(yàn)算。永久、可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值及地震作用標(biāo)準(zhǔn)值:根據(jù)管徑及管壁設(shè)計(jì)厚度和管道是否保溫，按抗震設(shè)防烈度直接查取作用于管道的水平及垂直荷載標(biāo)準(zhǔn)值，用于支墩穩(wěn)定性及裂縫控制驗(yàn)算的荷載組合計(jì)算，荷載組合按相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

荷載基本組合值:按地震組合:恒載+地震作用+雪荷載、恒載+地震作用+風(fēng)荷載、恒載+地震作用+檢修荷載;非地震組合:恒載+雪荷載、恒載+風(fēng)荷載、恒載+檢修荷載共六種組合情況分別乘以相應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)及組合系數(shù)，取其中最大值。荷載標(biāo)準(zhǔn)組合值:按恒載+雪荷載、恒載+風(fēng)荷載、恒載+檢修荷載三種組合情況分別乘以相應(yīng)的組合系數(shù)，取其中最大值。

地基承載力計(jì)算包括基礎(chǔ)底面所受的彎矩計(jì)算、基礎(chǔ)底面抵抗矩計(jì)算，最后進(jìn)行地基承載力驗(yàn)算，看是否滿足壓力值。

支墩強(qiáng)度計(jì)算包括驗(yàn)算截面所受的彎矩計(jì)算、驗(yàn)算截面抵抗矩、彎矩作用平面內(nèi)受壓承載力驗(yàn)算、支墩沿管軸平面的承載力計(jì)算，當(dāng)驗(yàn)算不能滿足要求時(shí)，應(yīng)重新調(diào)整相關(guān)尺寸，直至滿足設(shè)計(jì)要求為止。