自承式圓弧輸水鋼管跨河段受力分析

李維芳

(山東省臨沂市水利勘測設計院，山東 臨沂 276000)

1 概 述

自承式圓弧形拱管是輸水管道跨河建筑物設計中一種常見的型式，是利用輸水鋼管自 身支撐跨越河道的一種跨河交叉設計方式，其優(yōu)點是美觀且與周圍環(huán)境協(xié)調，施工方便， 一般不進行水下施工，后期管理維護檢修方便等。但如果結構設計(矢跨比、管道壁厚、 支墩以及基礎埋深、排氣閥等)不當，荷載及外部因素考慮不全面，會影響管道壽命和使用年限，后期運行中也容易遭到外界因素破壞，應加以防護。在《自承式圓弧形架空鋼管圖集》(06S506-2)和《自承式給水鋼管跨越結構設計規(guī)程》(CECS214-2006)(后簡稱設計規(guī)程) 中對拱管布置和結構設計、荷載組合、內力計算強度校核以及穩(wěn)定性驗算進行了詳細的闡述。本文以某輸水工程中輸水管道跨河為例，輸水管道與河流交叉28處，管材為鋼管，管徑為2.4～0.6 m，除管徑2.4～2.2 m且地質條件較好的4處采用頂管，河道寬度不足10 m的7處采用直埋下穿外，其余全部采用自承式圓弧拱管。本文根據(jù)《圖集》《設計規(guī)程》中有關規(guī)定，選取DN1000輸水管道進行跨河段初步設計，包括基本參數(shù)選取計算、荷載組合及內力計算，然后采用理正結構軟件進行自承式圓弧拱管鋼管強度計算，為自承式拱管設計提供方法和思路。

2 自承式拱管設計

2.1 拱管布置

輸水管道管線布置在河道過縣城段與河道垂直交叉，根據(jù)現(xiàn)有河道治理資料，河道寬約49.4 m，河床沖刷深度1.1 m。本文采用自承式圓弧拱管跨河設計，輸水管此段設計管徑1.0 m，管內工作壓力0.9 MPa，設計跨度54.0 m。為保證拱管結構穩(wěn)定，矢跨比采用μ=1/6，壁厚10 mm，兩端支墩尺寸按照設計圖紙選取并優(yōu)化，支墩基礎埋深應滿足防凍及沖刷深度要求，在架空鋼管頂部設置自動排氣閥，以防止管道產(chǎn)生顫動而影響管道結構安全。拱管設計應嚴格按照《自承式圓弧形架空鋼管圖集》(06S506-2)和《自承式給水鋼管跨越結構設計規(guī)程》(CECS214-2006)中有關規(guī)定布置和設計。自承式拱管結構設計見圖1。

圖1 自承式圓弧拱管縱剖面布置圖

基本參數(shù)：項目所在地基本風壓ω0為0.35 kN/m2，根據(jù)工程區(qū)氣象資料，工程區(qū)溫差標準值30℃，不考慮雪荷載的影響。

2.2 基本地質情況

管道沿河道左岸布置，其中過縣城段需橫跨河道，管道沿線地表出露全為第四系洪積層，上部3.5～6.8 m，其下以粉質黏土、淤泥質黏土為主，局部夾有粉砂，淤泥層埋深多在6.8 m以下，基礎大部可置于粉質黏土上，承載力滿足要求。地下水活動微弱，基礎抗滑穩(wěn)定性好，不存在沉降變形問題，地基土中無粉砂、粉砂土，可不考慮地震液化問題，基礎開挖邊坡全為土質邊坡，土質密實，透水性中等，地下水活動微弱，不易發(fā)生滲透變形，開挖邊坡及基礎中等穩(wěn)定。

工程區(qū)位于地震基本烈度 7 度，地震加速度值 0.2 g，地基承載力值為 0.26 GPa。

3 自承式拱管受力分析

3.1 基本設計參數(shù)

自承式圓弧拱管進行受力分析時，首先要對拱管基本參數(shù)進行確定。本文結合結構設 計、地質及水文資料等，確定基本參數(shù)見表1。計算簡圖見圖2。

表1 自承式圓弧拱管基本參數(shù)表

圖2 計算簡圖

3.2 內力計算

3.2.1 荷載計算

作用在輸水鋼管上的荷載主要有鋼管自重、管道內外防腐材料重、管道內水重、靜水壓力、風荷載以及溫度作用、施工荷載等[1]，計算荷載組合參照《自承式給水鋼管跨越結構設計規(guī)程》(CECS214-2006)中表 5.2.7。各種荷載計算如下：

1) 圓拱平面內沿拱軸均布的垂直荷載q：

鋼管結構自重qs：

管道內水重qw：

施工荷載qi：

qi=D2×2=2.044(kN/m2)

附屬設施qt：

取qt=0.55(kN/m)

永久荷載q1：

q1=1.2(qs+qt)+1.27qw=13.886(kN/m)

可變荷載q2：

q2=1.4qi=2.862(kN/m)

垂直荷載q：

q=q1+q2=16.747(kN/m)

2) 垂直于拱平面沿拱軸均布的均布荷載(風荷載)P：

P=1.4βzμsμzω0DZ

式中：ω0為基本風壓 ，取值0.35 kN/m2；βz、μs、μz分別為高度z處的風振系數(shù)、風荷載體型系數(shù)和風壓高度變化系數(shù)，根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009-2019)得到參數(shù)值分別為 1.0、0.7 和 1.1。

計算得到均布荷載P=0.386(N/m)

3) 溫度變化：ΔT=30℃。

3.2.2內力計算

自承式拱管在各種荷載組合作用下，在拱腳處產(chǎn)生的內力最大，是輸水鋼管最容易破壞的地方。在設計時要對拱腳產(chǎn)生的內力進行計算，主要包括沿拱軸的均布垂直荷載作用、溫度變化、水平均布風荷載和半跨作用均布荷載4個部分，計算時分別進行計算，再進行疊加，求出內力值[2]。見圖3。

圖3 沿拱軸的均布垂直荷載作用下內力圖

本文以沿拱軸的均布垂直荷載作用在拱腳處產(chǎn)生的內力為例進行計算，其余部分荷載產(chǎn)生的內力計算方法與其相同，計算公式采用《自承式給水鋼管跨越結構設計規(guī)程》(CECS214-2006)中拱管內力計算公式，各內力參數(shù)按照《設計規(guī)程》中附錄A-附錄D進行選取。沿拱軸的均布垂直荷載作用在拱腳處產(chǎn)生的內力計算如下：

RAg=VAgcosφ+NAgsinφ

式中：HAg、NAg、VAg、RAg分別為拱腳處的水平推力、軸向力、剪切力和豎向反力，N，正負說明見表2；MAg為拱腳處彎矩值，N·mm；KHg、KNg、KVg、KMg為內力系數(shù)，取值見《設計規(guī)范》附錄A-附錄D；其余符號取值見表1。

其余荷載作用產(chǎn)生的內力計算方法同沿拱軸的均布垂直荷載作用在拱腳處產(chǎn)生的內力值，計算結果見表 2。

表2 各種荷載作用下拱腳處產(chǎn)生的內力值

3.3 強度復核

3.3.1 理正結構設計參數(shù)確定

圖4 理正結構計算截面截圖

表3 滿跨和半跨兩種不利情況下強度復核結果值

3.3.2 計算過程及計算結果

1) 內力計算。考慮扭轉作用的平面外彎矩：

彎矩合力值：

2) 軸向應力。內力產(chǎn)生的軸向應力：

內表面局部縱向應力：

總的縱向應力：

4) 折算應力最大值。公式如下：

γ0σ=1.0×155.045=155.045 N/mm2≤f=310.00 N/mm2,滿足

γ0σ=1.0×155.045=155.045 N/mm2≤0.90f=0.90×310.00=279.00 N/mm2,滿足

經(jīng)計算，兩種工況下自承式拱管強度均滿足設計要求。

4 結論及建議

自承式拱管可以充分利用地形，施工維護簡便，施工后造型美觀，具有很高的美學價 值，達到了工程與自然的和諧統(tǒng)一。自承式圓弧拱管跨河設計不僅可以應用在水利管道，在石油、天然氣以及輸水拱管結合人行橋設計中都具有較大的利用空間。本文依據(jù)結構力學方面的知識，采用理正結構進行拱管受力計算，極大簡化了計算過程，提高了計算精度和準確性，使得拱管設計更加安全穩(wěn)定。