適用于大中口徑給水管道的梯形斷面桁架管橋設(shè)計與分析

岑文祥

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司 200092）

引言

隨著國家城市化進程的加快，給水工程輸配水管線的規(guī)模不斷增加，其范圍由城鎮(zhèn)逐漸擴大延伸至城郊、農(nóng)村地區(qū)。新敷設(shè)的輸配水管道越來越多的需穿越大小江河，當(dāng)河道斷流、斷航困難，無法采用倒虹管形式穿越時，如何經(jīng)濟、可靠地選擇管線架空跨越方式是設(shè)計中需重點考慮的問題［1，2］。

按河流跨度區(qū)分，管道可采用的穿越形式如下：

（1）小跨度穿越（≤30m），當(dāng)河流寬度較小或河道中間可以打樁立墩時，通常采用自承式平直形架空跨越，利用管道本身的結(jié)構(gòu)強度富余進行跨越。

（2）中等跨度穿越（30～100m），當(dāng)河流較寬時，可采用桁架式或自承式圓弧形架空跨越。對于大中口徑管道（DN≥1200），受到制作、吊裝水平的限制，自承式圓弧形架空管道實際施工較為困難。同時由于跨度較大、管道強度不足，管道無法平直跨越，桁架式管橋因其結(jié)構(gòu)受力清晰，造型簡潔，施工方便等優(yōu)點，運用較多。

（3）大跨度穿越（≥100m），可以采用斜拉式、懸索式管橋穿越［3］?？紤]到江河通航、水面景觀及經(jīng)濟性要求，斜拉式、懸索式管橋在國內(nèi)給水工程領(lǐng)域運用不多，通常采取頂管施工穿越方式。

綜上所述，對于大中口徑中等跨度架空穿越時，桁架式管橋結(jié)構(gòu)形式較為合適，應(yīng)優(yōu)先考慮采用，本文針對鹽城地區(qū)某河流管線跨越工程，對桁架管橋結(jié)構(gòu)形式進行優(yōu)化設(shè)計與分析。

1 工程概況

鹽城地區(qū)某原水管線工程，管徑DN1800，途中需跨越岡溝河，岡溝河寬度60m，由于DN1800圓弧形架空管制作安裝困難，采用桁架式管橋跨越，在河岸兩側(cè)分別進行樁基承臺施工，桁架管橋焊接組裝完成后整體吊裝擱置于承臺，管橋縱斷面示意如圖1所示。

圖1 桁架管橋縱斷面示意Fig.1 Schematic of truss pipe bridge profile

2 桁架管橋形式

桁架常見斷面形式有方形、三角形。方形斷面形式簡單，但鋼構(gòu)件用料較多，造型單一，三角形斷面形式經(jīng)濟，但檢修空間狹小，當(dāng)預(yù)留足夠檢修空間時，斷面尺寸較大，經(jīng)受力分析，不適用于跨度較大情況。

由于緊挨管橋位置為一現(xiàn)狀公路連續(xù)梁橋，從與周邊環(huán)境適應(yīng)角度考慮斷面高度不宜較大，而三角形斷面在60m跨度情況下，斷面高度要達到6m。結(jié)合美觀經(jīng)濟綜合比較考慮，選擇梯形斷面形式，桁架采用鋼管、腹桿三角形交錯布置，具體布置如圖2所示。

圖2 桁架管橋構(gòu)件布置Fig.2 Truss pipe bridge component layout

3 管橋受力分析

根據(jù)鋼管桁架構(gòu)件布置，在三維設(shè)計分析軟件MIDASGEN中建立數(shù)值模型。鹽城地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，為考慮管道自重及管內(nèi)水重對桁架管橋結(jié)構(gòu)的自振特性影響，動水及鋼管荷載作為附加質(zhì)量在模型中予以補充，使結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果更符合實際受力情況。

鋼管桁架采用Q345B級鋼，桁架上下弦桿采用梁單元進行建模，腹桿及斜向支撐采用桿單元建模。在滿足管道兩側(cè)人員檢修基本尺寸不變的情況下，梯形桁架斷面高度越大，桁架桿件應(yīng)力越小，同時變形越??；通過數(shù)值分析選型比較，確定梯形斷面高度為3.5m，梯形桁架具體斷面布置如圖3所示。對恒、活荷載，風(fēng)荷載，地震荷載（x、y、z方向），溫度應(yīng)力工況下桁架進行內(nèi)力分析，荷載組合如表1所示。鋼管桁架應(yīng)力、撓度計算結(jié)果如圖4、表2所示。

圖3 梯形桁架設(shè)計斷面Fig.3 Ladder truss design section

圖4 桁架管橋應(yīng)力、撓度包絡(luò)圖Fig.4 Truss pipe bridge stress and deflection envelope diagram

表1 荷載組合工況Tab.1 Load combination condition

表2 桁架管橋計算結(jié)果Tab.2 Truss pipe bridge calculation

根據(jù)計算結(jié)果，桁架各構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)均滿足要求，在滿足安全性的前提下，通過調(diào)節(jié)梯形桁架斷面高度以取得較好的經(jīng)濟性，管橋跨中位置撓度較大，在桁架管橋制作時上下弦桿按0.6%坡度從兩端向中間預(yù)起拱以滿足正常使用極限狀態(tài)的要求。

4 結(jié)語

作為鹽城地區(qū)最大跨度管橋，岡溝河管橋目前已竣工使用一年，通過跟蹤監(jiān)測，運行情況良好，各項指標(biāo)均在規(guī)范范圍以內(nèi)。工程實踐及計算分析表明，對于大中口徑管道（DN≥1200）跨越中等跨度河流（30m～100m）時，采用梯形優(yōu)化斷面桁架管橋結(jié)構(gòu)形式解決了因河流通航要求無法打樁對管橋架設(shè)的限制，取得良好的工程效果。

［1］盧信.越江給水管道的設(shè)計與施工［J］.城市公用事業(yè)，1994，8（1）：16－19 Lu Xin.River-crossing water pipe design and construction［J］.Urban Public Utilities，1994，8（1）：16－19

［2］苑藜.大跨度給水管道設(shè)計［J］.山西建筑，2010，36（3）：200－201 Yuan Li.Large span water pipe design［J］.Shanxi Architecture，2010，36（3）：200－201

［3］胡云程，范民權(quán).國內(nèi)最大跨度斜拉輸水管橋的設(shè)計［J］.特種結(jié)構(gòu)，2003，20（3）：19－21 Hu Yuncheng，F(xiàn)an Minquan.Largestdomestic cable-stayed water pipe bridge design［J］.Special Structures，2003，20（3）：19－21