大跨度過河電纜橋架在電力行業中的應用研究

陳 凱

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434)

現階段電力行業中電力電纜穿越河道處，主要采用河道下頂管穿越方案，此方案優勢在于對河道影響小，幾乎不占用河道上方空間，在地下管線走向排布清晰明確的情況下，是目前電力電纜穿越河道的首選方案。但是在國內很多一線城市中，地下管線錯綜復雜，尤其在地下交通網絡樞紐比較密集的情況下，電力電纜穿越河道正下方時，存在地鐵隧道等實物阻擋，電力電纜無法采用頂管方案穿越河道，只能選擇河道上方空間中架設電力電纜橋架的方案。在中小河道上方空間內架設電纜橋架，電纜橋架跨度小，技術難度不大，可以作為電力電纜穿越河道的方式之一；但是在一些大河道上方，河面寬闊，河道繁忙，河道中一般無法設置電纜橋架橋墩支座，只能采用一跨式大跨度過河電纜橋架的結構方案[1]。

本文選取單跨為42.0 m的大跨度過河電纜橋架實例，主要從過河電纜橋架的結構選型、結構概況、結構計算、結果分析、結論、結構特點與應用場景等方面，綜合闡述大跨度過河電纜橋架在電力行業中的應用前景。

1 結構選型

大跨度過河電纜橋架因其功能特性及使用要求，對于電纜橋架的結構形式一般有如下要求：1)跨越能力強，一般布置于大河道上方，且河道內不允許布置橋墩支座，一跨式跨越整個河道面；2)結構剛度大，電力行業對于過河電纜橋架有嚴格的變形控制要求，需要滿足電纜管線使用要求；3)結構布置緊湊，河道上方空間限制多，要求過河電纜橋架結構布置簡潔，盡量占據較小的河道空間；4)結構重量輕，過河電纜橋架易采用空腹式結構體系，盡量減小自身重量，降低河道兩岸電纜橋架橋墩支座的荷載，減小對基礎的作用；5)橋墩基礎穩固，大跨度過河電纜橋架因其跨度大，整體荷載大，所有荷載全部作用于河道兩側的兩個橋墩支座上，基礎荷載大，承載力要求高，需采取可靠基礎形式確保過河電纜橋架基礎穩固；6)電纜數量多，因城市電力線路選線復雜，穿越河道處電纜橋架一般為選線關鍵控制點，需要布置數量眾多的電力電纜，電纜密集，電纜管需布置緊湊才能最大限度的利用河道有限空間。

眾所周知，空間桁架結構具有剛度大、自重輕、桿件布置靈活、材料利用率高等諸多優勢[2]，相比于傳統的實腹式結構，空間桁架這種結構形式應用于大跨度過河電纜橋架這樣的工程場景，有其獨特的優勢與便捷性。

在滿足電力電纜對于過河橋架功能需求的前提條件下，可以通過采取合理的整體結構布置與詳細的局部節點設計，實現空間桁架式過河電纜橋架在電力行業中的廣泛應用。

2 結構概況

某上海市區內高架橋下方河道內需穿越電力管線，因處于鄰近地鐵隧道保護線范圍內，無法采用頂管方式從河道正下方穿越，只能采用過河電纜橋架方式穿越。河道兩側緊鄰高架橋墩，無法就近設置過河電纜橋架橋墩支座，通過加大過河電纜橋架的跨度，以避讓高架橋墩基礎，致使過河電纜橋架跨度較大，橋架兩端尾部各設置一個電纜井，以承接過河電纜橋架內通過的電纜并過渡至道路下方管線。過河電纜橋架(含電纜井)總平面圖如圖1所示。

過河電纜橋架跨度42.0 m，斷面尺寸2.0 m寬,1.5 m 高，如圖2所示，共布置3層電纜管，每層7孔，等距離均勻布設，電纜管管徑一般不超過200 mm，電纜管之間采用專用固定件固定于過河電纜橋架橫向腹桿上，橫向腹桿間距為1.5 m，如圖3所示。

過河電纜橋架采用空間桁架結構形式，其中上、下弦桿截面規格為鋼管φ245 mm×16 mm、腹桿截面規格為鋼管φ121 mm×6 mm、支座立柱截面規格為鋼管φ351 mm×16 mm、支座腹桿截面規格為鋼管φ180 mm×10 mm，鋼管材質均為Q235B，桁架桿件之間均采用等強相貫焊接的連接方式。過河電纜橋架(含電纜井)平面圖如圖4所示，縱立面圖如圖5所示。

為方便過河電纜橋架上、下弦桿的制作與運輸，將4根上、下弦桿各分成3段，單段最大分節長度不超過16.5 m，弦桿分節處采用螺栓法蘭盤連接，螺栓采用10.9級承壓型高強螺栓，分節位置一般選取在桿件內力較小的部位，并適當增加螺栓數量，遵循“強節點弱桿件”的設計原則。

過河電纜橋架兩端橋墩支座處均采用4立柱支撐形式，以剛接柱腳的形式固定于樁基承臺上，樁基礎采用鋼筋混凝土灌注樁基礎，樁徑為0.60 m、樁長為20.0 m，樁基承臺長度為3.2 m、寬度為2.7 m、厚度為1.2 m。

過河電纜橋架兩端橋墩支座后方各設置一個電纜井，電纜井長度凈尺寸為8.5 m、寬度凈尺寸為2.5 m、高度凈尺寸為1.9 m～4.4 m，電纜井采用鋼筋混凝土結構，基礎型式采用筏板基礎。

3 結構計算

本工程過河電纜橋架位于上海市，結構設計使用年限50 a，結構設計安全等級二級，結構重要性系數1.0。基本風壓：0.55 kN/m2，地面粗糙度類別：B類，基本雪壓：0.20 kN/m2。抗震設防烈度7度，基本地震加速度0.10g，設計地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅳ類，設計特征周期為0.90 s。

過河電纜橋架采用國際通用有限元軟件SAP2000進行結構計算分析，根據過河電纜橋架的結構布置，建立空間桁架網格模型，如圖6所示。

過河電纜橋架結構桿件的名稱、規格和材質等基本信息詳見表1。

表1 過河電纜橋結構桿件截面表

過河電纜橋架自重由程序自動計算。電纜管(含電纜)重量以等效節點活荷載的形式輸入到等間距橫向腹桿上，節點活荷載取值為0.50 kN。風荷載以節點荷載的形式輸入到等間距豎向腹桿上，節點風荷載取值為0.65 kN。雪荷載以節點荷載的形式輸入到等間距橫向腹桿上，節點雪荷載取值為0.30 kN。

荷載組合根據國家規范GB 50009—2012建筑結構荷載規范[3]和GB 50011—2010建筑抗震設計規范(2016版)[4]確定，橋架鋼結構桿件設計依據國家標準GB 50017—2017鋼結構設計標準[5]確定。

4 結果分析

經有限元軟件SAP2000計算分析，過河電纜橋架結構動力特性計算結果詳見表2，表中主要列舉了結構的前3個自振周期和自振頻率，根據結構動力學原理可知，結構自振頻率與結構剛度成正比關系，自振頻率越高，結構剛度越大，過河電纜橋架前3個自振周期和自振頻率在設計合理范圍內，其中第一自振頻率f1=2.444 Hz，由此可知，結構剛度適宜，可以滿足電力管線對于過河電纜橋架結構剛度的要求。

表2 過河電纜橋架結構動力特性

過河電纜橋架采用空間桁架結構形式，這種結構形式可以很好地發揮桿件的結構效率，可以用盡量少的鋼材實現盡量多的結構，結構桿件內力主要以軸向受力為主，桿件規格主要以圓鋼管為主，可以充分利用鋼管各向結構特性均一致的優勢，充分發揮材料特性，實現局部桿件與整體結構“輕質高強”的結構目標，是大跨度工程應用場景首選的結構實現方式之一。

過河電纜橋架桿件軸力圖(云圖)如圖7所示，桿件軸力圖(數值圖)如圖8所示，桿件最大軸向拉力位于橋架跨中下弦桿和支座上弦桿，桿件最大軸向壓力位于橋架跨中上弦桿和支座下弦桿，整個橋架空腹式桁架結構軸力圖可以類比于實腹式連續梁彎矩圖，桁架結構上下弦桿以軸力式力偶抵抗整體彎矩，腹桿以軸力抵抗整體剪力，將彎矩和剪力效應轉換為軸力效應，此種工程應用場景特別適合于軸向受力性能良好的鋼管結構。

根據SAP2000軟件計算結果，橋架弦桿最大軸向拉力為495.67 kN、最大軸向壓力為634.34 kN；支座立柱最大軸向拉力為415.86 kN、最大軸向壓力為602.72 kN；支座腹桿最大軸向壓力為489.85 kN。根據軸力圖可知，桿件的規格可以結合軸力計算結果相應布置，即軸力大的部位選用截面規格大的桿件，軸力小的部位選用截面規格小的桿件，以此實現桿件的高效利用。

大跨度過河電纜橋架因跨越距離遠，在橋架跨中會產生一定的豎向變形，在荷載標準組合作用下，橋架跨中最大豎向位移為36.84 mm，過河電纜橋架結構變形圖(云圖)如圖9所示、橋架結構變形圖(數值圖)如圖10所示，相應撓跨比為1/1 140，滿足GB 50017—2017鋼結構設計標準對于桁架結構撓度允許值1/400的要求。

過河電纜橋架桿件應力比圖如圖11所示，橋架弦桿最大應力比為0.625，為桁架支座附近下弦桿；橋架腹桿最大應力比為0.464，為桁架支座附近斜腹桿；支座立柱最大應力比為0.505；支座弦桿最大應力比為0.547；圖9中未顯示應力比計算結果的桿件，應力比均控制在0.30以內，整個過河電纜橋架桿件應力分布合理，滿足GB 50017—2017鋼結構設計標準對于桿件應力比不超過1.00的控制要求。

5 結論

本文以大跨度過河電纜橋架典型工程實例為切入點，詳細介紹了過河電纜橋架結構選型、結構布置、結構計算與結果分析等各方面內容，得出如下結論：1)大跨度過河電纜橋架是電力管線穿越河道上方空間的一種優勢選擇方案。2)大跨度過河電纜橋架采用空間桁架結構形式是合理高效的。3)大跨度過河電纜橋架結構布置緊湊，結構剛度適宜，桿件計算應力合理，結構變形易于控制，結構特性顯著。大跨度過河電纜橋架的結構特點主要表現在結構形式簡潔高效、自重輕、跨越能力強、整體剛度大、桿件效率高、電力排管靈活多樣等諸多方面。

大跨度過河電纜橋架的結構特點，在城市地下管線日益復雜的大背景下，很好地滿足了 電力電纜對于過河通道的實際性能需求，可以更好地實現空間桁架這種結構形式在電力行業中的廣闊應用。