油气管道桁架式跨越设计探讨

黄 寒 李婷婷

油气管道桁架式跨越设计探讨

黄 寒 李婷婷

针对油气工程中桁架式跨越的特点,分别介绍了桁架设计中桁架杆件、截面形式和高跨比的初选方法和经验数据及桁架跨越桥墩的设计要点,对相关设计人员具有一定指导意义。

油气管道,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气长输管道、天然气处理厂、石油炼化厂等工程中有着广泛的应用,例如：西气东输中卫黄河跨越、南干线西段镇西河跨越等。根据石油天然气行业的特点和多年桁架设计的经验,桁架的弦杆、腹杆一般采用钢管,两榀简单桁架通过上、下弦水平杆件组成空间桁架,管道及检修通道安装在水平杆件上,这种结构形式刚度大、抗腐蚀性强、节点连接简单、施工安装方便。下面就探讨一下桁架结构设计的几个问题。

2 桁架式跨越的形式

1)根据管道、检修通道等桥面系设置位置的不同,可分为上承式、下承式。

上承式：桥面系设置在桥跨支承结构上面的桥梁,称为上承式(见图 1)。其优点是桥面系位于桁架顶面,管道、检修通道的布置不受桁架杆件影响(特别是桁架斜撑),施工方便。缺点是桁架高度对桥下净空尺寸的影响较大。下承式：桥面系设置在桥跨支承结构下面的桥梁,称为下承式(见图 2)。其优点是管道、检修通道从桁架内部穿过,桥下净空较上承式更大。缺点是斜撑杆件对管道及检修通道的布置有一定影响。

选择上承式和下承式首先应考虑桥面系的布置,即管道、检修通道、通讯电缆等的布置,一般情况下首先采用下承式;其次应考虑车辆通行、船舶通航、洪水等因素对桥下净空尺寸的要求,以满足通航通行相关国家规范、工程所在地有关规定。

2)根据桁架竖杆及腹杆的布置不同,可分为“斜腹杆对称式”“斜腹杆交错式”“全斜腹杆式”(见图 3)。

一般情况下腹杆仅作为桁架受力杆件,采取何种布置方式并无具体要求,但考虑到立面简洁、节点连接简单等因素,应优先采用全斜腹杆式。同时,在考虑桁架节间长度时,应保证斜腹杆与上、下主弦杆夹角在 40°～60°范围内。

3 钢管和型钢的选择

桁架杆件可采用组合焊接型钢或者钢管,但从节点连接、防腐及施工难易度等方面考虑,采用组合焊接型钢杆件,需要先将工字钢、槽钢、角钢、缀板等按计算要求组焊成受力杆件[1],而且节点处一般都需要增加节点板,在施工上较为麻烦,而钢管桁架节点连接较为简单,通常可以钢管对钢管直接焊接。其次,以80m跨度为例,在相同的荷载条件下计算得出,矩形钢管桁架的用钢量约为 50 t,矩形组合焊接型钢桁架用钢量约 72 t。

由此可见,从用钢量、施工难易度、防腐等方面考虑,选用钢管作为主要受力构件较为合理。

4 桁架跨越主要尺寸设计

4.1 桁架横截面设计

在桁架横截面设计中,一般采用三角形断面、矩形断面、梯形断面。三种断面形式各有优劣,而矩形断面和梯形断面近似,因此仅就三角形断面和矩形断面做一个比较。

三角形断面受力杆件较矩形断面少,但其截面高度较矩形截面高,而且三角形断面桁架通常都是上承式,因此对桥下净空的影响更大。以 80m跨度为例,上承式三角形断面比上承式矩形断面的桥下净空尺寸高约1m,比下承式矩形断面高约 6m;三角形桁架比矩形桁架用钢量多约12 t[2,3]。

由此可见应优先选择矩形截面。

4.2 桁架高跨比及宽度选择

桁架高跨比的取值是桁架快速设计的重要一步,对目前我国油气管道建设中通常用到的L=60m,80m,100m三种跨度,在相同荷载条件下,根据我院多年桁架的数据,对矩形截面的桁架按高跨比(H/L)在 1/8～1/15的区间进行了对比,经计算、统计、优化,建议桁架的高跨比取 H/L≈1/15,宽高比取 B/H≈0.7。

4.3 主要杆件尺寸

根据《钢结构设计规范》中规定的桁架杆件长细比规定为[4]：

受压构件：λ≤150;当桁架跨度 L≥60m时,受压弦杆和端压杆取 λ=100,其他腹杆 λ≤150(静荷载或间接承受动荷载)和 λ≤120(直接承受动荷载);受拉构件：λ≤250;当桁架跨度 L≥60 m时,受拉弦杆和腹杆取λ≤300(静荷载或间接承受动荷载)和λ≤250(直接承受动荷载)。

经计算、统计、优化,建议桁架的弦杆和腹杆钢管尺寸见表 1。

表1 主要杆件尺寸

5 桁架跨越桥墩设计

管道跨越工程大都属于控制性工程,在保证上部桁架结构安全、经济、合理的前提下,桁架桥墩的设计也相当重要,在满足美观的同时,应充分考虑桩、承台等的受力,特别是流水冲击、船舶或漂浮物撞击等因素对桥墩的作用力[5]。

桁架桥墩一般采用低桩承台、高桩承台两种形式,桩径D取1.2m～1.8m,桩端一般嵌入中风化持力层 2D～5D。通常桩外露净高(持力层顶面至桩顶)小于 20m时采用高桩承台,其优点是：

1)部分桩身露在地面以上,可以节约桥墩的圬工数量;

2)减少水下作业,施工较为方便。但是当桩外露净高大于20m时,在水平力作用下,桩的外露段由于没有土的弹性抗力与它共同作用,故桩身内力和位移都将大于在同样水平外力作用下的低桩承台,在稳定性方面也没有低桩承台的好,因此采用低桩承台较为合理。

此外,支承桁架支座的承台,在设计时首先应根据跨越位置的建设条件,特别是结合施工水位、常年水位、枯水位及洪水位确定合理的标高,一般情况下以施工水位以下 2 m作为承台底面标高较为合适。结构尺寸以满足承台构造、管道支座安装的要求为准。

6 结语

根据桁架设计积累的经验数据,结合对比计算,为确定桁架立面形式、几何尺寸、杆件截面等提供快速、准确的方法。设计人员可根据实际工程情况进行验算、修改,提高设计效率。

[1]夏 军.80m跨径下承式简支焊接钢桁架桥的设计与施工[J].钢结构,2002(11)：22-24.

[2]中国石油工程设计西南分公司.西气东输管道工程特大型河流穿跨越中卫黄河跨越施工图设计文件[Z].2002.

[3]中国石油工程设计西南分公司.南干线西段(纳溪—成都)复线工程镇溪河跨越施工图设计文件[Z].2007.

[4]GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].

[5]GB 50459-2009,油气输送管道跨越工程设计规范[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

黄 寒(1981-),男,工程师,中国石油工程设计西南分公司,四川 成都 610017

李婷婷(1983-),女,工程师,中国石油工程设计西南分公司,四川 成都 610017