摘"要：本文基于深圳市紅海大道赤石河特大橋隨橋給水管道設(shè)計(jì)案例， 深入探討了大跨徑橋梁隨橋管道設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)與關(guān)鍵點(diǎn)， 包括橋梁斷面的管道布局、 管道受力特性、 伸縮變形以及上下橋節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：斜拉橋；鋼箱梁；隨橋給水管道；變形量；變形補(bǔ)償器裝置；水平推力文章編號(hào)：2095-4085（2024）07-0097-03

0"引言

城市建設(shè)中，由于自來(lái)水廠水源位置特性，市政管道往往需跨河。因建設(shè)用地和工程投資限制，市政給水管單獨(dú)設(shè)置管道橋梁實(shí)施存在困難。隨著工程建設(shè)的發(fā)展，給水管道隨橋敷設(shè)方案?jìng)涫芙ㄔO(shè)單位和管養(yǎng)部門(mén)的青睞。然而，當(dāng)給水管道需要隨大跨徑橋梁過(guò)河時(shí)，設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)尤為顯著。本文依托實(shí)際工程案例，深入剖析了隨大跨徑橋梁敷設(shè)給水管道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)與難點(diǎn)［1］。

1"工程背景

紅海大道位于深圳市深汕特別合作區(qū)小漠鎮(zhèn)，為東西走向的市政主干路，跨越通航河道赤石河。新建紅海大道赤石河特大橋總長(zhǎng)1 058m，橋梁跨徑布置

為：4×30+32+40+32+3×30+4×30+（48+52+48三跨連續(xù)鋼箱梁）+（256+50+40+40獨(dú)塔混合梁斜拉橋）+3×30=1 058m。

其中主橋?yàn)楠?dú)塔斜拉橋，最大跨徑256m，主梁寬44m。紅海大道與赤石河中心線斜交角為34.68°，擬建橋位處河面寬約280m。根據(jù)給水管網(wǎng)規(guī)劃，紅海大道沿線新建2條DN1200給水管。

2"給水管道過(guò)河方案比選

紅海大道跨河道處河面寬度大，與道路同步建設(shè)的為兩根DN1200大管徑市政給水管。結(jié)合國(guó)內(nèi)外的工程案例，常見(jiàn)市政給水管道過(guò)河方案主要有3種，以下對(duì)三種方案進(jìn)行分析比選。見(jiàn)表1。

3"管道隨橋敷設(shè)方案設(shè)計(jì)重點(diǎn)難點(diǎn)

3.1"橋梁主梁斷面設(shè)計(jì)

3.1.1"管道位于橋面上

紅海大道為雙向8車道市政主干路，赤石河特大橋?yàn)楠?dú)塔斜拉橋，其主梁為鋼箱梁，橋面布置為：3.25m（人行道）+3.25m（拉索區(qū)）+15m（車行道）+1m（中央防撞護(hù)欄）+15m（車行道）+3.25m（拉索區(qū)）+3.25m（人行道）=44m。

如果采用DN1200給水管設(shè)置于橋面上，則橋面至少需增加4.4m。此方案主要優(yōu)點(diǎn)為：給水管道安裝、

養(yǎng)護(hù)方便，不影響隨橋敷設(shè)的其他市政管線；主橋主梁設(shè)計(jì)難度較小，主梁內(nèi)部不需考慮預(yù)留給水管道空間。其主要缺點(diǎn)為：橋梁寬度增加，工程投資增加；橋面風(fēng)阻增加，對(duì)橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)不利。

主要從節(jié)約工程投資方面考慮，不增加橋面寬度，赤石河特大橋隨橋給水管道不選擇設(shè)置于橋面的方案。

3.1.2"管道位于主梁腹內(nèi)

給水管道設(shè)置于橋梁主梁腹內(nèi)的方案，主要優(yōu)點(diǎn)為：橋面寬度較小，充分利用主梁腹內(nèi)空間，有效節(jié)約工程投資；有效減少橋面風(fēng)阻，有利于橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)。其缺點(diǎn)為：橋梁主梁需考慮設(shè)計(jì)特殊的給水管道安裝空間；管道上下橋節(jié)點(diǎn)主梁需設(shè)計(jì)特殊空間；管道后期養(yǎng)護(hù)相對(duì)難度大。

主要從節(jié)約工程投資方面考慮，赤石河特大橋隨橋給水管道采用設(shè)計(jì)于主橋主梁腹內(nèi)的方案。

3.2"橋梁主梁腹內(nèi)管道空間設(shè)計(jì)

紅海大道為市政主干路，規(guī)劃與道路同步建設(shè)的有電力、通信、燃?xì)?、給水等管線。同時(shí)實(shí)施的市政管線皆隨橋敷設(shè)，各種市政管線布置時(shí)需滿足各種管線間安全間距和管道檢修空間需求。規(guī)劃的兩根DN1200給水管道，每根管道滿載情況下每延米恒載約為18kN。橋梁主梁需考慮恒載受力影響。赤石河特大橋主橋主梁腹內(nèi)給水管道空間設(shè)計(jì)還需考慮以下要點(diǎn)。

（1）管道安裝和養(yǎng)護(hù)的空間需求。給水管道安裝和養(yǎng)護(hù)需要一定的操作空間。

（2）管養(yǎng)需求。市政給水管道運(yùn)營(yíng)期間養(yǎng)護(hù)頻率高，需考慮到給水管道運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)需求，以及減少管道破損泄露對(duì)橋梁鋼箱梁和內(nèi)部其他管線的影響。

經(jīng)綜合考慮，兩根給水管道分別設(shè)置于橋梁兩側(cè)人行道下。為便于運(yùn)營(yíng)期的養(yǎng)護(hù)，人行道蓋板每隔10m設(shè)置為可開(kāi)啟結(jié)構(gòu)。此方案優(yōu)點(diǎn)如下：1）該位置管道空間獨(dú)立，不與其他市政管道相鄰，安全性較高。2）人行道板下的空間大，滿足給水管道安裝空間需求。3）給水管道于橋梁兩側(cè)人行道對(duì)稱布置，有利于橋梁受力，同時(shí)有利于給水管上下橋的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。4）有利于運(yùn)營(yíng)期管道養(yǎng)護(hù)，人行道下的管道養(yǎng)護(hù)作業(yè)不影響車行道交通通行。斜拉橋主橋斷面圖見(jiàn)圖1。

3.3"管道變形補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

隨橋敷設(shè)的長(zhǎng)距離管道變形主要有管道溫度變形、管道荷載變形、隨橋變形、橋梁梁端伸縮處變形［2］。

（1）管道溫度變形。（a=管道線性膨脹系數(shù)，L=管道長(zhǎng)度；ΔT=溫差）。最大跨段管道通長(zhǎng)256m，經(jīng)計(jì)算最長(zhǎng)連續(xù)節(jié)段管道溫度最大伸長(zhǎng)量為15cm。

（2）管道荷載變形。本項(xiàng)目給水管道為無(wú)縫鋼管，管道主要恒載為滿水自重荷載。鋼箱梁縱橋向沿線間隔3m設(shè)置一道管道豎向支撐，經(jīng)計(jì)算，管道自重變形可忽略。

（3）隨橋變形。本項(xiàng)目主橋?yàn)楠?dú)塔斜拉橋，主梁為鋼箱梁，橋面為柔性結(jié)構(gòu)。橋梁運(yùn)營(yíng)期間，受可變荷載作用，橋面豎向變形量較大，相應(yīng)的隨橋敷設(shè)的管道運(yùn)營(yíng)期豎向變形量最大。根據(jù)，結(jié)構(gòu)應(yīng)變主要由受力與結(jié)構(gòu)本身材料特性彈性模量確定。

本項(xiàng)目的主橋鋼箱梁為Q345鋼材，隨橋敷設(shè)的給水管道為Q235鋼管，兩者彈性模量數(shù)值相同，給水鋼管可隨鋼箱梁協(xié)同變形。主橋鋼主梁最大變形量為豎向314.2mm， 運(yùn)營(yíng)期主橋鋼箱梁最大應(yīng)力為176.8MPa，滿足鋼材受力要求。因此，給水鋼管協(xié)同變形受力情況下，鋼管受力滿足設(shè)計(jì)要求。主橋主梁運(yùn)營(yíng)期應(yīng)力包絡(luò)圖見(jiàn)圖2。

（4）橋梁梁端伸縮縫處變形。橋梁兩端伸縮處變形是隨橋敷設(shè)管線變形處理的關(guān)鍵設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)橋梁邁達(dá)斯模型計(jì)算結(jié)果，主橋主跨梁端伸縮縫處縱橋向最大縮短量219.88mm， 最大伸長(zhǎng)量142.65mm；橫橋向最大位移變形量為17mm。橋梁主橋主跨梁端設(shè)置數(shù)模伸縮縫適應(yīng)相應(yīng)的變形。

隨橋敷設(shè)的給水管道需在主橋主跨伸縮縫處設(shè)置變形補(bǔ)償器解決該節(jié)點(diǎn)管道與橋梁協(xié)同變形的問(wèn)題。經(jīng)比選采用WZUH-10-1200-513/18（縱向最大變形量513mm，橫向最大變形量18mm）型變形補(bǔ)償器。該補(bǔ)償器具有結(jié)構(gòu)尺寸小，縱、橫向變形量大，滿足管道隨橋梁端部伸縮變形的需求。補(bǔ)償器長(zhǎng)度為4 000mm，外徑為D1700mm，人行道下給水管道左右側(cè)凈距皆≥300mm，上下側(cè)凈距≥300mm。因此，管道空間滿足補(bǔ)償器安裝空間要求。

3.4"管道上下橋節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

因?yàn)榻o水管道上下橋處受力復(fù)雜，給水管上下橋?yàn)樵O(shè)計(jì)重點(diǎn)難點(diǎn)。從橋梁主梁斷面空間、結(jié)構(gòu)受力等方面綜合考慮，設(shè)計(jì)中針對(duì)給水管道此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，考慮盡量減少對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

給水管道上下橋節(jié)點(diǎn)處的水平推力估算如下。

（1）水壓力。給水管道設(shè)計(jì)試驗(yàn)水壓為1.5MPa，給水管道上下橋處彎頭45°，管道受力計(jì)算公式。經(jīng)計(jì)算給水管道水壓作用下管道水平推力最大為815kN?？紤]水錘效應(yīng)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)1.5，則每根管道于上下橋節(jié)點(diǎn)處最大水平推力為1 223kN。

（2）管道變形應(yīng)力。給水管道下橋節(jié)點(diǎn)前設(shè)置變形補(bǔ)償器，補(bǔ)償器的固定受力端位于管道下橋方向，因此給水管道上下橋節(jié)點(diǎn)處還需考慮補(bǔ)償器的變形應(yīng)力。給水管道位移補(bǔ)償器縱向剛度262N/mm，管道上下橋節(jié)點(diǎn)段管道位移補(bǔ)償器最大縱向形變量為13mm，因此給水管道最大水平推力約為3.3kN。

經(jīng)計(jì)算，給水管道下橋節(jié)點(diǎn)處最大水平力為1 224kN。給水管道于橋梁小樁號(hào)側(cè)下橋節(jié)點(diǎn)位于48+52+48（m）三跨連續(xù)鋼箱梁的邊跨段。該邊跨橋墩上鋼箱梁下設(shè)置兩個(gè)支座支撐傳遞上部荷載，如管道水平推力由主梁承擔(dān)，則橋墩處單個(gè)支座受到的水平推力為612kN。如此巨大的水平推力不但影響橋梁支座選型，同時(shí)還增加了橋墩的受力。由于三跨連續(xù)鋼箱梁引橋小樁號(hào)側(cè)的邊跨已位于河岸側(cè)，因此為減少對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，給水管道上下橋節(jié)點(diǎn)處設(shè)置獨(dú)立管道支墩［3］。

給水管道獨(dú)立支墩設(shè)計(jì)：管道下橋處水平推力較大，且給水管運(yùn)營(yíng)期水錘現(xiàn)象等容易出現(xiàn)沖擊、振動(dòng)等動(dòng)荷載，為避免管道下橋處對(duì)橋梁的影響，該處單獨(dú)設(shè)立管道支墩與管道連接。給水管道支墩尺寸為：縱向3.5m，橫橋向3.3m。綜合考慮該段的橋面構(gòu)造需求，管道下彎節(jié)點(diǎn)包含進(jìn)支墩內(nèi)。獨(dú)立支墩處橋梁主梁翼板設(shè)計(jì)為矩形缺口，支墩的頂部標(biāo)高與橋梁橋面平齊過(guò)渡?？紤]管道彎折處管道沖擊荷載較大，為增強(qiáng)承載力，將其包封與支墩中。管道下橋地面處在緊靠的橋梁承臺(tái)上設(shè)置混凝土鎮(zhèn)墩，彎折管道包封在鎮(zhèn)墩內(nèi)。給水管上下橋支墩示意圖見(jiàn)圖3。

4"總結(jié)

大管徑管道隨橋過(guò)河時(shí)，需從橋梁結(jié)構(gòu)特性及斷面布置等方面綜合考慮管道設(shè)計(jì)方案。本項(xiàng)目中主橋?yàn)樾崩瓨颍骺缱畲蟮淖冃瘟繛檫\(yùn)營(yíng)階段主梁越1/3跨出的豎向變形。如果給水管道材料與主橋主梁材質(zhì)不同，則需在主跨中將給水管道分段設(shè)置變形補(bǔ)償器以解決隨橋變形的問(wèn)題［4］。

綜上，工程案例中斜拉橋管道隨橋跨河最主要的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在主梁斷面設(shè)計(jì)、管道伸縮補(bǔ)償器選型與管道上下橋處節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。綜合分析，采用可靠的設(shè)計(jì)方案，大管徑剛性管道隨橋過(guò)河技術(shù)具有可行性，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)營(yíng)期管養(yǎng)、縮短工期等方面也具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

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