一種跨越天然氣管道的框架橋通道結構設計

王如寒

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州 510060）

0 引言

隨著我國社會的發展，城市道路與市政管線相互交錯，當通道結構與天然氣管道無法相互避開時，普通的通道涵結構往往無法滿足設計要求。為滿足二者的安全運營，設計上需要重新綜合考慮。本文結合工程實例，介紹了一種跨越天然氣管道的框架橋通道結構設計方案，為同類型的設計提供參考。

1 工程概況

廣東省清遠市某項目主線道路全長約5.6km，等級為城市主干路，設計速度60km/h，主線道路橫向布置為：6.5m人行道+8.75m綠化帶+11.75m車行道+6m中央分隔帶+11.75m車行道+8.75m綠化帶+6.5m人行道=60m。場區現狀主要為山坡、農田菜地、居民區、苗圃場和少量養殖魚塘，部分場區交通較為不便。為解決竹元村側與下沙村側周邊居民出行問題，在主線K9+221.16m處設置了2～11m（凈寬）×4.8m（最小凈高）人車通道涵，通道涵采用單箱雙室鋼筋混凝土箱涵結構。涵洞與路線主線斜交，斜交角13.07°，車行道凈高4.5m，涵洞頂底板厚1.0m，邊側板厚0.9m，中側板0.8m。涵洞外采用八字形洞口。

由于征地問題，用地紅線寬度僅為60m，無法避開既有直徑1.3m天然氣管道。通道涵平面圖如圖1所示。

圖1 通道涵平面示意（單位：m）

既有天然氣管道通過設置蓋板涵來進行保護。蓋板涵如圖2所示，天然地面線到天然氣管頂不得小于180cm，以達到保護天然氣管道的目的。因此，通道涵設計應盡量往上抬，使其底板底越遠離天然氣管道蓋板涵越好。但由于通道涵設計車行道凈高4.5m，且紅線寬度控制了主線放坡長度，導致主線總體標高及縱坡無法調整。同時，通道涵內地面標高應不低于地方道路現狀標高，否則涵洞內會積水。基于這些控制因素，通道涵設計為明涵，涵洞上方的主線車行道也只設置了10cm瀝青鋪裝+10cmC40混凝土調平層=20cm厚的路面結構層，并且設置與其上主線橫坡一致的縱坡，涵洞中間高、兩邊低。通道涵橫斷面如圖3所示。

圖2 天然氣保護蓋板涵示意（單位：cm）

圖3 通道涵橫斷面（單位：cm）

在總體無法繼續抬高的情況下，設計為明涵，已經是最大限度地抬高了箱涵。但即便如此，箱涵底板底到天然氣管頂的凈距最小仍只有1.314m，無法滿足原天然氣保護蓋板涵的高度要求。同時，新建通道涵基底應力直接傳遞到天然氣保護蓋板涵上，對其受力影響大。若處理不當，會致其損壞，影響天然氣管道的正常運營。基于以上限制因素，本文提出用框架橋的形式跨越既有天然氣管道，通過設置樁基控制天然氣管道上方通道涵的位移，減少通道涵對天然氣保護蓋板涵的影響，使結構穩定、安全、可靠。

2 框架橋通道結構設計方案

交通運輸部、國家能源局、國家安全監管總局《關于規范公路橋梁與石油天然氣管道交叉工程管理的通知》（交公路發[2015]36號）中明確規定：油氣管道與兩側橋墩（臺）的水平凈距不應小于5m[1]。故框架橋的跨徑理論上不得小于5+1.3+5=11.3m。天然氣管道與通道涵結構斜交，為減小跨徑，框架橋框架方向也為斜交。最終框架橋的跨徑定為15m，單軸設置1排直徑1.5m的鉆孔灌注樁，跨徑方向與通道涵縱向夾角14.91°。

設置框架橋后，整個通道結構分為5個節段。其中，節段1、節段2、節段4、節段5保持明涵結構不變，節段3為框架橋結構。節段之間設置沉降縫[2]。沉降縫的位置避開主線車行道，在綠化帶范圍內。節段3框架橋結構與節段2、節段4的明涵結構通過設置牛腿搭接控制相對沉降。

為保持結構的連續性、降低施工難度，節段3框架橋與普通節段的頂板、腹板保持相同的構造。但由于其跨度為15m，若結構仍保持為1m厚的實心底板，底板就會因為自重過大而不滿足受力要求。因此，本文類比樓板縱橫梁的設計思路，在框架橋底板設計“縱橫梁”以提高結構的跨越能力。為方便表述，將平行于下穿車行道方向定義為縱向，將垂直于下穿車行道方向定義為橫向。

具體設計方案為：（1）與樁基直接作用的橫向板帶所受彎矩及剪力最大，設計為第一橫梁，截面寬度2.5m，高度2.1m。（2）明涵結構邊中腹板下對應的底板縱向板帶受力次之，設計為第一縱梁，截面寬度2.2m，高度1.5m。（3）底板橫向跨中增設第二縱梁，截面寬度1.6m，高度1.5m。（4）其余板帶高度0.6m。框架橋通道結構平面、立面及橫斷面如圖4～圖7所示。

圖4 框架橋結構平面示意（單位：cm）

圖5 框架橋結構立面示意

圖6 框架橋跨中橫斷面（單位：cm）

圖7 框架橋端部橫斷面（單位：cm）

由于框架橋通道上方車道與通道內車道方向不一樣，橫向及縱向的受力均復雜，不能按初等梁模型計算。基于此，本文利用MidasCivil建立節段3框架橋的梁格模型，如圖8所示，全面分析結構的受力。分析內容包括：（1）第一橫梁的彎矩、剪力；（2）第一、第二縱梁的彎矩、剪力；（3）一般板帶縱向、橫向的彎矩、剪力；（4）結構撓度驗算。

圖8 框架橋梁格模型

控制結構最大裂縫寬度不超過0.15mm，第一橫梁頂底配置3排直徑32鋼筋＠120mm，第一和第二縱梁頂底配置2排直徑32鋼筋＠120mm，一般板帶縱向頂底配置1排直徑28鋼筋＠120mm，橫向底部配置1排直徑28鋼筋＠100mm，橫向頂部配2排直徑25鋼筋＠100mm。結構最大撓度7.143mm滿足規范[3]要求，并且對下穿的天然氣管道蓋板涵完全沒有影響。

整體施工順序為：開挖基坑→夯實基底→施工框架橋樁基→澆筑天然氣管道保護結構→澆筑框架橋底板“縱橫梁”體系結構→施工通道涵腹板、頂板結構→回填→附屬結構。

3 結語

跨越天然氣管道的框架橋通道結構的設計總結如下：

（1）在結構無法避開現有天然氣管道的情況下，設計上首先結構應盡量往上抬，保證結構與管道的安全距離。

（2）通過設計框架橋，控制結構底板的位移，并將其內力傳遞到樁基，使其下方的天然氣管道不再受到上部結構基底應力帶來的壓力，保證其安全運營。

（3）通過將底板設計為“縱橫梁”體系結構，加大底板的跨越能力，保證樁基與天然氣管道的安全距離。

（4）本工程地質條件良好，通道涵一般節段的沉降與節段3相差不大，不會產生差異沉降。在其他工程的應用中，應保證一般節段的地基承載力滿足設計要求，并應保證其施工質量，防止因節段間的差異沉降而影響質量，必要時可以增設一般節段的樁基。

該結構經濟美觀、安全可靠，為同類型的設計提供了參考。