大跨度過(guò)河電纜橋架在電力行業(yè)中的應(yīng)用研究

陳 凱

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

現(xiàn)階段電力行業(yè)中電力電纜穿越河道處，主要采用河道下頂管穿越方案，此方案優(yōu)勢(shì)在于對(duì)河道影響小，幾乎不占用河道上方空間，在地下管線走向排布清晰明確的情況下，是目前電力電纜穿越河道的首選方案。但是在國(guó)內(nèi)很多一線城市中，地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，尤其在地下交通網(wǎng)絡(luò)樞紐比較密集的情況下，電力電纜穿越河道正下方時(shí)，存在地鐵隧道等實(shí)物阻擋，電力電纜無(wú)法采用頂管方案穿越河道，只能選擇河道上方空間中架設(shè)電力電纜橋架的方案。在中小河道上方空間內(nèi)架設(shè)電纜橋架，電纜橋架跨度小，技術(shù)難度不大，可以作為電力電纜穿越河道的方式之一；但是在一些大河道上方，河面寬闊，河道繁忙，河道中一般無(wú)法設(shè)置電纜橋架橋墩支座，只能采用一跨式大跨度過(guò)河電纜橋架的結(jié)構(gòu)方案[1]。

本文選取單跨為42.0 m的大跨度過(guò)河電纜橋架實(shí)例，主要從過(guò)河電纜橋架的結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)概況、結(jié)構(gòu)計(jì)算、結(jié)果分析、結(jié)論、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)用場(chǎng)景等方面，綜合闡述大跨度過(guò)河電纜橋架在電力行業(yè)中的應(yīng)用前景。

1 結(jié)構(gòu)選型

大跨度過(guò)河電纜橋架因其功能特性及使用要求，對(duì)于電纜橋架的結(jié)構(gòu)形式一般有如下要求：1)跨越能力強(qiáng)，一般布置于大河道上方，且河道內(nèi)不允許布置橋墩支座，一跨式跨越整個(gè)河道面；2)結(jié)構(gòu)剛度大，電力行業(yè)對(duì)于過(guò)河電纜橋架有嚴(yán)格的變形控制要求，需要滿足電纜管線使用要求；3)結(jié)構(gòu)布置緊湊，河道上方空間限制多，要求過(guò)河電纜橋架結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)潔，盡量占據(jù)較小的河道空間；4)結(jié)構(gòu)重量輕，過(guò)河電纜橋架易采用空腹式結(jié)構(gòu)體系，盡量減小自身重量，降低河道兩岸電纜橋架橋墩支座的荷載，減小對(duì)基礎(chǔ)的作用；5)橋墩基礎(chǔ)穩(wěn)固，大跨度過(guò)河電纜橋架因其跨度大，整體荷載大，所有荷載全部作用于河道兩側(cè)的兩個(gè)橋墩支座上，基礎(chǔ)荷載大，承載力要求高，需采取可靠基礎(chǔ)形式確保過(guò)河電纜橋架基礎(chǔ)穩(wěn)固；6)電纜數(shù)量多，因城市電力線路選線復(fù)雜，穿越河道處電纜橋架一般為選線關(guān)鍵控制點(diǎn)，需要布置數(shù)量眾多的電力電纜，電纜密集，電纜管需布置緊湊才能最大限度的利用河道有限空間。

眾所周知，空間桁架結(jié)構(gòu)具有剛度大、自重輕、桿件布置靈活、材料利用率高等諸多優(yōu)勢(shì)[2]，相比于傳統(tǒng)的實(shí)腹式結(jié)構(gòu)，空間桁架這種結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于大跨度過(guò)河電纜橋架這樣的工程場(chǎng)景，有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與便捷性。

在滿足電力電纜對(duì)于過(guò)河橋架功能需求的前提條件下，可以通過(guò)采取合理的整體結(jié)構(gòu)布置與詳細(xì)的局部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)空間桁架式過(guò)河電纜橋架在電力行業(yè)中的廣泛應(yīng)用。

2 結(jié)構(gòu)概況

某上海市區(qū)內(nèi)高架橋下方河道內(nèi)需穿越電力管線，因處于鄰近地鐵隧道保護(hù)線范圍內(nèi)，無(wú)法采用頂管方式從河道正下方穿越，只能采用過(guò)河電纜橋架方式穿越。河道兩側(cè)緊鄰高架橋墩，無(wú)法就近設(shè)置過(guò)河電纜橋架橋墩支座，通過(guò)加大過(guò)河電纜橋架的跨度，以避讓高架橋墩基礎(chǔ)，致使過(guò)河電纜橋架跨度較大，橋架兩端尾部各設(shè)置一個(gè)電纜井，以承接過(guò)河電纜橋架內(nèi)通過(guò)的電纜并過(guò)渡至道路下方管線。過(guò)河電纜橋架(含電纜井)總平面圖如圖1所示。

過(guò)河電纜橋架跨度42.0 m，斷面尺寸2.0 m寬,1.5 m 高，如圖2所示，共布置3層電纜管，每層7孔，等距離均勻布設(shè)，電纜管管徑一般不超過(guò)200 mm，電纜管之間采用專用固定件固定于過(guò)河電纜橋架橫向腹桿上，橫向腹桿間距為1.5 m，如圖3所示。

過(guò)河電纜橋架采用空間桁架結(jié)構(gòu)形式，其中上、下弦桿截面規(guī)格為鋼管φ245 mm×16 mm、腹桿截面規(guī)格為鋼管φ121 mm×6 mm、支座立柱截面規(guī)格為鋼管φ351 mm×16 mm、支座腹桿截面規(guī)格為鋼管φ180 mm×10 mm，鋼管材質(zhì)均為Q235B，桁架桿件之間均采用等強(qiáng)相貫焊接的連接方式。過(guò)河電纜橋架(含電纜井)平面圖如圖4所示，縱立面圖如圖5所示。

為方便過(guò)河電纜橋架上、下弦桿的制作與運(yùn)輸，將4根上、下弦桿各分成3段，單段最大分節(jié)長(zhǎng)度不超過(guò)16.5 m，弦桿分節(jié)處采用螺栓法蘭盤(pán)連接，螺栓采用10.9級(jí)承壓型高強(qiáng)螺栓，分節(jié)位置一般選取在桿件內(nèi)力較小的部位，并適當(dāng)增加螺栓數(shù)量，遵循“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的設(shè)計(jì)原則。

過(guò)河電纜橋架兩端橋墩支座處均采用4立柱支撐形式，以剛接柱腳的形式固定于樁基承臺(tái)上，樁基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)，樁徑為0.60 m、樁長(zhǎng)為20.0 m，樁基承臺(tái)長(zhǎng)度為3.2 m、寬度為2.7 m、厚度為1.2 m。

過(guò)河電纜橋架兩端橋墩支座后方各設(shè)置一個(gè)電纜井，電纜井長(zhǎng)度凈尺寸為8.5 m、寬度凈尺寸為2.5 m、高度凈尺寸為1.9 m～4.4 m，電纜井采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)型式采用筏板基礎(chǔ)。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

本工程過(guò)河電纜橋架位于上海市，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50 a，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0?；撅L(fēng)壓：0.55 kN/m2，地面粗糙度類(lèi)別：B類(lèi)，基本雪壓：0.20 kN/m2?？拐鹪O(shè)防烈度7度，基本地震加速度0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅳ類(lèi)，設(shè)計(jì)特征周期為0.90 s。

過(guò)河電纜橋架采用國(guó)際通用有限元軟件SAP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，根據(jù)過(guò)河電纜橋架的結(jié)構(gòu)布置，建立空間桁架網(wǎng)格模型，如圖6所示。

過(guò)河電纜橋架結(jié)構(gòu)桿件的名稱、規(guī)格和材質(zhì)等基本信息詳見(jiàn)表1。

表1 過(guò)河電纜橋結(jié)構(gòu)桿件截面表

過(guò)河電纜橋架自重由程序自動(dòng)計(jì)算。電纜管(含電纜)重量以等效節(jié)點(diǎn)活荷載的形式輸入到等間距橫向腹桿上，節(jié)點(diǎn)活荷載取值為0.50 kN。風(fēng)荷載以節(jié)點(diǎn)荷載的形式輸入到等間距豎向腹桿上，節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載取值為0.65 kN。雪荷載以節(jié)點(diǎn)荷載的形式輸入到等間距橫向腹桿上，節(jié)點(diǎn)雪荷載取值為0.30 kN。

荷載組合根據(jù)國(guó)家規(guī)范GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[3]和GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016版)[4]確定，橋架鋼結(jié)構(gòu)桿件設(shè)計(jì)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[5]確定。

4 結(jié)果分析

經(jīng)有限元軟件SAP2000計(jì)算分析，過(guò)河電纜橋架結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2，表中主要列舉了結(jié)構(gòu)的前3個(gè)自振周期和自振頻率，根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理可知，結(jié)構(gòu)自振頻率與結(jié)構(gòu)剛度成正比關(guān)系，自振頻率越高，結(jié)構(gòu)剛度越大，過(guò)河電纜橋架前3個(gè)自振周期和自振頻率在設(shè)計(jì)合理范圍內(nèi)，其中第一自振頻率f1=2.444 Hz，由此可知，結(jié)構(gòu)剛度適宜，可以滿足電力管線對(duì)于過(guò)河電纜橋架結(jié)構(gòu)剛度的要求。

表2 過(guò)河電纜橋架結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

過(guò)河電纜橋架采用空間桁架結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式可以很好地發(fā)揮桿件的結(jié)構(gòu)效率，可以用盡量少的鋼材實(shí)現(xiàn)盡量多的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力主要以軸向受力為主，桿件規(guī)格主要以圓鋼管為主，可以充分利用鋼管各向結(jié)構(gòu)特性均一致的優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮材料特性，實(shí)現(xiàn)局部桿件與整體結(jié)構(gòu)“輕質(zhì)高強(qiáng)”的結(jié)構(gòu)目標(biāo)，是大跨度工程應(yīng)用場(chǎng)景首選的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式之一。

過(guò)河電纜橋架桿件軸力圖(云圖)如圖7所示，桿件軸力圖(數(shù)值圖)如圖8所示，桿件最大軸向拉力位于橋架跨中下弦桿和支座上弦桿，桿件最大軸向壓力位于橋架跨中上弦桿和支座下弦桿，整個(gè)橋架空腹式桁架結(jié)構(gòu)軸力圖可以類(lèi)比于實(shí)腹式連續(xù)梁彎矩圖，桁架結(jié)構(gòu)上下弦桿以軸力式力偶抵抗整體彎矩，腹桿以軸力抵抗整體剪力，將彎矩和剪力效應(yīng)轉(zhuǎn)換為軸力效應(yīng)，此種工程應(yīng)用場(chǎng)景特別適合于軸向受力性能良好的鋼管結(jié)構(gòu)。

根據(jù)SAP2000軟件計(jì)算結(jié)果，橋架弦桿最大軸向拉力為495.67 kN、最大軸向壓力為634.34 kN；支座立柱最大軸向拉力為415.86 kN、最大軸向壓力為602.72 kN；支座腹桿最大軸向壓力為489.85 kN。根據(jù)軸力圖可知，桿件的規(guī)格可以結(jié)合軸力計(jì)算結(jié)果相應(yīng)布置，即軸力大的部位選用截面規(guī)格大的桿件，軸力小的部位選用截面規(guī)格小的桿件，以此實(shí)現(xiàn)桿件的高效利用。

大跨度過(guò)河電纜橋架因跨越距離遠(yuǎn)，在橋架跨中會(huì)產(chǎn)生一定的豎向變形，在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，橋架跨中最大豎向位移為36.84 mm，過(guò)河電纜橋架結(jié)構(gòu)變形圖(云圖)如圖9所示、橋架結(jié)構(gòu)變形圖(數(shù)值圖)如圖10所示，相應(yīng)撓跨比為1/1 140，滿足GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于桁架結(jié)構(gòu)撓度允許值1/400的要求。

過(guò)河電纜橋架桿件應(yīng)力比圖如圖11所示，橋架弦桿最大應(yīng)力比為0.625，為桁架支座附近下弦桿；橋架腹桿最大應(yīng)力比為0.464，為桁架支座附近斜腹桿；支座立柱最大應(yīng)力比為0.505；支座弦桿最大應(yīng)力比為0.547；圖9中未顯示應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果的桿件，應(yīng)力比均控制在0.30以內(nèi)，整個(gè)過(guò)河電纜橋架桿件應(yīng)力分布合理，滿足GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于桿件應(yīng)力比不超過(guò)1.00的控制要求。

5 結(jié)論

本文以大跨度過(guò)河電纜橋架典型工程實(shí)例為切入點(diǎn)，詳細(xì)介紹了過(guò)河電纜橋架結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)計(jì)算與結(jié)果分析等各方面內(nèi)容，得出如下結(jié)論：1)大跨度過(guò)河電纜橋架是電力管線穿越河道上方空間的一種優(yōu)勢(shì)選擇方案。2)大跨度過(guò)河電纜橋架采用空間桁架結(jié)構(gòu)形式是合理高效的。3)大跨度過(guò)河電纜橋架結(jié)構(gòu)布置緊湊，結(jié)構(gòu)剛度適宜，桿件計(jì)算應(yīng)力合理，結(jié)構(gòu)變形易于控制，結(jié)構(gòu)特性顯著。大跨度過(guò)河電纜橋架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)潔高效、自重輕、跨越能力強(qiáng)、整體剛度大、桿件效率高、電力排管靈活多樣等諸多方面。

大跨度過(guò)河電纜橋架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在城市地下管線日益復(fù)雜的大背景下，很好地滿足了 電力電纜對(duì)于過(guò)河通道的實(shí)際性能需求，可以更好地實(shí)現(xiàn)空間桁架這種結(jié)構(gòu)形式在電力行業(yè)中的廣闊應(yīng)用。