日本水管橋特征及設計流程

遇欣 王喜亭

摘要：水管橋，也叫做水道橋或水路橋，以跨越河流和山谷運送水為目的所設置的橋梁，其用途包括：輸送上水（自來水）、工業用水、農業用水、下水（污水）等。本文中將對于水管橋的配置計劃以及水管橋的配置細節進行描述，并配合日本補剛型水管橋的設計流程加以說明。希望給予我國橋梁設計者和建設者以借鑒，對今后的水管橋設計提供一定的技術支持與設計參考。

關鍵詞：水管橋；補剛型水管橋；環形支持構造；桁架形式

當輸水管道遇到河流、山谷時，要管道跨越山谷或河流提供對策時，在現地沒有公路橋或鐵路橋的情況下，一般大多選擇采用建造水管橋作為解決對策。相較于在地下埋設管線，水管橋無論在施工難度、工程造價方面都具有先天優勢。當然水管橋也因為裸露在外，會受到空氣，雨水的侵蝕。所以，在水管橋建成后對于水管橋的防蝕防銹以及定期維護也是很重要一環。

近年來我國經濟的高速增長，西部大開發也是我國的一項基本政策，有鑒于我國西部一些地區多山的地貌形態，筆者認為對于水管橋的設計建造需求有可能上升。

1用語的定義

（1）水管橋：按種類可分為獨立水管橋、添架水管橋。

（2）獨立水管橋：指專為輸水配線而設置建造的水管橋，按構造形式又可分為直通型水管橋、補剛型水管橋、添架專用橋。

（3）添架水管橋：指添架在既有的道路橋上來實現輸水功能的水管橋。

（4）補剛型水管橋：指三角形的桁架構造形式水管橋。用比較細的管材在水管橋中，作為上弦材，下弦材一般采用中小口徑通水管材，從而有效利用通水管的特性。

（5）環形支持構造：水管橋上對于水管的支撐支撐構造。

（6）桁架形式：一種由桿件彼此在兩端用鉸鏈連接而成的結構。

2調查與計劃

2.1調查

（1）輸水配線計劃

輸水配線計劃，一般來說我們通過結合規劃路線選項，選用較為經濟的路線來確定水管橋的大略規劃路線。除了需要對橋梁的架設用地及施工時對公共交通的影響程度進行一般性調查之外、還需要對以下Ⅱ項目中的各項調查結果綜合考慮來決定最佳，最有利的架設位置。除此之外，通過計算確定輸水管的管徑、流速、管內壓，也能得到水管橋設計的必要條件。

（2）地形的踏勘、測量

在架設位置的周圍進行現場地形的調查。測量，是根據水管橋的規模，以暫定的測量基準點在架設地點附近進行測量。據此繪制對設計和架設十分重要的平面圖和縱斷圖。

（3）地質調查

對地盤的性質、構成、地下水位、地盤耐力進行調查，確定下部構造的位置、橋梁基礎工程以及施工方法選定，并在此基礎上來決定橋長和跨徑。此外，還應該根據地盤調查的結果、地盤的固有周期進行耐震設計。

（4）氣象調查

對橋梁架設地域的風速、降雨、積雪、氣溫等進行調查，并據此選定設計條件、材料選定、施工方法及施工時間。

（5）河川概況調查

在對河流的流量、流速、水位、流向、航行船只、漂浮物狀況及水利設施做充分調查后，得到決定跨徑和下部構造位置、高度、形式的重要參考條件。同時，在設計的也必須嚴格遵守國家有關河流管理的相關法律法規。

（6）橋梁架設地域固有問題及其他

調查架設地點附近的道路狀況、地震、地盤錯動、發生洪水的概率和規模等，作為橋梁計劃的參考條件。

2.2計劃

在水管橋的計劃階段必須要對之前的調查事項進行周密的考量和研討。再對架橋位置、橋長、跨徑分割、采用形式及設計、部件運輸、架設、保障等各事項的充分考量的基礎之上，訂定出在施工造價的經濟性上、安全性上、美觀性上為最優的設計方案。

3水管橋的構造形式

（1）獨立水管橋

構造形式：直通型水管橋、補剛水管橋

補剛水管橋：①法蘭補剛式②桁架式（四角桁架，三角桁架）③固定拱式④拱補剛式（板樁橫檔，洛澤，尼爾森）⑤斜拉橋式

（2）添架水管橋

在既有公路橋，鐵路橋桁內或桁外設置支持梁，添架水管的方法就是添架水管橋的形式。

（3）形式選定

根據現地調查得出的條件結合以上構造形式特點，選擇水管橋形式。

4載荷的考慮

水管橋的載荷分為主要載荷和次要載荷。主要載荷其中又有，管內壓（靜水壓）、鋼材自重、水重、積雪載荷。其中水重的算出原則上應該假想成管內是滿水的情況，根據輸水要求的不同也可以采用半充水狀態的水重進行計算。在流體是水以外的情況下，必須通過流體的單位體積重量計算得出。

次要荷重包括風載荷、溫度變化量、地震載荷、通行載荷、外部壓以及水的沖擊載荷。

同時選擇其中最不利的載荷要素，進行疊加載荷計算也是需要著重考慮的。例如：Ⅰ.主要載荷、Ⅱ.主要載荷+溫度變化影響、Ⅲ.主要載荷+主要載荷+溫度變化影響+地震載荷等情況。

5鋼材材料

由于日本的JIS標準與我國GB標準不同，在這里暫不詳細說明。原則上應該采用與我國實際情況相符合的符合國家標準的鋼材材料進行建造。

6許容應力度

許容応力度的包括主要部材，補剛材的許容應力度、接合用鋼材的許容應力度的、焊接部的許容応力度以及許容應力度的增補。以上要素需要根據設置水道橋的實際情況，參考「日」《水管橋設計基準》一書得出。

7撓度的容許值

雖然作用于水管橋的載荷，除了其自重和管內水重之外的類似于鋼制公路橋，鐵路橋上由于車輛通行或行人通行所產生的活載荷基本可以忽略不計。但是，為了確保由變形產生的二次應力不對水管橋的安全性造成威脅，保證水管橋的全體剛性，我們就要設定其撓度的許容值。許容值的確定公式如下。直通型水管橋L/350、法蘭補剛形式L/350、桁架形式L/500、拱補剛形式L/500、斜拉橋形式L/400。L為跨徑長（m）。

8部件及構造、焊接部的關聯事項

需要考慮和設計的事項包括，鋼材的最小板厚，是否采用補剛材，格點部的分歧連接及其構造，單一鋼管部件，有效壓彎長，部件的細長比，反撓度計算，焊接接口的設計，高力螺栓及摩擦連接的設計，螺栓中心距離，螺栓中心距邊距離和螺栓接合面的處理等。以及當水管橋采用吊橋或斜拉橋的形式時，纜線類型的選擇、纜線楊氏模量的選擇、纜線的許容值選用、纜線的固定及防腐蝕處理。除此之外，有可能在使用到的構造還包括，伸縮可撓管、空氣閥門、檢查升降孔、通路、防攀越柵欄、落梁防止構造。都需要設計者根據水管橋設計的實際情況進行設置。

9支撐部件

支撐部件的形式分為：環形支持構造形式以及鞍座支持構造形式，其二者存在很大的差別。環形支持支撐是將環形支撐直接與鋼管部件焊接，以起到補強和支撐的作用；鞍座支持支撐是將鋼管部件置于其上起到支撐作用的。獨立水管橋一般采用環形支撐；而添架水管橋一般采用鞍座支持支撐。

由于支撐承載了把上部工構造載荷傳遞到下部構造的重要功能，是橋梁構造中非常重要的部分。因此，設計時需要考慮設計荷載、移動量、轉動量及轉動方向、摩擦系數、支撐的特性。同時也需要在保證支撐的耐用性和經濟性的方針下進行詳細設計。

10水管橋的設計流程

一、研討項目：對應力度，壓彎長，撓度，傾倒的安全性驗證以及上部構造反力的概算。二、應力度驗證：圓周方向應力度，管軸方向應力度，軸向力及產生彎矩部材，剪斷應力度，合生應力度。三、對壓彎長照查計算。四、對撓度照查計算。五、對傾倒的照查計算。六、上部構造反力的算出。七、支撐部設計：環形支持構造設計或者鞍座支持構造設計。

結束語

綜上所述，水管橋相較于公路橋、鐵路橋的結構相對簡單，設計與施工周期也都相對較短。隨著我國經濟的繼續不斷推進，相信水管橋的建設在橋梁建設中也是不可缺少的一部分。因此，對于水管橋設計的研究和學習，也是道橋工程中重要的一環。

參考文獻

[1]WSP水管橋設計基準（改正4版）.日本水道鋼管協會，H11.

[2]道路橋示方書同解說，I共通篇[R].東京：日本道路協會，2012.

（作者單位：大連日中技研有限公司）