管線橋結(jié)構(gòu)中支座與轉(zhuǎn)角支墩的設(shè)計(jì)

金珍曉 張國(guó)鋒

摘 要：本文以“黃路港管線橋”工程為例，依據(jù)相應(yīng)的規(guī)范來(lái)闡述管線橋設(shè)計(jì)中支座與轉(zhuǎn)角支墩的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，主要由以下三點(diǎn)：1）上部結(jié)構(gòu)建模計(jì)算時(shí)，需要將兩側(cè)的斜直段鋼管作為整體結(jié)構(gòu)的一部分進(jìn)行分析計(jì)算；2）支座的寬度會(huì)影響鋼管管壁的組合應(yīng)力，管壁截面上不同的位置其組合應(yīng)力情況不同，需要分別計(jì)算進(jìn)行比較；3）設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角支墩時(shí)，規(guī)范圖集中工況考慮不周全，需要對(duì)水平和豎直抵抗力分別進(jìn)行驗(yàn)算，若抵抗力不滿足要求，則根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施。

關(guān)鍵詞：管線橋；支座；轉(zhuǎn)角支墩；應(yīng)力

前言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，生活水平日益提高，城市供水需求大幅度提升，自來(lái)水供水管網(wǎng)在現(xiàn)代城市生活中扮演著越來(lái)越重要的角色。當(dāng)供水管道的設(shè)計(jì)路線遭遇河道時(shí)，時(shí)常因附近地形或周邊橋梁的結(jié)構(gòu)限制，無(wú)法從附近橋上通過(guò)，需要新建管橋以供管道過(guò)河。管線橋是供水管網(wǎng)中重要的組成部分，其結(jié)構(gòu)形式較為簡(jiǎn)單，在管線過(guò)河的設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。

管線橋結(jié)構(gòu)中，管道支座以及轉(zhuǎn)角支墩作為重要的組成部分，負(fù)責(zé)將上部荷載傳遞至地基或基礎(chǔ)上。管道支座寬度的選取影響上部鋼管支座處的截面組合應(yīng)力，當(dāng)寬度過(guò)小時(shí)，會(huì)到導(dǎo)致應(yīng)力過(guò)大而使管道發(fā)生破壞。轉(zhuǎn)角支墩設(shè)置在管道入地的彎管接頭處，該處的受力組成部分為內(nèi)水壓力引起的豎直與水平方向上的分力。豎直分力由地基承受，當(dāng)?shù)鼗休d力不足時(shí)，需要打樁或者進(jìn)行地基處理；水平分力由支墩的水平抗推力抵消，支墩的水平抗推力由地面摩擦力與土壓力組成，當(dāng)支墩水平抗推力不足時(shí)，需要保證管道直埋段的長(zhǎng)度，確保不會(huì)發(fā)生位移。

本文以“原南匯區(qū)域老舊供水管網(wǎng)改造工程”中的黃路港管線橋?yàn)槔接懝芫€橋結(jié)構(gòu)中管道支座與轉(zhuǎn)角支墩的設(shè)計(jì)。

1 工程概況

黃路港管線橋位于上海市浦東新區(qū)G1501公路沿線，其跨徑為17+20+17=54m，管線橋正交布置，試水水壓力為Fwdk=1.1N/mm2。上部結(jié)構(gòu)采用DN1200鋼管，鋼材型號(hào)為Q235B，計(jì)算外半徑R=610mm，支座處計(jì)算壁厚t=16mm，結(jié)構(gòu)形式為連續(xù)梁結(jié)構(gòu)；下部結(jié)構(gòu)采用排架式樁墩，樁基為?600鉆孔灌注樁；管線橋兩側(cè)彎頭角度為45°，入地轉(zhuǎn)角處采用鋼筋混凝土支墩支撐。

2上部結(jié)構(gòu)建模計(jì)算

本工程中管線橋?yàn)槿绮贾茫Ｓ?jì)算時(shí)需要將兩側(cè)斜直段一起考慮進(jìn)去（見(jiàn)下圖），因?yàn)樾敝倍紊系暮奢d一部分作用在邊墩及其上面的支座上，如不考慮這部分荷載，則邊墩以及支座上的受力偏小。

利用Midas建模計(jì)算，支座處計(jì)算結(jié)果如下：

M支座=756kNm，V左=V右=235kN

3支座寬度的選取

管線橋上部鋼管的支座（管托）主要依據(jù)《CECS 214-2006自承式給水鋼管跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行設(shè)計(jì)。本工程采用的支座為鞍式鋼管托，其支承半角θ為90°，寬度B為800mm。

在外部荷載的作用下，支座寬度會(huì)對(duì)鋼管截面的組合應(yīng)力σ產(chǎn)生影響，其計(jì)算公式如下：

式中：σθ為截面環(huán)向拉應(yīng)力，σx為截面軸向拉（壓）應(yīng)力，τ為截面剪應(yīng)力。

1）截面環(huán)向拉應(yīng)力σθ

截面環(huán)向拉應(yīng)力由支座處環(huán)向拉應(yīng)力σMθ以及內(nèi)水壓力引起的環(huán)向拉應(yīng)力σFWθ組成。

1、支座處環(huán)向拉應(yīng)力σMθ

對(duì)于鞍式支座，環(huán)向彎矩的作用范圍L為支座寬度B以及兩側(cè) 之間，需要分別計(jì)算A、B、C三處（見(jiàn)下圖）截面環(huán)向拉應(yīng)力，取最大值。由于本次工程采用的支座支承半角為90°，B、C兩點(diǎn)重合，故只需考慮其中一處。

κ為環(huán)向彎矩系數(shù)，取值于《自承式給水鋼管跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（CECS214：2006）表6.1.3.1。

管壁截面環(huán)向抵抗矩為

2、內(nèi)水壓力引起的環(huán)向拉應(yīng)力σFWθ

2）截面軸向應(yīng)力σx

截面軸向應(yīng)力由外部荷載引起的彎曲應(yīng)力、由溫差引起的溫度應(yīng)力以及鋼管與支座之間的摩擦力組成。

1、外部荷載引起的彎曲應(yīng)力

2、由溫差引起的溫度應(yīng)力

鋼管受到溫差作用ΔT由工藝提供，此處取值25℃。

3、鋼管與支座之間的摩擦應(yīng)力

鋼管與支座之間摩擦系數(shù)μ由工藝提供，此處取值為0.5。

如圖2-1所示，對(duì)于鞍式支座，管道截面A點(diǎn)不與底部管托接觸，無(wú)摩擦應(yīng)力，B、C點(diǎn)位于截面中線上，無(wú)彎矩引起應(yīng)力，因此截面軸向應(yīng)力如下：

3）截面剪應(yīng)力τ

鋼管在外部荷載的作用下，支座處產(chǎn)生的管壁剪應(yīng)力為：

根據(jù)上述應(yīng)力計(jì)算的結(jié)果，支座處截面A、C兩點(diǎn)（見(jiàn)圖2-1）可能的組合應(yīng)力σ共有8中情況，分別計(jì)算，取其最大值，得出

本次供水管采用的鋼材為Q235B，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) ，故

綜上所述，本管線橋采用800mm寬度的鞍式支座滿足供水鋼管的強(qiáng)度要求。若供水鋼管強(qiáng)度不夠，除了加大支座寬度以外，亦可對(duì)支座處的鋼管進(jìn)行局部加厚，范圍為支座兩側(cè)較大跨徑的10%。

4轉(zhuǎn)角支墩的設(shè)計(jì)

供水鋼管的內(nèi)水壓力會(huì)在彎頭處的管道截面上產(chǎn)生外推力，若彎頭接口的強(qiáng)度不足，會(huì)使鋼管發(fā)生脫開(kāi)現(xiàn)象，導(dǎo)致漏水，因此需要在鋼管彎頭出設(shè)置轉(zhuǎn)角支墩，避免上事故的產(chǎn)生。支墩上的作用力主要為管道截面上的外推力引起的水平與豎直方向上的分力，水平方向的分力主要由土壓力以及支墩與地面的摩擦力抵消，豎直方向上的分力則由地基承擔(dān)。

轉(zhuǎn)角支墩主要根據(jù)《10S505柔性接口給水管道支墩?qǐng)D集》進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)以及驗(yàn)算。本工程中，支墩尺寸為：

墩頂埋深h1為2.2m，墩底埋深h2為4.2m，投影長(zhǎng)度La=4.42m，體積V=32.82m3，所在土層的土壤內(nèi)部摩擦角為20°

本工程中，供水管道的工作試水壓力Fwdk=1.1N/mm2，產(chǎn)生的管道外截面外推力為

彎頭的角度ψ為45°，產(chǎn)生的水平分力與豎直分力為。

1）水平方向抵抗力驗(yàn)算

轉(zhuǎn)角支墩水平抵抗力由被動(dòng)土壓力與摩擦力組成。被動(dòng)土壓力的大小為

由于供水管道在進(jìn)行壓力測(cè)試時(shí)，轉(zhuǎn)角支墩的上部覆土?xí)煌陂_(kāi)，因此計(jì)算摩擦力時(shí)，不考慮支墩上部覆土的重量。

綜上所述，本工程中，支墩的水平抵抗力為

T1+T2=1459.20kN>1.5·H=357.13kN

支墩水平抗推能力滿足要求。若支墩的水平抗推能力不滿足要求，根據(jù)《CECS141：2002 給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》，需要在支墩后方保證一定長(zhǎng)度的鋼管直埋段，利用鋼管與土壤之間的摩擦力增加水平抗推能力，鋼管直埋段的L的計(jì)算公式如下：

其中，F(xiàn)fk為管道單位長(zhǎng)度摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值，Ks為抗滑穩(wěn)定性系數(shù)（Ks=1.5）， 為鋼管與土壤之間的摩擦系數(shù)，一般取值為0.25～0.4。

2）地基承載力驗(yàn)算

轉(zhuǎn)角支墩所在位置上的豎直方向上的力由外推力豎直方向上的分力、覆土重、鋼管（含水）自重以及支墩自重組成。

本工程中，修正后的地基承載力109.60kN/m2，地基反力大于地基承載力，不滿足要求，因此在支墩下方打入4根16m長(zhǎng)直徑為600mm的轉(zhuǎn)孔灌注樁（見(jiàn)下圖）以防止支墩位置產(chǎn)生過(guò)大的沉降。

5總結(jié)

管線橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，支座（管托）的寬度主要取決于上部結(jié)構(gòu)中傳遞下來(lái)的荷載，當(dāng)上部荷載較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加寬支座的寬度以及增加鋼管的壁厚，以免使管壁上組合應(yīng)力過(guò)大發(fā)生破壞。轉(zhuǎn)角支墩的尺寸則受內(nèi)水壓力、彎頭角度、土壤性質(zhì)等因素影響，除加大支墩尺寸外，增加支墩后面直埋段長(zhǎng)度以及對(duì)地基進(jìn)行處理可以提高支墩的水與豎直方向的抵抗能力。通過(guò)以上措施可以提高管線橋結(jié)構(gòu)的安全性。

參考文獻(xiàn)

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[2] 《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CECS141-2002），北京市政工程設(shè)計(jì)研究總院。