吳志剛

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730000）

1 引言

自承式圓弧形拱管是輸水管道跨河建筑物設(shè)計(jì)中一種常見(jiàn)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(shè)計(jì)方式,其優(yōu)點(diǎn)是美觀且與周圍環(huán)境協(xié)調(diào),施工方便, 一般不進(jìn)行水下施工,后期管理維護(hù)檢修方便等。但設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（矢跨比、管道壁厚、 支墩以及基礎(chǔ)埋深、排氣閥等）不當(dāng),荷載及外部因素考慮不全面,會(huì)影響管道壽命和使用 年限,后期運(yùn)行中也容易遭到外界因素破壞,應(yīng)加以防護(hù)。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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CECS 214-2006）（后簡(jiǎn)稱設(shè)計(jì)規(guī)程）中對(duì)拱管布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、荷載組合、內(nèi)力計(jì)算強(qiáng)度校核以及穩(wěn)定性驗(yàn)算進(jìn)行詳細(xì)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 m～0.6 m,除管徑2.4 m～2.2 m且地質(zhì)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(shè)計(jì)規(guī)程》中有關(guān)規(guī)定選取DN1000 輸水管道進(jìn)行跨河段初步設(shè)計(jì),包括基本參數(shù)選取計(jì)算、荷載組合并進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算,后采用理正結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行圓弧拱管鋼管強(qiáng)度計(jì)算。

2 自承式拱管設(shè)計(jì)

2.1 拱管布置

輸水管道管線布置在河道過(guò)縣城段與河道垂直交叉,根據(jù)現(xiàn)有河道治理資料,河道寬度49.4 m左右,河床沖刷深度1.1 m,本文采用自承式圓弧拱管跨河設(shè)計(jì),輸水管此段設(shè)計(jì)管徑1.0 m,管內(nèi)工作壓力0.9 MPa,設(shè)計(jì)跨度54.0 m,為保證拱管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,矢跨比采用 =1/6,壁厚10 mm,兩端支墩尺寸按照設(shè)計(jì)圖紙選取并優(yōu)化,支墩基礎(chǔ)埋深應(yīng)滿足防凍及沖刷深度要求,在架空鋼管頂部設(shè)置自動(dòng)排氣閥,以防止管道產(chǎn)生顫動(dòng)而影響管道結(jié)構(gòu)安全。拱管設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格按照《自承式圓弧形架空鋼管圖集》（06S 506-2）和《自承式給水鋼管跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（ CECS 214-2006）中有關(guān)規(guī)定布置和設(shè)計(jì)。自承式拱管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖 1。

圖1 自承式圓弧拱管縱剖面布置圖

基本參數(shù)：項(xiàng)目所在地基本風(fēng)壓ω0為 0.35 kN/m2,根據(jù)工程區(qū)氣象資料查的,工程區(qū)溫差標(biāo)準(zhǔn)值30°C,不考慮雪荷載的影響。

2.2 基本地質(zhì)情況

管道沿河道左岸布置,其中過(guò)縣城段需橫跨河道,管道沿線地表出露的全為第四系洪積層,上部3.5 m～6.8 m,其下以粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土為主,局部夾有粉砂,淤泥層埋深多在 6.8 m以下,基礎(chǔ)大部可置于粉質(zhì)粘土上,承載力滿足要求,地下水活動(dòng)微弱,基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定性好,不存在沉降變形問(wèn)題,地基土中無(wú)粉砂、粉砂土,可不考慮地震液化問(wèn)題,基礎(chǔ)開(kāi)挖邊坡全為土質(zhì)邊坡,土質(zhì)密實(shí),透水性中等,地下水活動(dòng)微弱,不易發(fā)生滲透變形,開(kāi)挖邊坡及基礎(chǔ)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(shè)計(jì)參數(shù)

自承式圓弧拱管進(jìn)行受力分析時(shí),首先要對(duì)拱管基本參數(shù)進(jìn)行確定,本文結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)、地質(zhì)及水文資料等,確定基本參數(shù)見(jiàn)表1。計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2 計(jì)算簡(jiǎn)圖

表1 自承式圓弧拱管基本參數(shù)表

3.2 內(nèi)力計(jì)算

3.2.1 荷載計(jì)算

作用在輸水鋼管上的荷載主要有鋼管自重、管道內(nèi)外防腐材料重、管道內(nèi)水重、靜水壓力、風(fēng)荷載以及溫度作用、施工荷載等[1],計(jì)算荷載組合參照《自承式給水鋼管跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CECS 214-2006）中表 5.2.7。各種荷載計(jì)算如下：

（1）圓拱平面內(nèi)沿拱軸均布的垂直荷載q：

施工荷載 qi：qi=D2×2=2.044 kN/m2

附屬設(shè)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=1.4 qi=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(fēng)荷載）P：

式中：ωo為基本風(fēng)壓 ,取值 0.35 kN/m2；βz、

z分別為高度 z處的風(fēng)振系數(shù)、風(fēng)荷載體型系數(shù)和風(fēng)壓高度變化系數(shù),根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》得到參數(shù)值分別為 1.0、0.7 和 1.1。計(jì)算得到均布荷載 P=0.386 kN/m。

（3）溫度變化：ΔT=30℃。

3.2.2 內(nèi)力計(jì)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(nèi)力最大,是輸水鋼管最容易破的地方,在設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)拱腳產(chǎn)生的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)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(fēng)荷載和半跨作用均布荷載四個(gè)部分,計(jì)算時(shí)分別進(jìn)行計(jì)算,再進(jìn)行疊加,求出內(nèi)力值[2]。本文以沿拱軸的均布垂直荷載作用,在拱腳處產(chǎn)生的內(nèi)力為例進(jìn)行計(jì)算,其余部分荷載產(chǎn)生的內(nèi)力計(jì)算方法與其相同,計(jì)算公式采用《自承式給水鋼管跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CECS 214-2006）中拱管內(nèi)力計(jì)算公式,各內(nèi)力參數(shù)按照《設(shè)計(jì)規(guī)程》中附錄 A～附錄 D 進(jìn)行選取。由沿拱軸的均布垂直荷載作用,在拱腳處產(chǎn)生的內(nèi)力計(jì)算如下：

式中：HAg、NAg、VAg、MAg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(fù)見(jiàn)表2說(shuō)明；MAg為拱腳處彎矩值,N·mm；KHg、KNg、KVg、KMg為內(nèi)力系數(shù),取值見(jiàn)《設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A～附錄D；其余符號(hào)取值見(jiàn)表1。

其余荷載作用產(chǎn)生的內(nèi)力計(jì)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(nèi)力值,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 2。

圖3 沿拱軸的均布垂直荷載作用下內(nèi)力圖

表2 各種荷載作用下拱腳處產(chǎn)生的內(nèi)力值

3.3 強(qiáng)度復(fù)核

3.3.1 理正結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

自承式拱管強(qiáng)度復(fù)核主要按滿跨和半跨兩種不利情況下各種效應(yīng)組合作用進(jìn)行驗(yàn)算[3],通過(guò)計(jì)算固定端（拱腳）以及里固定端 0.55 處截面最大組合折算應(yīng)力,計(jì)算原理主要是根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)知識(shí),但計(jì)算過(guò)程需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力,計(jì)算過(guò)程 中也容易出錯(cuò),為提高拱管設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,避免大量計(jì)算造成的失誤以及提高工作效率,本文采用理正結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行強(qiáng)度校核,計(jì)算時(shí)輸入基本參數(shù)和內(nèi)力值后,程序自動(dòng)計(jì)算得到結(jié)果,準(zhǔn)確性高,歷時(shí)較短,篇幅所限,本文僅對(duì)滿跨工況下拱腳處的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,固定端處截面最大組合折算應(yīng)力計(jì)算方法相同,半跨工況時(shí)重新輸入設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算即可,理正結(jié)構(gòu)計(jì)算截面見(jiàn)圖4,滿跨和半跨兩種不利情況下強(qiáng)度復(fù)核結(jié)果值見(jiàn)表3。

圖4 理正結(jié)構(gòu)計(jì)算截面截圖

3.3.2 計(jì)算過(guò)程及計(jì)算結(jié)果

（1）內(nèi)力計(jì)算

考慮扭轉(zhuǎn)作用的平面外彎矩：

（2） 軸向應(yīng)力

內(nèi)力產(chǎn)生的軸向應(yīng)力：

內(nèi)表面局部縱向應(yīng)力：

總的縱向應(yīng)力：

（3）剪切應(yīng)力

（4）折算應(yīng)力最大值

表3 滿跨和半跨兩種不利情況下強(qiáng)度復(fù)核結(jié)果值

經(jīng)計(jì)算,兩種工況下自承式拱管強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論及建議

自承式拱管可以充分利用地形,施工維護(hù)簡(jiǎn)便,施工后造型美觀,具有很高的美學(xué)價(jià) 值,達(dá)到了工程與自然的和諧統(tǒng)一。自承式圓弧拱管跨河設(shè)計(jì)不僅可以應(yīng)用在水利管道,在石油、天然氣以及輸水拱管結(jié)合人行橋設(shè)計(jì)中都具有較高的利用。本文依據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)方面的知識(shí),采用理正結(jié)構(gòu)進(jìn)行拱管受力計(jì)算,大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程,提高了計(jì)算精度和準(zhǔn)確性,使得拱管設(shè)計(jì)更加安全穩(wěn)定。