給水管跨越障礙場地的結構計算分析

魏媛媛

(太原市自來水公司供水設計研究院，山西太原 030009)

城市供水管線在敷設過程中，經常遇到鐵路、公路、河流、排洪渠及污水渠等障礙場地，尤其是給水管穿越河渠地段時，給水管支撐間距按一般允許跨距滿足不了要求，或按一般管道施工規范，向下穿越河渠施工不能滿足障礙區有關規范、規程要求時，則必須采取其他特殊技術措施。

1 敷設形式及優缺點比較

1)給水管線向上跨越河渠的形式按其支撐結構可分為:縱梁式、吊索式管橋、懸索式管橋、加強管道、拱形管道等形式。給水管向下穿越河渠的形式按其敷設方法的不同可分為:埋地敷設、套管敷設、地溝敷設。

2)給水管線向上跨越河渠敷設的優缺點:能充分利用管材本身的承載能力;造價較為經濟;特別適用于大管徑的“柔性”管道;不宜用于脆性的或小直徑的管道。向下穿越河渠敷設的優缺點:大小管徑的各種材質的管道均能適用;不占用地上空間，有利于環境規劃;較為安全可靠;若不是嚴重潮濕的環境，對高低溫管道均能適用;熱穩定性好，特別是寒冷地區，間斷運行含有水分并有可能凍結的管道，或因散熱量較大難以保持介質的運行參數時，地下敷設可使運行狀況得以改善;但管線運行期進行維護搶修比較困難。

因此，給水管在實際施工敷設過程中，我們設計方建議采用向上跨越河渠架設給水管道，同時采取有效保溫措施，此種方式為今后管線管理部門提供維修空間，可以有效縮短搶修時間，保證市民的正常用水，減少供需水方的矛盾糾紛。

2 材料要求

給水管向上跨越河渠管體材料采用Q235B鋼，優先采用鎮靜鋼。

焊接材料:手工焊采用的焊條應符合現行國家標準GB/T 5117碳鋼焊條的規定。選擇的焊條型號應與主體金屬力學性能相適應。自動焊或半自動焊采用的焊絲和相應的焊劑應與主體金屬力學性能相適應，并應符合國家現行標準的規定。

預埋件及配件:Q235鋼，寒冷地區宜采用Q235B鋼。

支座混凝土:一般地區采用C25，寒冷地區采用C30，且應滿足抗凍要求。

支墩材料:根據支墩所處地質條件及高度等因素確定，多采用漿砌毛石砌體、素混凝土、鋼筋混凝土等結構形式。

給水管內防腐材料:當采用水泥砂漿作為內防腐材料時，其材料應滿足CECS 10∶89埋地給水鋼管道水泥砂漿襯里技術標準要求。當采用其他材料作為內防腐材料時，對飲用水管，其材料應滿足GB/T 17219-1998生活飲用水輸配水設備及防護材料的安全性評價標準要求，多采用無毒環氧涂料防腐。

外防腐材料:鋼管外防腐采用環氧煤瀝青四油二布加強級防腐，質量要求應符合SY/T 0447-96埋地鋼制管道環氧煤瀝青防腐層技術標準。

保溫層材料:多采用填充蛭石粉保溫，保溫層材料重量應不大于0.2 kN/m2(管道外表面積)。

3 架空段給水管設計要求

管道架空段縱向坡度不大于0.05且不得轉彎。

對多跨給水管建議采用等跨布置。若需采用不等跨布置，則相鄰跨度差應不大于5%。

管道架空段與基岸的布置形式可以是兩端水平深入(見圖1a))、一端水平伸入一端斜彎入土中(見圖1b))、兩端斜彎入土中(見圖1c))。

圖1 管道架空段與基岸的布置形式

對于兩端水平伸入基岸的管道，應在其兩端進入基岸后的適當位置設置伸縮節接頭。對于一端水平一端斜彎的管道，應在其水平伸入端進入基岸后的適當位置設置伸縮節接頭。

為減少溫差所產生的溫度應力，對斜彎入土的管道，其斜彎段長度應不小于有關規范要求。

為避免多跨架空鋼管因溫差引起的伸縮變形量過大而影響入土斜彎段的受力，管道架空段總長度不宜大于105 m。當管道架空段總長度大于105 m時，宜設伸縮節接頭，同時應設置支墩以抵抗由于管內壓力所產生的水平推力。

給水管兩端應設置扇狀鋼筋防護欄，以免行人穿行管道發生危險。

架空管道跨越河道時，管底應高出設計最高水位不小于1.0 m，有航道要求時應按航道部門的要求確定。

為消除壓力管道在運行中由于積存氣體而產生顫動，應在管道適當位置設置自動排氣閥。

4 給水管最大允許跨度的計算分析

管道允許跨度的大小直接決定管道支墩的數量和可能跨越的最大距離。管道的允許跨度取決于管材的強度，管道截面的剛度，外荷載的大小，管道敷設坡度以及管道允許的最大撓度。給水管的允許跨度可按強度和剛度兩個條件確定。

4.1 按強度條件確定給水管的跨度

給水管斷面上的最大應力不得超過管材的許用應力，以保證給水管安全運行。根據這一原則所確定的管道允許跨度，稱為按強度條件確定的管道跨度，計算公式如下:

1)對于連續敷設的水平管道:

2)對于盡端直管的管道:

其中，［σw］為許用外載綜合應力;W為管道抗彎截面系數，為橫向焊接系數;q為給水管單位長度計算重量，N/cm;D為給水管外徑，cm;α為給水管內徑與外徑比。

4.2 按剛度條件確定管道的跨度

給水管在一定跨度下會有一定的撓度，根據對撓度的限制所確定的管道允許跨度稱為按剛度條件確定的管道跨度。

管道通常會有0.002～0.003或更大的坡度，如果設計中不區別情況一律不允許管道存在反坡情況，會使跨度縮小，支墩布置變密。因此應考慮管道輸送介質的情況，合理確定最大允許撓度，以擴大管道的允許跨度。由于城市供水管網輸送有壓流體，可按允許有一定程度反坡的情況考慮。

1)對于連續敷設的水平直管:

其中，L，L1，L2為跨距，cm;X為管道支座到管子最大撓曲面的距離，cm;E為材料的彈性模數，MPa;J為慣性矩，cm4;q為管道單位長度重量，N/cm;DN為管道工程直徑，cm;i為管道坡度。

需用試差法解聯立方程式，直到L1=L2為止。

2)對于盡端直管:

解法同1)。

5 支座及支墩的設計計算

工程設計人員在進行支墩設計時，應先明確給水管每延米的永久荷載、可變荷載及地震作用標準值。工程設計中，應根據支墩材料、結構形式的需要，自行進行荷載組合，以便進行支墩的強度、穩定性及裂縫控制等計算。給水管支墩的位置應盡量遠離現有建、構筑物，且支墩基礎的埋深不宜大于現有建、構筑物基礎。特殊地區環境，應采取臨時加固支撐、打板樁等施工措施。

支墩基礎埋深應考慮地基的凍脹性和沖刷深度。對于凍脹性地基，基礎埋深按GB 50007-2002建筑地基基礎設計規范中有關條例確定。對于沖刷地基，基礎最小埋深也應滿足有關要求。管道支墩基坑的回填土應分層壓實，壓實系數不低于0.95。回填土中不得含有淤泥、凍土、腐殖土、雜草、樹根等。位于岸邊的支墩，應在支墩的兩側及墩前設置錐形護坡，護坡坡度高:寬不大于1∶0.58。對于砌體支墩，在其頂部應設置連接件與支座混凝土可靠連接，確保支座在水平力作用下的安全。

在具體工程設計中，支墩材料各不相同，有砌體、混凝土或鋼筋混凝土，結構形式也各不相同，有墩體結構、構架式結構，其所需的荷載組合也不盡相同。水平及垂直荷載組合值:根據管徑及管壁設計厚度和管道是否保溫，按抗震設防烈度直接查取有關標準圖集中作用于管道的水平及垂直荷載基本組合值，用于支墩強度計算;根據管道是否保溫，按管壁設計厚度查取作用于管道的水平及垂直荷載標準組合值，用于地基承載力驗算。永久、可變荷載標準值及地震作用標準值:根據管徑及管壁設計厚度和管道是否保溫，按抗震設防烈度直接查取作用于管道的水平及垂直荷載標準值，用于支墩穩定性及裂縫控制驗算的荷載組合計算，荷載組合按相關規范執行。

荷載基本組合值:按地震組合:恒載+地震作用+雪荷載、恒載+地震作用+風荷載、恒載+地震作用+檢修荷載;非地震組合:恒載+雪荷載、恒載+風荷載、恒載+檢修荷載共六種組合情況分別乘以相應的分項系數及組合系數，取其中最大值。荷載標準組合值:按恒載+雪荷載、恒載+風荷載、恒載+檢修荷載三種組合情況分別乘以相應的組合系數，取其中最大值。

地基承載力計算包括基礎底面所受的彎矩計算、基礎底面抵抗矩計算，最后進行地基承載力驗算，看是否滿足壓力值。

支墩強度計算包括驗算截面所受的彎矩計算、驗算截面抵抗矩、彎矩作用平面內受壓承載力驗算、支墩沿管軸平面的承載力計算，當驗算不能滿足要求時，應重新調整相關尺寸，直至滿足設計要求為止。