DN600 mm輸水管道隨橋架設工程應用實例介紹

周乃磊,劉世宇,盧洋暘

(中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市300074)

DN600 mm輸水管道隨橋架設工程應用實例介紹

周乃磊,劉世宇,盧洋暘

(中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市300074)

以新農至西中島公路跨海連接線通道大橋工程為例，介紹三根DN600 mm輸水管道隨橋敷設中管道支架的布置形式，以及隨橋敷設管道設計中的水錘處理、熱脹冷縮處理及保溫防腐處理等設計節點。

管道隨橋敷設；水錘作用；熱脹冷縮；保溫

0 引言

隨著城市的發展與拓展，作為通行功能的橋梁是必不可少的，而管線由于城市的布局與發展，不可避免要跨越江河。一些管線依附于通行功能橋梁進行跨越，如一些中低壓的電力管線、通信管線。這些管線本身的自重較小，管線本身有相應的保護措施，在隨橋梁敷設時對橋梁結構影響較小。但是，有動力的管線如給水、中水管線、供熱管線等，由于其管線本身的構造特點，對橋梁結構的影響較大[1，2]。本文通過工程實例介紹三根DN600 mm的輸水管線隨橋敷設過程中的管道設計及橋梁相關節點設計，為類似管道隨橋敷設的工程提供參考。

1 管道隨橋架設形式分析

當確定管線采用隨橋敷設的形式越過障礙物時，就不可避免與橋梁工程相互影響。好的管線隨橋敷設形式對縮短建設工期、提高道路的美觀性有著重要的意義。

該工程為新建項目,故僅考慮管線與新建橋梁同步設計的情況,管道隨橋敷設的常用形式可分為如下幾種（見圖1）：

圖1 管道隨橋敷設的常用形式示意圖

（1）管線敷設在橋面兩側外翼；

（2）管線敷設在墩（臺）蓋梁上；

（3）管線置于箱梁中；

（4）管線外掛在箱梁懸臂下。

在以上4種管線隨橋敷設的形式中，第一種形式管線放置在橋面上，需加寬橋面的寬度，單獨放置管線。這會增大橋梁的建設界面積，從而增加投資，而且這種敷設形式的景觀效果最差。第二種形式是利用管線的自身跨越能力，將管線放置在蓋梁上，一般適用于中小跨徑的板梁。如果主橋的跨徑比較大，就需要架設桁架等專門結構支撐管線過橋，從而增加了設計和施工的難度，也增加了工程投資。第三種形式管線置于箱梁中，這種形式對橋梁外形美觀有很好的效果，同時它減小了管線車撞的可能性，但是管線一旦破裂，維修困難，給橋梁結構帶來巨大的安全隱患。第四種形式對于長度較長跨越江河的橋梁比較適用。利用箱梁的懸臂特點，將管線外掛在懸臂下方，不占用橋梁的空間。缺點是如果橋梁較長，管線的附屬構造占用比較大的空間。支架的設置對橋梁結構影響較大，管線在橋面下維護不方便。結合該工程實際情況和景觀要求,故采用的是第四種管線隨橋敷設的布置形式。

2 工程背景

該工程為新農至西中島公路 (交流島至通水溝)k10+575.000大橋。大橋位于新農至西中島公路，西起西中島跨越董家口灣，東至駱駝島。橋梁采用上下行雙幅橋設計，全寬為30 m。橋梁位于直線段，修筑起點樁號為K10+097.100，修筑終點樁號K11+052.900，橋梁全長955.8 m。橋梁外掛兩根DN600給水管線和一根DN600再生水管線,管線均外掛在箱梁懸臂上隨橋敷設。

3 管線的形式及構造

該工程給水管線設置在兩幅橋中間，再生水敷設在其中一幅的外側。管道支架每15 m設置一座，管道材質鋼管材質為Q235B，壁厚為14 mm。管線布置位置見圖2。

圖2 管道橋梁段敷設位置(單位:cm)

管線均用懸臂外掛形式，懸臂根據要求設置在梁體、蓋梁和橋臺處。布置形式見圖3。

圖3 管道懸臂外掛形式設計圖

該工程管道布置主要優點:（1）節省材料，管線施工與橋梁建設同步進行,縮短整體建設工期；（2）建設期間工程投資較少，此部分主要為管線穿越海水交換通道的費用；（3）可以滿足管線維修要求，便于后期管理。但是該工程也有其缺點：（1）管線外露，影響橋梁景觀效果，且易受到人為性破壞；（2）管線受海風及光照侵蝕的影響，鋼構件及管線需要做防腐保養，后期維護成本大；（3)由于工程地處東北地區，冬季室外溫度較低，管線需做好保溫結構和日常養護工作。

4 主要工程技術節點

由于該項目管道管徑為DN600 mm，再加上輸送介質本身的重量和管道在工作時產生的推力，管道需要的保溫、熱脹冷縮等多種作用均會對橋梁結構產生一定的影響。因此，在管道隨橋梁敷設的設計中，管道設計必須對各個節點進行優化設計，避免對橋梁安全產生影響。

4.1 削減“水錘”作用

給水管道在輸水的過程中由于受到管中水流速和動量突然發生變化會產生水錘作用。對于支撐過水管線的主橋結構而言，水錘直接引起急劇變化的管線壓力可以看作自平衡內力，通過支座傳遞至橋梁結構的瞬時荷載可以忽略。但是水錘以機械波的形式傳遞，引發的周期性的管線振動對橋梁結構存在威脅。該工程主要通過采用滑動支墩設計和橋頭兩端入土段管道設置拖拉墩方式，削減水錘的作用力。

管道與橋梁支架間均采用滑動支座結構形式。管道與鋼架支座間設置弧形托板（t=16 mm）及肋槽，下部與輥軸墊槽連接，墊槽內放置輥軸（d=30 mm）。為減少共振影響，在輥軸墊槽下部設置橡膠墊片（尺寸：564 mm×394 mm×20 mm）,支座設計詳見圖4。

圖4 管道滑動支架設計圖（單位:mm）

拖拉墩設置在橋頭兩端入土段管道，拖拉段長度3 m，采用鋼筋混凝土結構，管道外壁上焊制剪力銷，外包混凝土厚度80 cm,拖拉墩設計詳見圖5。

圖5 拖拉段設計圖(單位:cm)

4.2 管道熱脹冷縮處理

給水管徑DN600 mm，管材為螺旋縫埋弧焊接鋼管，材質為Q235B，管道壁厚14 mm，管道工作壓力0.6 MPa。管道采用焊接連接。給水管道下設置支座，支座間距不大于15 m，橋梁段均為滑動支座，管道兩端入土段內設置拖拉墩作為固定端，管道總長955.8 m，內設置4個方形補償器。固定支座承受管道熱脹冷縮變形產生的水平推力，使管道在固定支座處不產生位移。方形補償器補償量用于補償管道熱脹冷縮變形量。

管材受熱后的線膨脹量，按下式進行計算：

式中:ΔL為管道熱膨脹伸長量，m；α為管材的線膨脹系數(1/K)或(1/℃)；t2為管道運行時的介質溫度，℃；t1為管道安裝時的溫度，℃；L為計算管段的長度，m。

經計算：ΔL=α·Δt·L=0.000 012×15×955.8= 0.172 m=172 mm

管道熱伸長量為172 mm。考慮到補償器的后期維修與管理方便，故該工程采用方形補償器的自然補償，單根管線全線設置4座補償器，尺寸為高×長=4 m×4 m，可以滿足全線管道變形量要求。

由于全線均采用方形補償器的自然補償方式，故在每個自然補償器高點處均設置排氣閥一座，避免氣蝕對于補償器彎頭端的長時間侵蝕。

4.3 管道保溫及防腐處理

由于該工程地處東北，且為外露管道，同時橋梁穿越段為海水交換通道，故對管道的保溫及保溫外防腐設計提出了一定要求。

該工程管道保溫采用超細玻璃棉制品,要求保溫層厚度為100 mm，技術指標滿足如下要求：密度≤40 kg/m3，導熱系數＜0.026 w/m℃，耐熱性＜400℃。為避免海水蒸發腐蝕作用，故管道外保護層選用0.5 mm厚的鍍鋅薄鋼板外刷防腐漆（同鋼桁架防腐漆）,管道絕熱層做法結構見圖6。

圖6 絕熱層做法結構圖

4.3.1 絕熱層的要求

（1）絕熱材料棉氈用于管道絕熱，施工時應使棉氈緊貼于管道表面，用鍍鋅鐵絲扎緊，捆扎間距為200～400 mm。

（2）管道支座、吊架以及法蘭、閥門和出入孔等部位，在整體絕熱時留一定裝卸間隙，待整體絕熱及保護層施工完畢后，再做局部絕熱處理，并注意施工完畢的絕熱結構不得妨礙活動支座的滑動。

4.3.2 保護層要求

（1）玻璃布：以螺紋狀緊纏在絕熱層外，前后搭接約50 mm，自低向高處施工，布帶兩端和每隔3 m處用鍍鋅鐵絲捆扎。

（2）玻璃布乳化瀝青涂層：在纏好的玻璃布外表面涂刷乳化瀝青，用量為2～3kg/m2，涂刷兩道，第二道需在第一道干燥后進行。

4.3.3 金屬保護層的要求

（1）安裝前，先將金屬板兩邊彎出兩道半圓凸緣后再將凸緣對其安裝。

（2）水平管道絕熱，可直接將金屬板卷合在絕熱層外，按管道坡向自下而上施工，兩板環向半圓凸緣重疊，縱向搭口向下，搭接處重合50 mm。

（3）考慮管道運行受熱膨脹位移，金屬保護層應在伸縮方向留適當活動搭口。

5 工程結論

該工程有效解決了大口徑管道長距離隨橋敷設問題和管道后期的使用和維護。同時，在管道的設計中通過各個節點的優化處置，避免管道作用橋梁結構的影響。實踐證明，DN600 mm的輸水管道可以安全隨橋架設。該工程不僅縮短了整體建設工期，也大大降低了管道部分建設投資。該工程的建設為后期類似工程的建設提供了一定的參考。

[1]劉藝.管道應力計算軟件在隨橋燃氣管道的應用[J].煤氣與熱力,2009（5）:32-35.

[2]趙海燕,魏麗,戴熒.跨海大管徑給水管道隨橋敷設問題研究[J].公路,20011（7）:149-151.

運營里程世界第一 客流量世界第二 上海地鐵可靠度提升15倍

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TU990.3

B

1009-7716（2017）04-0116-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.034

2017-02-14

周乃磊（1985-），男，天津人,工程師，從事市政給水排水設計工作。