韓 軍 馬 悅 龍 熙

（重慶市設(shè)計(jì)院，重慶 400039）

1 概述

1.1 工程背景

某工程位于巴南區(qū)木洞鎮(zhèn)行政轄區(qū)內(nèi)，工程范圍內(nèi)的用地性質(zhì)主要為生態(tài)景觀控制區(qū)。該區(qū)域部分入駐企業(yè)將集中開工建設(shè)，但無污水主管道連接污水處理廠，存在較嚴(yán)重的環(huán)保隱患。為保證污水的有效收集和達(dá)標(biāo)排放，需要新建區(qū)域污水干管。平面布置圖如圖1所示。

1.2 巖土勘察概述

圖1 污水干管平面布置圖

根據(jù)場地工程地質(zhì)勘察成果，沿線場地范圍內(nèi)主要由素填土、粉質(zhì)黏土、下伏基巖組成，素填土剪切波速取平均值120.0 m/s，屬軟弱土，粉質(zhì)黏土剪切波速取平均值160.0 m/s，屬中軟土，強(qiáng)風(fēng)化基巖剪切波速為500～800 m/s，屬軟質(zhì)巖石，中風(fēng)化基巖剪切波速＞800 m/s，屬巖石。場地中風(fēng)化巖層為泥巖及砂巖，場地最大覆蓋層厚度為8.1 m，經(jīng)判別，場地類別為Ⅱ類場地。本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，不考慮液化的影響。經(jīng)測定，場地中等風(fēng)化帶泥巖天然單軸抗壓強(qiáng)度值4.44 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度值2.68 MPa，場地中等風(fēng)化帶砂巖天然單軸抗壓強(qiáng)度值17.60 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度值12.02 MPa，兩種巖石軟化系數(shù)平均值均小于0.75，屬遇水易軟化巖石。

2 排污干管抗震設(shè)計(jì)

相關(guān)研究表明，市政管網(wǎng)在地震時破壞會對震災(zāi)控制和災(zāi)后重建工作帶來嚴(yán)重的影響，埋地和架空管道的抗震性能也得到了更多重視[1-3]。重慶作為山地城市，市政管網(wǎng)存在穿越多種地貌及具有多種形式的特點(diǎn)，所以更加應(yīng)該重視抗震設(shè)計(jì)的要求[4]。應(yīng)建設(shè)主管部門和相關(guān)文件要求，對本工程排污干管及相關(guān)設(shè)施在初步設(shè)計(jì)階段應(yīng)進(jìn)行地震作用計(jì)算并明確抗震措施。

2.1 埋地段箱涵方案

為在架空段轉(zhuǎn)換為鋼管，埋地段需設(shè)置“可視化”鋼管方案，通過轉(zhuǎn)接井將箱涵段和鋼管段相連接。“可視化”鋼管埋地段設(shè)置矩形斷面管溝，污水管道敷設(shè)于管溝內(nèi)，局部橫跨沖溝等低洼地形時采用架空段鋼管形式。管道規(guī)格為DN1 000，管道壁厚δ10 mm，公稱外徑1 020 mm，圓形斷面。排污干管的長度約為4.32 km，除部分管段縱坡較陡外，其余管段最小縱坡為i=0.003，最大縱坡為i=0.05。埋地管溝中的排污干管采用玻璃鋼夾砂管及球磨鑄鐵管，埋地管溝段間隔18 m設(shè)置沉降縫，管溝采用C30鋼筋混凝土澆筑，上設(shè)預(yù)制鋼筋混凝土蓋板，管溝壁厚300 mm，最大埋深小于3 m。管溝中設(shè)置C20素混凝土180°基礎(chǔ)，管徑d600基礎(chǔ)跨度≤3 m，管徑d1 000基礎(chǔ)跨度≤2 m。

架空鋼管跨徑不大于15 m，架空鋼管兩端設(shè)置檢查井與新建管溝連接，其中上游段檢查井設(shè)置事故排放井，便于管道檢修。架空段的排污干管采用Q235B焊接鋼管架空敷設(shè)。架空鋼管的墩樁等下部結(jié)構(gòu)具體根據(jù)地質(zhì)勘查和現(xiàn)狀地面確定，分別采用不同直徑的墩與樁、淺基礎(chǔ)。對于架空高度較高的管道，采用1.5 m的柱與1.8m的樁的組合，柱平均長度15 m，樁平均長度15 m，樁基進(jìn)入土層深度不小于5.4 m。當(dāng)采用1.0 m的柱與1.2 m的樁的組合，柱平均長度10 m，樁平均長度15 m，樁基進(jìn)入土層深度不小于3.6 m。當(dāng)埋深很淺時，采用淺基礎(chǔ)。上部結(jié)構(gòu)為滑動支座，為防止管道從支墩脫落，設(shè)置了工字鋼I20a和角鋼L100×8組合形成的鋼架，將管道放置在鋼架中，鋼架錨固進(jìn)入支墩蓋梁中。

利用計(jì)算軟件對埋地段“可視化”鋼管的管溝進(jìn)行抗震驗(yàn)算，管溝上設(shè)預(yù)制蓋板，蓋板上部無覆土或車輛荷載。將主動土壓力帶入并考慮裂縫控制，進(jìn)行配筋驗(yàn)算。驗(yàn)算結(jié)果表明，當(dāng)采用12@150的鋼筋配筋時，管溝的頂板、側(cè)墻和底板均能滿足地震作用下的承載力要求，裂縫滿足結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)的要求。

2.2 架空段抗震計(jì)算

采用計(jì)算軟件YJK對架空管橋段進(jìn)行抗震計(jì)算。計(jì)算過程采用的主要參數(shù)：風(fēng)荷載0.4 kN/m2、設(shè)防烈度6度、0.05 g，場地類別Ⅱ類，特征周期0.35，抗震等級三級。計(jì)算過程中，考慮結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為D級，在多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震作用下的性能水準(zhǔn)分別為1、4、5，自動進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算。以架空段最高墩長25 m的1號架空管橋?yàn)橛?jì)算對象，根據(jù)墩長建立相應(yīng)的架空管橋模型。其中，架空鋼管為外徑1 020 mm，壁厚10 mm的鋼管，考慮充滿液體的附加活載為8 kN/m，考慮涂層、構(gòu)件等的附加恒載為6.5 kN/m。經(jīng)過計(jì)算，污水干管的設(shè)計(jì)結(jié)果能夠滿足承載力要求。

2.3 鋼管抗震驗(yàn)算

取1號架空管橋中跨徑15 m的一處分段，將鋼管分為相互連接的節(jié)段，讀取相應(yīng)的地震內(nèi)力。經(jīng)過驗(yàn)算，上述內(nèi)力結(jié)果大于《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》 （GB 50032—2003） 第10.2.6條所得結(jié)果，且鋼管不會因?yàn)榈卣鹱饔枚黄茐摹⑸鲜鲎畲髢?nèi)力結(jié)果帶入計(jì)算軟件理正并考慮溫度作用進(jìn)行復(fù)核，所得到的計(jì)算結(jié)論為γ0σ=82.493 N/mm2≤f、γ0σ=82.493 N/mm2≤0.9 f。計(jì)算結(jié)果表明，架空鋼管段抗震能夠滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

2.4 支座和鋼架抗震計(jì)算

參考《自承式平直形架空鋼管》圖集05S506-1，在架空鋼管縱向上采用輥軸滑動支座[5]。根據(jù)《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》 （GB 50032—2003） 第10.2.3條，10.2.4條，對架空鋼管的橫向限位鋼架進(jìn)行抗震驗(yàn)算。限位鋼架豎向?yàn)樗母鵌20a工字鋼，分別設(shè)置在鋼管兩側(cè)，橫向?yàn)閮筛鵏100×8角鋼。建立鋼架模型，計(jì)算可得一個鋼架剛度 KC=2.654×106N/m，T1=0.386 s，Tg=0.35 s，α1=0.037，F(xiàn)he，k=7 179 N。當(dāng)存在水平地震作用時，管道的水平力由兩個工字鋼分擔(dān)。每個工字鋼承受Fhe，k=3 590 N，因管道為圓形，故假設(shè)作用點(diǎn)位于工字鋼中點(diǎn)。添加一處節(jié)點(diǎn)荷載并進(jìn)行計(jì)算，鋼架應(yīng)力滿足承載力要求。

2.5 抗震設(shè)防措施

為控制震害，對管網(wǎng)應(yīng)根據(jù)其運(yùn)行功能，分區(qū)分段設(shè)置閥門和閥門井。本工程在埋地段管道轉(zhuǎn)彎處均設(shè)置檢查井，兩座污水檢查井之間低點(diǎn)處設(shè)置集水坑，并在前端設(shè)置閘門；平時閘門常開，將進(jìn)入管溝的雨水就近排出，當(dāng)出現(xiàn)管道破損污水泄漏時，將閘門關(guān)閉，在管道維修更換期間采用移動式潛污泵將泄漏污水就近提升排入主污水管道。為保證管道內(nèi)污水流動暢通，污水管道密閉 （增設(shè)壓力井蓋） 段每隔一定距離 （200 m左右） 設(shè)置通氣管。為方便管道維護(hù)，架空段每隔一定距離 （根據(jù)管徑大小不同約30～60 m不等），設(shè)置等徑法蘭三通作為檢修孔。

為控制震害，管道應(yīng)具有柔性構(gòu)造的特征。本次設(shè)計(jì)中，當(dāng)鋼管位于管溝內(nèi)時，鋼管接口為承插連接接口，接口內(nèi)采用柔性連接構(gòu)造，接口間距為6 m，管溝間隔18 m設(shè)置一處變形縫，變形縫以瀝青麻絮填塞。

當(dāng)鋼管設(shè)置在墩柱上時，墩頂均設(shè)置滑動支座，保證管道在縱向上能夠產(chǎn)生一定的位移，避免壓縮或拉伸破壞。在側(cè)向上設(shè)置了限位鋼架，防止鋼管滑脫。

同時，為防止污水干管及相關(guān)工程，特別是鋼結(jié)構(gòu)在長期使用過程中產(chǎn)生銹蝕，在地震作用時突然破裂，需要對污水干管系統(tǒng)的防腐措施提出專門要求。因本次設(shè)計(jì)管道收集的污水中包含醫(yī)藥、化工廢水等可能具有腐蝕性的污水，所以管道內(nèi)壁應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)防腐。在采用防腐措施前，應(yīng)對鋼結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行噴砂除銹處理，除銹質(zhì)量等級要求達(dá)到（GB 50205—2001） 中的Sa2級標(biāo)準(zhǔn)。

其他構(gòu)造措施

在運(yùn)行中過程中，管道可能由于積存氣體而產(chǎn)生顫動，而當(dāng)有地震發(fā)生時，這種顫動可能加劇。為防止對管道產(chǎn)生破壞，應(yīng)在管道適當(dāng)位置設(shè)置自動排氣閥。

管道制作時的誤差可能造成管道在焊接時的應(yīng)力集中，進(jìn)而對管道的抗震性能產(chǎn)生影響。為了減輕該種工程病害，應(yīng)控制管道對接時的中心偏差，鋼管對接時應(yīng)使內(nèi)壁齊平。

焊縫是對管道抗震性能存在重要影響的因素之一。除了應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求外，為防止橫向和縱向焊縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，橫向焊縫位置和支座之間應(yīng)有足夠的距離，且管道拼接時應(yīng)將相鄰管節(jié)的焊縫位置交錯設(shè)置，不能出現(xiàn)十字形狀的交叉焊縫。

3 結(jié)語

（1） 架空管道的設(shè)計(jì)方案應(yīng)綜合考慮造價及工期因素，選取適宜的工程方案。

（2） 排污干管的抗震驗(yàn)算應(yīng)兼顧主體結(jié)構(gòu)和相關(guān)構(gòu)件，防止管道滑落等工程事故。

（3） 排污干管的抗震構(gòu)造措施除了應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求外，尚應(yīng)注意控制制作和焊接時的工程病害。