燃?xì)夤艿揽缭胶恿髯匀谎a償設(shè)計方法研究

周勤進　劉丹

【摘要】論述了中壓燃?xì)夤艿涝陔S橋跨越中采用不同自然補償形式的適應(yīng)性問題。重點介紹了基于現(xiàn)場情況多種形式結(jié)合進行自然補償?shù)膶嶋H案例，，并采用CAESARⅡ應(yīng)力分析軟件進行模擬計算。

【關(guān)鍵詞】自然補償；隨橋跨越；CAESARⅡ模擬；應(yīng)力

1、概述

中壓燃?xì)夤懿捎米匀谎a償方式跨越河流具有施工成本低，施工簡單，周期短，后期維護檢修方便等諸多優(yōu)點，在城市燃?xì)饨ㄔO(shè)中廣泛使用。隨橋跨越最重要的問題是補償管道熱脹冷縮引起的變形。本文基于工程實例對幾種管道自然補償方式的應(yīng)用進行比較，并對不同補償形式的應(yīng)用優(yōu)缺點進行歸納。

2、工程實例

某中壓燃?xì)夤艿佬杩缭侥澈恿鳎鎸捈s1500m，橋梁投影全長約2770m，河道具有通航要求，航運繁忙，不允許采用開挖穿越。該處地處河海交界地帶，地質(zhì)特征以沖積流沙為主，采用定向鉆穿越造價高昂。設(shè)計中壓天然氣管徑為DN300，擬采用隨橋跨越的設(shè)計方案。管道選材為D325×8無縫鋼管，按照《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》的要求進行各項保護，并按照自然補償?shù)姆桨附鉀Q管道的熱脹冷縮問題。橋形見下圖。

2.1管道補償量

設(shè)計最高溫度60℃，設(shè)計最低溫度7℃。

管道最大伸長量：Δ=Lα（t2-t1）=2760000x1.2x10-5x（60-7） ≈1760mm

兩端對稱布置，理論閉口溫度為33.5℃（或采取冷緊施工）。由于橋梁較長，存在上下坡和轉(zhuǎn)彎，受溫度、風(fēng)向等影響，各點的溫度情況不一致，推薦閉口溫度在27 ～40℃之間，考慮一定余量按照27℃計算，管道補償量為Δ=Lα（t2-t1）≈1100mm。則各端的補償量為550mm；（即A點的位移量為550mm）。

2.2現(xiàn)場自然補償空間

橋梁兩側(cè)由于建構(gòu)筑物限制，沒有較多空間進行自然補償，橋臺地面距離管道高差3.6m，橋臺下方有4m×24m（軸向×橫向）的長方形區(qū)域可供利用，管道在兩副橋梁中間敷設(shè)。此外，該橋梁管理部門不允許在橋梁上設(shè)置固定支架。

2.3自然補償方式選擇

管道常見的自然補償?shù)姆绞接衅矫孀匀谎a償和空間自然補償兩種。其中平面補償方式有“L型直角自然補償”、“Z形自然補償”，三種常見的自然補償方案一般根據(jù)現(xiàn)場橋梁結(jié)構(gòu)和空間限制進行靈活選擇。

（1）L形直角自然補償

該類自然補償方案采用形成補償短臂l，通過其變形實現(xiàn)自然補償。

短臂補償長度超過橋臺下可利用空間，采用L形直角自然補償不適用于本項目。

（2）按照Z形折角彎自然補償

該類自然補償采用豎向短臂l吸收變形進行補償，管道布置見圖3。

基于Z形自然補償所需的短臂長度為20.2m，管道從距離地面高度20m處下橋布置困難。不適用于本項目。

（3）采用空間自然補償

該類自然補償形式是利用空間結(jié)構(gòu)的L、Z形補償形式相結(jié)合，利用一定長度的管段變形實現(xiàn)補償。根據(jù)空間補償校核公式計算本項目需要的管道總長度如下：

計算出L=2852m，兩端空間管道補償臂長平均分配為46m。超過橋臺下空間長度總和，不適用于本項目。

（4）基于應(yīng)力計算的管道自然補償

按照充分利用橋臺下空間進行自然補償?shù)脑瓌t，設(shè)計根據(jù)橋臺下橋梁結(jié)構(gòu)，充分利用位置空間，進行了基于應(yīng)力計算的復(fù)合形式自然補償結(jié)構(gòu)，通過應(yīng)力計算要求固定點滿足應(yīng)力和扭矩的要求。F點設(shè)置固定墩（入地），CD中點和B點設(shè)置滾動支座。

其補償段的管道布置見圖。

1）管道的最大跨距計算：

大于橋下橫向最大24m的作業(yè)空間，便于支架設(shè)置。

根據(jù)管道形變所受的應(yīng)力和補償臂吸收管段脹冷縮變形。計算出各管段形變量為：

AB段：1.7mm；BC段：47.1mm；DE段：376.9mm；AB段對BC段的扭轉(zhuǎn)變形61.7；EF段對DE段的扭轉(zhuǎn)變形67.5。

根據(jù)管段的形變量，計算出最大管段的彈性力為DE管段，其彈性力為：

根據(jù)鉸的理論，900彎頭處跨距應(yīng)力s2，膨脹應(yīng)力σ3在DC段的跨中，即22m處的中點：

2.4CAESARⅡ軟件模擬校核

建立CAESAR模型時，將橋梁模型簡化為水平且兩側(cè)對稱。橋臺下管道布置見圖4。模擬結(jié)果見圖5：

位移最大點位A，位移量為510mm；最大形變管段為DE，形變量為270mm，應(yīng)力最大點為E；形變最大點為D，與應(yīng)急計算結(jié)果基本吻合。管系最大節(jié)點應(yīng)力占許用應(yīng)力的51%，應(yīng)力較小。

CAESAR模擬形變量與計算形變量不一致的主要原因是計算時選取的管道線型膨脹系數(shù)不一致，CAESARⅡ中管道線型膨脹量在0～60℃時的線性膨脹量是變量，且取值略小所致。

3、結(jié)束語

（1）由以上計案例得出，平面自然補償結(jié)構(gòu)簡單，補償臂長相對較小，適合橋梁不大，變形位置布置充裕同時管道布置在橋梁兩側(cè)的情況；空間自然補償方式計算出來的補償臂長度較長，大于L形和Z形平面補償變形臂長的長度，而且當(dāng)補償臂長度超過管道允許跨距后，約束的方式、約束的摩擦系數(shù)等對補償臂的結(jié)構(gòu)形式和形變有較大影響，適合較大型橋梁跨越補償采用。

（2）采用應(yīng)力計算和CAESAR模擬，能計算出節(jié)點的形變和應(yīng)力，并通過計算過程中的形變和應(yīng)力情況來調(diào)整管道材料、壁厚、彎頭、補償臂布置形式等方法來改善系統(tǒng)的受力狀況。

參考文獻(xiàn)

[1]施振球.《動力管道設(shè)計手冊》.北京：機械工業(yè)出版社，2006

[2]唐永進.壓力管道應(yīng)力分析.北京：中國石化出版社，2003

[3]CAESARⅡ-管道應(yīng)力分析計算軟件.北京：北京艾思弗軟件公司，2010

作者簡介

周勤進（1982- ），男，湖北天門人，工程師，注冊設(shè)備工程師（動力），本科，研究方向：燃?xì)夤艿垒斉洹\設(shè)計研究。