大跨度輸水管道鋼管桁架管橋設(shè)計選型與優(yōu)化

趙永全

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司 200092)

引言

在長距離輸水工程中,當(dāng)遇到河流、道路、地下構(gòu)筑物等障礙物時,通常會采用自承重式鋼管管橋、頂管穿越、沉管等方式,各種設(shè)計方案均有在相應(yīng)條件下的適用性。比如自承式鋼管管橋單跨跨度一般不超過20m,當(dāng)跨越較大跨度的障礙物時需要設(shè)置中間支墩以減小跨度; 頂管方案雖然從淤泥到巖石各類土層都可以頂進,但對于不同的土層經(jīng)濟性和施工難度會存在較大的差別,一般在適用于頂管的淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土、粘土土層中能夠有比較好的經(jīng)濟性,同時由于頂管過程中不可避免的施工影響和一些不可預(yù)見性的因素,頂管方案的選擇也要相對比較慎重。

桁架管橋方案具有單跨跨度大; 施工影響小; 工業(yè)化程度高; 施工速度快; 造型美觀; 造價較低等多種優(yōu)勢,在輸水工程中,通常在單跨跨度30m ～80m 的障礙物穿越方案中被選用,得到較為經(jīng)濟、安全、高效的工程應(yīng)用價值。對于跨河管架的設(shè)計和優(yōu)化分析一直是工程設(shè)計人員重點關(guān)注的課題[1]。

1 工程概況

項目位于浙江省衢州市,輸水管道為衢州新建第四水廠的原水供水管道,擬跨越的障礙物為烏引干渠,作為集農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)、發(fā)電、旅游和人民生活用水于一體的大型綜合水利工程,烏引干渠具有相當(dāng)高的通水保障要求和安全保護要求。在供水管道施工過程中必須嚴格保障水渠的正常通水,且干渠兩側(cè)有規(guī)劃道路,水渠下部土層主要為大塊卵石層,頂管穿越難度較大,綜合多種方案的比選,最終設(shè)計選定采用上部跨越的方式穿過水渠,水平跨度為60m,鋼管桁架管橋,供水管道為2 ×DN1400 鋼管。

2 桁架設(shè)計

桁架橫斷面采用雙管并排布置的梯形斷面形式,相比于矩形斷面能夠在不影響上下弦桿受力的同時,有效縮短上弦平面拉桿之間的距離,進而節(jié)省用鋼量[2],見圖1。輸水管道中心距2200mm,管道凈距800mm,管道距離豎向腹桿水平間距約800mm,在確保安裝需求的前提下,盡量壓縮管道間距。后期管道檢修時采用在兩根輸水管道之間臨時鋪設(shè)木板的措施作為檢修通道。兩個下弦桿之間設(shè)置橫向水平拉梁,拉梁上部設(shè)置鞍式管道支座和抱箍,待輸水管道安裝就位后,用抱箍卡緊管道。

圖1 桁架橫斷面Fig.1 Truss cross section

桁架縱斷面設(shè)計采用4 種形式進行比選：

(1)N 字形斜腹桿設(shè)計,上弦為平直桿,豎腹桿間距5m,桁架高度3.5m,見圖2a。

(2)V 字形斜腹桿設(shè)計,上弦為平直桿,下弦橫梁間距5m,桁架高度3.5m,見圖2b。

(3) V 字形斜腹桿設(shè)計,上弦跨中起拱1.0m,下弦橫梁間距5m,桁架高度3.5m ～4.5m,見圖2c。

(4) V 字形斜腹桿設(shè)計,上弦跨中起拱1.5m,下弦橫梁間距5m,桁架高度3.5m ～5.0m,見圖2d。

圖2 桁架縱斷面布置Fig.2 Truss longitudinal section

2.1 輸水管與桁架連接

由圖1 桁架橫斷面可知輸水管道與桁架之間采用管托與抱箍連接,管托和抱箍與輸水管道之間通過設(shè)置10mm 厚橡膠墊板,在保證輸水管道放置穩(wěn)定的前提下,減少管道水平向與管托之間的摩擦,引起管道破壞,同時使管道和桁架的水平向相對能夠滑動,避免管道與桁架溫度變化不同引起的伸縮量不同,進而影響桁架內(nèi)力。在豎直方向上,待桁架閉合之后,安裝輸水管道,輸水管道自重及內(nèi)水重均由管道下部的管托傳遞至水平橫梁,進而由桁架承擔(dān),不計鋼管輸水管道本身剛度,對于桁架計算相對安全。

因此桁架分析計算時,可將輸水管和管道支座折算為恒荷載施加在桁架下弦水平橫梁上。

2.2 單元類型

桁架分析模型采用YJK 軟件中空間結(jié)構(gòu)模塊建模,如圖3 所示。弦桿、腹桿、上弦水平拉桿采用桁架單元,即僅承擔(dān)軸向拉壓力; 下弦管托位置水平梁采用梁單元,以便于管道荷載布置與施加。

圖3 桁架整體模型Fig.3 Truss overall model

2.3 荷載統(tǒng)計與輸入

1.管道荷載管道自重標(biāo)準值： 4.85kN/m; 管道內(nèi)水重標(biāo)準值： 15.2kN/m。管托間距5m,托梁均布荷載為50kN/m(含管托重量)。

2.溫度荷載

經(jīng)查閱荷載規(guī)范衢州市50年重現(xiàn)期的月平均最高氣溫38℃,月平均最低氣溫-3℃。假定安裝溫度為15℃,溫度荷載作用的升降溫工況分別為±25℃。

3.風(fēng)荷載

桁架管橋下部具有車輛通行要求,引起管橋高度較高,輸水管道承受橫向風(fēng)荷載作用,并將荷載傳遞給鋼管桁架,因此在計算中橫向風(fēng)荷載作用不可忽略。采用在鋼管桁架腹桿與弦桿組成的豎向平面布置蒙皮的方式導(dǎo)算迎風(fēng)面風(fēng)荷載至桁架節(jié)點,形成布置在桁架節(jié)點上的節(jié)點風(fēng)荷載。

4.地震作用

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011 -2010)中5.1.1 規(guī)定應(yīng)至少在兩個主軸方向分別計算水平地震作用,8、9 度時的大跨度和長懸臂結(jié)構(gòu)應(yīng)計算豎向地震作用。衢州市抗震設(shè)防烈度為6 度,根據(jù)規(guī)范要求可不考慮豎向地震作用。為保證輸水結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性,設(shè)計中考慮水平地震作用和以反應(yīng)譜方法計算的豎向地震作用(局部模型求解法),僅考慮鋼管桁架部分的豎向地震作用。

5.檢修活荷載

在桁架下弦平面布置管道檢修和維護的活荷載,并導(dǎo)算至桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點。

2.4 荷載組合工況

對桁架進行受力分析時,位移變形分析需采用荷載標(biāo)準組合; 內(nèi)力及應(yīng)力比分析結(jié)果需采用荷載基本組合。分析模型的荷載組合見表1。

表1 荷載組合Tab.1 Load combination

2.5 邊界條件

桁架管橋跨度60m 屬于超長結(jié)構(gòu),在溫度作用下會引起縱向伸縮,設(shè)計中對桁架縱斷面形式1 通過固定支座、滑動支座的計算比較,表明兩端固定支座時桁架靠近支座的弦桿和斜腹桿會因為溫度升高產(chǎn)生構(gòu)件的附加內(nèi)力分別為145kN、65kN,同時溫度升高引起的水平推力會導(dǎo)致桁架下部的混凝土支架承受水平力,對下部支架受力不利。因此采用管橋支座一端固定一端滑動的設(shè)計方案,在一端支座位置釋放縱向約束,使管橋在升溫、降溫過程中能夠在支座水平面內(nèi)沿管橋縱向滑動。

3 分析結(jié)果比較

3.1 周期和振型

桁架縱向平動振型、橫向平動振型、二階橫向平動振型震動模態(tài)見圖4 ～圖6。由表2 結(jié)果可見,針對本桁架工程設(shè)計要求,4 種形式均以橫向平動、縱向平動為前兩階振型,且周期較為接近,第三振型均為橫向的二階平動振型,且周期相同?？芍? 種桁架形式對于桁架的振型特性影響不大。

圖4 縱向平動振型Fig.4 Longitudinal translational mode

圖5 橫向平動振型Fig.5 Transverse translational mode

圖6 二階橫向平動振型Fig.6 Second-order transverse translational mode

表2 桁架振型周期統(tǒng)計Tab.2 Truss mode period

3.2 位移結(jié)果

在標(biāo)準組合作用下,4 種桁架形式豎向最大位移見表3。形式4 最大位移僅117mm,明顯小于形式1,形式3 和形式4 相差較小,單從撓度角度分析,二者需結(jié)合用鋼量和外觀要求,采用二者之一均可。

表3 桁架位移結(jié)果統(tǒng)計Tab.3 Truss displacement result

通過在模型計算中設(shè)置滑動支座,在溫度升降過程中,4 種桁架形式滑動端水平位移值均為±18.0mm,幾乎無差異,因此溫度作用對4 種桁架形式影響較小。在設(shè)計中采用端支座釋放溫度引起的水平位移的支座形式,見圖7 長圓孔水平限位滑移支座俯視圖,減少桁架伸縮產(chǎn)生對下部承臺及灌注樁的水平力,確保下部支撐結(jié)構(gòu)的安全。

圖7 滑動支座俯視圖Fig.7 Top view of sliding bearing

3.3 應(yīng)力比與用鋼量

對4 種桁架形式的桿件進行基本組合下的應(yīng)力比計算和整體用鋼量分析,結(jié)果統(tǒng)計列于表4。

表4 桁架桿件應(yīng)力比及用鋼量統(tǒng)計Tab.4 Truss members stress ratio and steel quantity

由表4 可知,形式1 用鋼量最多,且桿件應(yīng)力比較大,桿件應(yīng)力分布不均勻; 形式2 相比形式1 用鋼量減少5.6t,上下弦桿最大應(yīng)力比與形式1 基本相同,腹桿最大應(yīng)力比明顯降低; 形式3 相比前兩種桁架形式用鋼量分別減少14.9t、9.3t,上下弦桿、腹桿最大應(yīng)力比明顯比前兩種形式降低,可見形式3 比前兩種形式更為有利。形式4 相比形式3 用鋼量減少4t,上下弦桿最大應(yīng)力比較形式3 略微降低,腹桿最大應(yīng)力比比形式3 增大,但形式4 相比形式3 桁架高度增加0.5m,桁架最高處為5m。通過對桁架所有桿件的應(yīng)力比統(tǒng)計結(jié)果分析,形式3 桿件應(yīng)力比在0.6 ～0.8 范圍內(nèi)占比約為80%,形式1、形式2支座位置弦桿應(yīng)力比較大,而跨中弦桿應(yīng)力比較小,桁架桿件應(yīng)力比分布較為不均勻,桿件內(nèi)力分布差異較大。經(jīng)過對桁架的受力性能、用鋼量、美觀的角度綜合考慮,采用形式3 能夠同時在多個方面取得較為良好的效果。

4 結(jié)論

1.采用跨中上凸的V 字形縱斷面桁架能夠較大幅度地降低桁架的豎向撓度,對控制桁架豎向變形較為有效。

2.4 種桁架形式在溫度作用下的水平位移值幾乎無差異,影響較小。

3.對于大跨度、中大管徑的輸水管工程鋼管桁架管橋,合理地選擇桁架縱斷面形式能夠較大幅度地提高桁架受力性能和經(jīng)濟性。

4.采用跨中上凸的V 字形縱斷面桁架能夠使桁架弦桿和腹桿的應(yīng)力分布更均勻,在采用相同斷面弦桿或腹桿的情況下,弦桿或腹桿應(yīng)力幅值較小。

5.對于下承式輸水鋼管桁架管橋,設(shè)計中采用跨中上凸的V 字形縱斷面,使下弦桿為平直形狀,有利于輸水管道的鋪設(shè)和安裝,而跨中上凸設(shè)計使桁架弦桿內(nèi)力和桁架變形較大幅度減小,在設(shè)計中結(jié)合周邊環(huán)境和美觀要求,綜合考慮上凸的高度,使桁架獲得經(jīng)濟和美觀的平衡。