日本水管橋特征及設(shè)計流程

遇欣 王喜亭

摘要：水管橋，也叫做水道橋或水路橋，以跨越河流和山谷運送水為目的所設(shè)置的橋梁，其用途包括：輸送上水（自來水）、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、下水（污水）等。本文中將對于水管橋的配置計劃以及水管橋的配置細(xì)節(jié)進(jìn)行描述，并配合日本補剛型水管橋的設(shè)計流程加以說明。希望給予我國橋梁設(shè)計者和建設(shè)者以借鑒，對今后的水管橋設(shè)計提供一定的技術(shù)支持與設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞：水管橋；補剛型水管橋；環(huán)形支持構(gòu)造；桁架形式

當(dāng)輸水管道遇到河流、山谷時，要管道跨越山谷或河流提供對策時，在現(xiàn)地沒有公路橋或鐵路橋的情況下，一般大多選擇采用建造水管橋作為解決對策。相較于在地下埋設(shè)管線，水管橋無論在施工難度、工程造價方面都具有先天優(yōu)勢。當(dāng)然水管橋也因為裸露在外，會受到空氣，雨水的侵蝕。所以，在水管橋建成后對于水管橋的防蝕防銹以及定期維護也是很重要一環(huán)。

近年來我國經(jīng)濟的高速增長，西部大開發(fā)也是我國的一項基本政策，有鑒于我國西部一些地區(qū)多山的地貌形態(tài)，筆者認(rèn)為對于水管橋的設(shè)計建造需求有可能上升。

1用語的定義

（1）水管橋：按種類可分為獨立水管橋、添架水管橋。

（2）獨立水管橋：指專為輸水配線而設(shè)置建造的水管橋，按構(gòu)造形式又可分為直通型水管橋、補剛型水管橋、添架專用橋。

（3）添架水管橋：指添架在既有的道路橋上來實現(xiàn)輸水功能的水管橋。

（4）補剛型水管橋：指三角形的桁架構(gòu)造形式水管橋。用比較細(xì)的管材在水管橋中，作為上弦材，下弦材一般采用中小口徑通水管材，從而有效利用通水管的特性。

（5）環(huán)形支持構(gòu)造：水管橋上對于水管的支撐支撐構(gòu)造。

（6）桁架形式：一種由桿件彼此在兩端用鉸鏈連接而成的結(jié)構(gòu)。

2調(diào)查與計劃

2.1調(diào)查

（1）輸水配線計劃

輸水配線計劃，一般來說我們通過結(jié)合規(guī)劃路線選項，選用較為經(jīng)濟的路線來確定水管橋的大略規(guī)劃路線。除了需要對橋梁的架設(shè)用地及施工時對公共交通的影響程度進(jìn)行一般性調(diào)查之外、還需要對以下Ⅱ項目中的各項調(diào)查結(jié)果綜合考慮來決定最佳，最有利的架設(shè)位置。除此之外，通過計算確定輸水管的管徑、流速、管內(nèi)壓，也能得到水管橋設(shè)計的必要條件。

（2）地形的踏勘、測量

在架設(shè)位置的周圍進(jìn)行現(xiàn)場地形的調(diào)查。測量，是根據(jù)水管橋的規(guī)模，以暫定的測量基準(zhǔn)點在架設(shè)地點附近進(jìn)行測量。據(jù)此繪制對設(shè)計和架設(shè)十分重要的平面圖和縱斷圖。

（3）地質(zhì)調(diào)查

對地盤的性質(zhì)、構(gòu)成、地下水位、地盤耐力進(jìn)行調(diào)查，確定下部構(gòu)造的位置、橋梁基礎(chǔ)工程以及施工方法選定，并在此基礎(chǔ)上來決定橋長和跨徑。此外，還應(yīng)該根據(jù)地盤調(diào)查的結(jié)果、地盤的固有周期進(jìn)行耐震設(shè)計。

（4）氣象調(diào)查

對橋梁架設(shè)地域的風(fēng)速、降雨、積雪、氣溫等進(jìn)行調(diào)查，并據(jù)此選定設(shè)計條件、材料選定、施工方法及施工時間。

（5）河川概況調(diào)查

在對河流的流量、流速、水位、流向、航行船只、漂浮物狀況及水利設(shè)施做充分調(diào)查后，得到?jīng)Q定跨徑和下部構(gòu)造位置、高度、形式的重要參考條件。同時，在設(shè)計的也必須嚴(yán)格遵守國家有關(guān)河流管理的相關(guān)法律法規(guī)。

（6）橋梁架設(shè)地域固有問題及其他

調(diào)查架設(shè)地點附近的道路狀況、地震、地盤錯動、發(fā)生洪水的概率和規(guī)模等，作為橋梁計劃的參考條件。

2.2計劃

在水管橋的計劃階段必須要對之前的調(diào)查事項進(jìn)行周密的考量和研討。再對架橋位置、橋長、跨徑分割、采用形式及設(shè)計、部件運輸、架設(shè)、保障等各事項的充分考量的基礎(chǔ)之上，訂定出在施工造價的經(jīng)濟性上、安全性上、美觀性上為最優(yōu)的設(shè)計方案。

3水管橋的構(gòu)造形式

（1）獨立水管橋

構(gòu)造形式：直通型水管橋、補剛水管橋

補剛水管橋：①法蘭補剛式②桁架式（四角桁架，三角桁架）③固定拱式④拱補剛式（板樁橫檔，洛澤，尼爾森）⑤斜拉橋式

（2）添架水管橋

在既有公路橋，鐵路橋桁內(nèi)或桁外設(shè)置支持梁，添架水管的方法就是添架水管橋的形式。

（3）形式選定

根據(jù)現(xiàn)地調(diào)查得出的條件結(jié)合以上構(gòu)造形式特點，選擇水管橋形式。

4載荷的考慮

水管橋的載荷分為主要載荷和次要載荷。主要載荷其中又有，管內(nèi)壓（靜水壓）、鋼材自重、水重、積雪載荷。其中水重的算出原則上應(yīng)該假想成管內(nèi)是滿水的情況，根據(jù)輸水要求的不同也可以采用半充水狀態(tài)的水重進(jìn)行計算。在流體是水以外的情況下，必須通過流體的單位體積重量計算得出。

次要荷重包括風(fēng)載荷、溫度變化量、地震載荷、通行載荷、外部壓以及水的沖擊載荷。

同時選擇其中最不利的載荷要素，進(jìn)行疊加載荷計算也是需要著重考慮的。例如：Ⅰ.主要載荷、Ⅱ.主要載荷+溫度變化影響、Ⅲ.主要載荷+主要載荷+溫度變化影響+地震載荷等情況。

5鋼材材料

由于日本的JIS標(biāo)準(zhǔn)與我國GB標(biāo)準(zhǔn)不同，在這里暫不詳細(xì)說明。原則上應(yīng)該采用與我國實際情況相符合的符合國家標(biāo)準(zhǔn)的鋼材材料進(jìn)行建造。

6許容應(yīng)力度

許容応力度的包括主要部材，補剛材的許容應(yīng)力度、接合用鋼材的許容應(yīng)力度的、焊接部的許容応力度以及許容應(yīng)力度的增補。以上要素需要根據(jù)設(shè)置水道橋的實際情況，參考「日」《水管橋設(shè)計基準(zhǔn)》一書得出。

7撓度的容許值

雖然作用于水管橋的載荷，除了其自重和管內(nèi)水重之外的類似于鋼制公路橋，鐵路橋上由于車輛通行或行人通行所產(chǎn)生的活載荷基本可以忽略不計。但是，為了確保由變形產(chǎn)生的二次應(yīng)力不對水管橋的安全性造成威脅，保證水管橋的全體剛性，我們就要設(shè)定其撓度的許容值。許容值的確定公式如下。直通型水管橋L/350、法蘭補剛形式L/350、桁架形式L/500、拱補剛形式L/500、斜拉橋形式L/400。L為跨徑長（m）。

8部件及構(gòu)造、焊接部的關(guān)聯(lián)事項

需要考慮和設(shè)計的事項包括，鋼材的最小板厚，是否采用補剛材，格點部的分歧連接及其構(gòu)造，單一鋼管部件，有效壓彎長，部件的細(xì)長比，反撓度計算，焊接接口的設(shè)計，高力螺栓及摩擦連接的設(shè)計，螺栓中心距離，螺栓中心距邊距離和螺栓接合面的處理等。以及當(dāng)水管橋采用吊橋或斜拉橋的形式時，纜線類型的選擇、纜線楊氏模量的選擇、纜線的許容值選用、纜線的固定及防腐蝕處理。除此之外，有可能在使用到的構(gòu)造還包括，伸縮可撓管、空氣閥門、檢查升降孔、通路、防攀越柵欄、落梁防止構(gòu)造。都需要設(shè)計者根據(jù)水管橋設(shè)計的實際情況進(jìn)行設(shè)置。

9支撐部件

支撐部件的形式分為：環(huán)形支持構(gòu)造形式以及鞍座支持構(gòu)造形式，其二者存在很大的差別。環(huán)形支持支撐是將環(huán)形支撐直接與鋼管部件焊接，以起到補強和支撐的作用；鞍座支持支撐是將鋼管部件置于其上起到支撐作用的。獨立水管橋一般采用環(huán)形支撐；而添架水管橋一般采用鞍座支持支撐。

由于支撐承載了把上部工構(gòu)造載荷傳遞到下部構(gòu)造的重要功能，是橋梁構(gòu)造中非常重要的部分。因此，設(shè)計時需要考慮設(shè)計荷載、移動量、轉(zhuǎn)動量及轉(zhuǎn)動方向、摩擦系數(shù)、支撐的特性。同時也需要在保證支撐的耐用性和經(jīng)濟性的方針下進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。

10水管橋的設(shè)計流程

一、研討項目：對應(yīng)力度，壓彎長，撓度，傾倒的安全性驗證以及上部構(gòu)造反力的概算。二、應(yīng)力度驗證：圓周方向應(yīng)力度，管軸方向應(yīng)力度，軸向力及產(chǎn)生彎矩部材，剪斷應(yīng)力度，合生應(yīng)力度。三、對壓彎長照查計算。四、對撓度照查計算。五、對傾倒的照查計算。六、上部構(gòu)造反力的算出。七、支撐部設(shè)計：環(huán)形支持構(gòu)造設(shè)計或者鞍座支持構(gòu)造設(shè)計。

結(jié)束語

綜上所述，水管橋相較于公路橋、鐵路橋的結(jié)構(gòu)相對簡單，設(shè)計與施工周期也都相對較短。隨著我國經(jīng)濟的繼續(xù)不斷推進(jìn)，相信水管橋的建設(shè)在橋梁建設(shè)中也是不可缺少的一部分。因此，對于水管橋設(shè)計的研究和學(xué)習(xí)，也是道橋工程中重要的一環(huán)。

參考文獻(xiàn)

[1]WSP水管橋設(shè)計基準(zhǔn)（改正4版）.日本水道鋼管協(xié)會，H11.

[2]道路橋示方書同解說，I共通篇[R].東京：日本道路協(xié)會，2012.

（作者單位：大連日中技研有限公司）