黃 寒 李婷婷

油氣管道桁架式跨越設(shè)計(jì)探討

黃 寒 李婷婷

針對(duì)油氣工程中桁架式跨越的特點(diǎn),分別介紹了桁架設(shè)計(jì)中桁架桿件、截面形式和高跨比的初選方法和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及桁架跨越橋墩的設(shè)計(jì)要點(diǎn),對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)人員具有一定指導(dǎo)意義。

油氣管道,桁架式跨越,截面形式,高跨比

1 概述

桁架式跨越在石油天然氣長輸管道、天然氣處理廠、石油煉化廠等工程中有著廣泛的應(yīng)用,例如：西氣東輸中衛(wèi)黃河跨越、南干線西段鎮(zhèn)西河跨越等。根據(jù)石油天然氣行業(yè)的特點(diǎn)和多年桁架設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn),桁架的弦桿、腹桿一般采用鋼管,兩榀簡單桁架通過上、下弦水平桿件組成空間桁架,管道及檢修通道安裝在水平桿件上,這種結(jié)構(gòu)形式剛度大、抗腐蝕性強(qiáng)、節(jié)點(diǎn)連接簡單、施工安裝方便。下面就探討一下桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題。

2 桁架式跨越的形式

1)根據(jù)管道、檢修通道等橋面系設(shè)置位置的不同,可分為上承式、下承式。

上承式：橋面系設(shè)置在橋跨支承結(jié)構(gòu)上面的橋梁,稱為上承式(見圖 1)。其優(yōu)點(diǎn)是橋面系位于桁架頂面,管道、檢修通道的布置不受桁架桿件影響(特別是桁架斜撐),施工方便。缺點(diǎn)是桁架高度對(duì)橋下凈空尺寸的影響較大。下承式：橋面系設(shè)置在橋跨支承結(jié)構(gòu)下面的橋梁,稱為下承式(見圖 2)。其優(yōu)點(diǎn)是管道、檢修通道從桁架內(nèi)部穿過,橋下凈空較上承式更大。缺點(diǎn)是斜撐桿件對(duì)管道及檢修通道的布置有一定影響。

選擇上承式和下承式首先應(yīng)考慮橋面系的布置,即管道、檢修通道、通訊電纜等的布置,一般情況下首先采用下承式;其次應(yīng)考慮車輛通行、船舶通航、洪水等因素對(duì)橋下凈空尺寸的要求,以滿足通航通行相關(guān)國家規(guī)范、工程所在地有關(guān)規(guī)定。

2)根據(jù)桁架豎桿及腹桿的布置不同,可分為“斜腹桿對(duì)稱式”“斜腹桿交錯(cuò)式”“全斜腹桿式”(見圖 3)。

一般情況下腹桿僅作為桁架受力桿件,采取何種布置方式并無具體要求,但考慮到立面簡潔、節(jié)點(diǎn)連接簡單等因素,應(yīng)優(yōu)先采用全斜腹桿式。同時(shí),在考慮桁架節(jié)間長度時(shí),應(yīng)保證斜腹桿與上、下主弦桿夾角在 40°～60°范圍內(nèi)。

3 鋼管和型鋼的選擇

桁架桿件可采用組合焊接型鋼或者鋼管,但從節(jié)點(diǎn)連接、防腐及施工難易度等方面考慮,采用組合焊接型鋼桿件,需要先將工字鋼、槽鋼、角鋼、綴板等按計(jì)算要求組焊成受力桿件[1],而且節(jié)點(diǎn)處一般都需要增加節(jié)點(diǎn)板,在施工上較為麻煩,而鋼管桁架節(jié)點(diǎn)連接較為簡單,通?？梢凿摴軐?duì)鋼管直接焊接。其次,以80m跨度為例,在相同的荷載條件下計(jì)算得出,矩形鋼管桁架的用鋼量約為 50 t,矩形組合焊接型鋼桁架用鋼量約 72 t。

由此可見,從用鋼量、施工難易度、防腐等方面考慮,選用鋼管作為主要受力構(gòu)件較為合理。

4 桁架跨越主要尺寸設(shè)計(jì)

4.1 桁架橫截面設(shè)計(jì)

在桁架橫截面設(shè)計(jì)中,一般采用三角形斷面、矩形斷面、梯形斷面。三種斷面形式各有優(yōu)劣,而矩形斷面和梯形斷面近似,因此僅就三角形斷面和矩形斷面做一個(gè)比較。

三角形斷面受力桿件較矩形斷面少,但其截面高度較矩形截面高,而且三角形斷面桁架通常都是上承式,因此對(duì)橋下凈空的影響更大。以 80m跨度為例,上承式三角形斷面比上承式矩形斷面的橋下凈空尺寸高約1m,比下承式矩形斷面高約 6m;三角形桁架比矩形桁架用鋼量多約12 t[2,3]。

由此可見應(yīng)優(yōu)先選擇矩形截面。

4.2 桁架高跨比及寬度選擇

桁架高跨比的取值是桁架快速設(shè)計(jì)的重要一步,對(duì)目前我國油氣管道建設(shè)中通常用到的L=60m,80m,100m三種跨度,在相同荷載條件下,根據(jù)我院多年桁架的數(shù)據(jù),對(duì)矩形截面的桁架按高跨比(H/L)在 1/8～1/15的區(qū)間進(jìn)行了對(duì)比,經(jīng)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、優(yōu)化,建議桁架的高跨比取 H/L≈1/15,寬高比取 B/H≈0.7。

4.3 主要桿件尺寸

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的桁架桿件長細(xì)比規(guī)定為[4]：

受壓構(gòu)件：λ≤150;當(dāng)桁架跨度 L≥60m時(shí),受壓弦桿和端壓桿取 λ=100,其他腹桿 λ≤150(靜荷載或間接承受動(dòng)荷載)和 λ≤120(直接承受動(dòng)荷載);受拉構(gòu)件：λ≤250;當(dāng)桁架跨度 L≥60 m時(shí),受拉弦桿和腹桿取λ≤300(靜荷載或間接承受動(dòng)荷載)和λ≤250(直接承受動(dòng)荷載)。

經(jīng)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、優(yōu)化,建議桁架的弦桿和腹桿鋼管尺寸見表 1。

表1 主要桿件尺寸

5 桁架跨越橋墩設(shè)計(jì)

管道跨越工程大都屬于控制性工程,在保證上部桁架結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、合理的前提下,桁架橋墩的設(shè)計(jì)也相當(dāng)重要,在滿足美觀的同時(shí),應(yīng)充分考慮樁、承臺(tái)等的受力,特別是流水沖擊、船舶或漂浮物撞擊等因素對(duì)橋墩的作用力[5]。

桁架橋墩一般采用低樁承臺(tái)、高樁承臺(tái)兩種形式,樁徑D取1.2m～1.8m,樁端一般嵌入中風(fēng)化持力層 2D～5D。通常樁外露凈高(持力層頂面至樁頂)小于 20m時(shí)采用高樁承臺(tái),其優(yōu)點(diǎn)是：

1)部分樁身露在地面以上,可以節(jié)約橋墩的圬工數(shù)量;

2)減少水下作業(yè),施工較為方便。但是當(dāng)樁外露凈高大于20m時(shí),在水平力作用下,樁的外露段由于沒有土的彈性抗力與它共同作用,故樁身內(nèi)力和位移都將大于在同樣水平外力作用下的低樁承臺(tái),在穩(wěn)定性方面也沒有低樁承臺(tái)的好,因此采用低樁承臺(tái)較為合理。

此外,支承桁架支座的承臺(tái),在設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)根據(jù)跨越位置的建設(shè)條件,特別是結(jié)合施工水位、常年水位、枯水位及洪水位確定合理的標(biāo)高,一般情況下以施工水位以下 2 m作為承臺(tái)底面標(biāo)高較為合適。結(jié)構(gòu)尺寸以滿足承臺(tái)構(gòu)造、管道支座安裝的要求為準(zhǔn)。

6 結(jié)語

根據(jù)桁架設(shè)計(jì)積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合對(duì)比計(jì)算,為確定桁架立面形式、幾何尺寸、桿件截面等提供快速、準(zhǔn)確的方法。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際工程情況進(jìn)行驗(yàn)算、修改,提高設(shè)計(jì)效率。

[1]夏 軍.80m跨徑下承式簡支焊接鋼桁架橋的設(shè)計(jì)與施工[J].鋼結(jié)構(gòu),2002(11)：22-24.

[2]中國石油工程設(shè)計(jì)西南分公司.西氣東輸管道工程特大型河流穿跨越中衛(wèi)黃河跨越施工圖設(shè)計(jì)文件[Z].2002.

[3]中國石油工程設(shè)計(jì)西南分公司.南干線西段(納溪—成都)復(fù)線工程鎮(zhèn)溪河跨越施工圖設(shè)計(jì)文件[Z].2007.

[4]GB 50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]GB 50459-2009,油氣輸送管道跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Inquiry on the truss-type span design of oiland gas pipeline

HUANG Han LITing-ting

In light of characteristics of truss-type span in oil and gas engineering,it respectively introduces the p relim inary electionmethods and experienced data of truss bar components,section profiles,and depth-span ration,and expounds the design points of the truss pier,which has certain guiding significance for relevant designers.

oil and gas pipeline,truss-type span,section profiles,depth-span ratio

U 175.5

A

1009-6825(2011)09-0052-02

2010-12-14

黃 寒(1981-),男,工程師,中國石油工程設(shè)計(jì)西南分公司,四川 成都 610017

李婷婷(1983-),女,工程師,中國石油工程設(shè)計(jì)西南分公司,四川 成都 610017