趙文劍，邵林海，黃 琮

（華匯工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，浙江 紹興 312000）

隨著我國工業(yè)化水平的不斷發(fā)展，工廠的建設(shè)也大幅增加。為提高工業(yè)區(qū)土地的利用率，綜合管廊就成為各種管線的承載體而得到較為廣泛的應(yīng)用。與地下管廊相比，鋼桁架管廊由于施工安裝方便，技術(shù)成熟可靠，且造價(jià)相對(duì)較低的特點(diǎn)，在工業(yè)區(qū)管廊建設(shè)中占有重要的地位。

目前，對(duì)鋼桁架管廊的研究主要集中在結(jié)構(gòu)選型［1］、布置優(yōu)化［2］、施工［3］和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)［4-6］等方面。由于鋼材良好的導(dǎo)熱性能，鋼桁架管廊的整體受力情況與環(huán)境溫度密切相關(guān)。當(dāng)管廊內(nèi)布設(shè)有熱力管時(shí)，管道的溫度又會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生溫度應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜化。然而，對(duì)熱力管的研究重點(diǎn)關(guān)注的是管道本身和支座的受力情況［7-9］，對(duì)鋼桁架管廊的溫度應(yīng)力，特別是在熱力管和環(huán)境溫度耦合作用下的整體分析還有待進(jìn)一步深入研究。

本文結(jié)合實(shí)際工程，采用有限元軟件Midas/Civil對(duì)鋼桁架管廊在環(huán)境溫度和熱力管耦合作用下的受力情況進(jìn)行分析，給出了不同溫度下的受力特點(diǎn)，為承載熱力管的鋼桁架管廊設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

本文以杭州灣上虞經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)綜合管廊建設(shè)工程為背景。管廊采用地上單層鋼結(jié)構(gòu)桁架的形式，全長2.7 km。桁架凈高為3.0 m，寬度4.3 m。管廊內(nèi)納入的管線包括給水管、通訊管線、污水壓力管線、電力管線和熱力管。其中，熱力管型號(hào)為DN400。為減小結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力，綜合管廊沿長度方向分成24聯(lián)。其中標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)長度99 m，標(biāo)準(zhǔn)跨徑為15 m，在中點(diǎn)和兩端設(shè)置抗推墩。鋼桁架管廊結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1 鋼桁架管廊結(jié)構(gòu)布置

2 有限元模型

2.1 模型概況與約束

本文選取標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)段為研究對(duì)象，采用Midas/Civil建立有限元模型。由于其他管線受溫度影響較小，在模型中只對(duì)鋼桁架和熱力管進(jìn)行建模。桿件和管體均采用梁?jiǎn)卧?，通過釋放梁端轉(zhuǎn)角約束實(shí)現(xiàn)桁架受力特征的模擬。有限元模型共包含梁?jiǎn)卧?54個(gè)，節(jié)點(diǎn)407個(gè)。

熱力管與鋼桁架下橫桿之間采用彈性連接模擬。在抗推墩處，管道與鋼桁架固結(jié)，模擬固定支座。其他部位釋放縱向約束以模擬滑動(dòng)支座。墩和基礎(chǔ)的連接為固支。為緩和熱力管溫度應(yīng)力，在第2跨和第5跨設(shè)置方形補(bǔ)償器。整體有限元模型見圖2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)有限元模型

2.2 計(jì)算工況

結(jié)合背景工程所在地的氣候狀況，本文假定鋼桁架和熱力管的安裝溫度為10℃，并以整體升溫20℃，管道溫度100℃為典型分析工況。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)變形

溫度升高時(shí)，因構(gòu)件受熱膨脹會(huì)引起鋼桁架結(jié)構(gòu)整體變形，產(chǎn)生縱向水平位移。典型工況（整體升溫20℃，管道溫度100℃）下，鋼桁架抗推墩的水平位移云圖見圖3。由圖可知，在溫度荷載作用下，桁架最大水平位移出現(xiàn)在兩端抗推墩的頂部。

圖3 典型工況抗推墩水平位移云圖

為進(jìn)一步探明整體升溫和管道溫度對(duì)鋼桁架水平位移的影響，圖4和圖5分別給出了單獨(dú)考慮整體升溫和管道溫度時(shí)鋼桁架管廊抗推墩頂部水平位移。由圖4可知，鋼桁架管廊水平位移隨系統(tǒng)溫度的升高呈線性增長，當(dāng)整體溫度上升50℃時(shí)，抗推墩頂最大偏移量可達(dá)到9.18 mm。

圖4 整體升溫對(duì)鋼桁架水平位移的影響

圖5 管道溫度對(duì)抗推墩水平位移的影響

管道溫度對(duì)抗推墩水平位移的影響也呈線性關(guān)系。由于熱力管中設(shè)置了方形位移補(bǔ)償器，管體的膨脹位移在補(bǔ)償器處得到釋放，因此對(duì)鋼桁架管廊水平位移的影響較小。管道溫度為200℃時(shí)，抗推墩頂最大偏移量?jī)H1.21 mm。

3.2 固定支座水平推力

由于熱力管的溫度遠(yuǎn)高于鋼桁架，管道沿縱向的變形遠(yuǎn)大于桁架桿件，在固定支座處必然存在不平衡水平推力。圖6給出了在管道溫度為100℃時(shí)，不同環(huán)境溫度下抗推墩處固定支座的水平推力。

由圖6可知，管道溫度為100℃時(shí)，抗推墩固定支座水平推力可達(dá)到139.9 kN。隨著環(huán)境溫度的升高，水平推力線性減小，當(dāng)整體升溫為50℃時(shí)，支座水平推力降為40.7 kN，僅為初始狀態(tài)的29.1%。這是由于熱力管溫度由內(nèi)部介質(zhì)決定，通常不隨環(huán)境溫度的改變而改變。當(dāng)鋼桁架整體升溫時(shí)，桁架與管道間的溫差減小，兩者變形量也逐漸接近。

圖6 支座推力隨整體升溫的變化

3.3 抗推墩構(gòu)件應(yīng)力

圖7和圖8為整體升溫50℃時(shí)和管道溫度100℃時(shí)抗推墩桿件的應(yīng)力云圖。由圖可知，在升溫作用下，抗推墩外側(cè)立柱受壓，內(nèi)側(cè)立柱受拉。和水平位移一樣，由于方形補(bǔ)償器釋放了熱力管的變形，由管道溫度引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力相對(duì)較小，內(nèi)外立柱最大應(yīng)力分別為11.5 MPa和-11.7 MPa。整體升溫則會(huì)在抗推墩立柱中引起很大的應(yīng)力，內(nèi)外立柱應(yīng)力達(dá)到133.9 MPa和-195.2 MPa。因此，在高溫的夏天，鋼結(jié)構(gòu)桁架處于受力不利狀態(tài)。

圖7 整體升溫50℃時(shí)抗推墩應(yīng)力云圖

圖8 管道溫度100℃時(shí)抗推墩應(yīng)力云圖

4 結(jié) 語

本文基于有限元分析，對(duì)環(huán)境溫度和熱力管溫度耦合作用下，鋼桁架管廊的整體受力進(jìn)行了研究，分析了溫度對(duì)鋼桁架水平位移、管道支座不均勻水平推力和鋼桁架桿件應(yīng)力的影響，可得出如下結(jié)論：

1）當(dāng)溫度升高時(shí)，鋼桁架管廊最大位移出現(xiàn)在兩端抗推墩頂部。水平位移隨整體升溫和管道溫度的增大而呈線性增大。由于熱力管補(bǔ)償器的作用，整體升溫引起的桁架水平位移占主導(dǎo)地位。

2）熱力管固定支座處的水平推力與管道和環(huán)境溫差有關(guān)。隨著兩者溫差的減小，水平推力線性減小。

3）整體升溫引起的抗推墩立柱的應(yīng)力遠(yuǎn)大于管道溫度引起的應(yīng)力。當(dāng)環(huán)境溫度高時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力增長明顯。

4）當(dāng)熱力管合理地設(shè)置位移補(bǔ)償器后，環(huán)境溫度成為鋼結(jié)構(gòu)管廊設(shè)計(jì)時(shí)的主要溫度荷載。