热力管道大跨度拱管设计探讨

房永岩 马晓冬

摘要：拱管作为跨越的一种方式，在热力管道跨越工程中被广泛应用。拱管既是一个热水输送管，又是一个支撑结构，在设计过程中需要对拱管的各种受力情况进行详细的计算。文章分析了在供热管线中应用拱形管道的优势、经济性和实用性，提出了拱管和支架支墩的设计要点。

关键词：热力管道；大跨度拱管设计；矢跨比；拱形支架；人字形支架

中图分类号：TU990 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）01-0050-03

一、概述

城镇热网工程在建设过程中经常遇到管道跨越道路、河流工程。管道跨越的方式有很多种，结构常采用的有拱管、悬索、吊索、钢桁架等。拱管作为跨越的一种方式，在热力管道跨越工程中被广泛应用。目前在沈阳、锦州、营口等城市已有多座热力拱管投入使用，运行状况均良好。拱管是钢管弯制、焊接而成的一个圆弧形无铰拱的大跨度结构，它利用钢管自身的强度、钢度支撑，拱管既是一个热水输送管又是一个支撑结构。所以在设计过程中需要对拱管的各种受力情况进行详细的计算，本文主要对热力拱管的设计计算以及拱管在热力管道跨越工程中的应用进行探讨。

二、拱管与钢桁架比较的优势

对于大跨度、大管径的结构，一般宜采用拱管和钢桁架结构 钢桁架结构较壮观，跨度也大。但耗用钢材较多，且维修费用大。拱形管道是利用管子本身的强度直接支承在支架上，与钢桁架相比，拱管结构能节省较多钢材，特别对大跨度、大管径结构更为合适。另外，由于是拱形结构，在两侧支架不高情况下，管底空间高度就能满足使用要求。这样，拱支架高度就可适当降低。在造型上，拱管型式也较活泼，给周围环境增添美观色彩。因此，拱型管道是一种较为经济的结构。拱管常用等截面的无缝钢管制作，在整体上考虑园弧形的拱型管制作更方便，一般采用园弧形无铰拱的结构型式。为了进一步节约能源，改善城市环境状况，特别是近几年集中供热管网建设也在不断发展。因此，大跨度管网结构也越来越多，讨论和研究拱形管道的设计也有它的经济性和实用性。

三、拱管设计要点

拱管是管线跨越结构中最合理的结构体系之一，在中小型河流，沟渠跨越结构中占着极其重要的地位。拱管一般采用等截面无铰拱，管径较大（直径325以上）预弯很困难，则分若干直管段焊接成折线拱，管径较小（直径273以下）则可以分若干段预先热弯，然后焊接成圆弧拱。

（一）矢跨比确定

拱管设计时，首先要确定管道跨距及合理的矢跨比。矢跨比为矢高与跨距之比（f/L）。合理地选择矢跨比应与地形情况、地质条件、材料用量、净空要求和方便施工等因素综合考虑。

矢跨比的大小主要和管道自重、风荷载和温度有关，当然还应考虑河流的通航高度和宽度，在满足通航净空及管道应力的情况下，应考虑尽量增大矢跨比。矢跨比小，跨度越大则变形量愈大，同时荷载应力和温度应力也较大，支座水平推力会变得很大。因此缓拱对拱支墩受力来说不利。尤其是当地基不好时，则导致较大的位移，对拱产生不利影响。与其相反，陡拱矢跨比大，其材料用量多，吊装不方便。因此，从拱的稳定性考虑，拱过陡或过缓都不利。

根据经验，矢跨比一般可采用1/6～1/12，综合以上各方面因素考虑，矢跨比采用1/8～1/10较为适宜。一般情况下：（1）自重较大时，矢跨比取f/L=1/8；（2）风载较大时，矢跨比取f/L=1/10；（3）温差较大时，矢跨比取f/L=1/5。如跨距、高度受限，也可根据实际情况的特殊要求，以及建筑美观度（长细比）来确定其矢跨比。

（二）拱管的强度及稳定

拱管各种荷载作用下的内力计算可按等截面无铰拱的力学计算求得。在强度和稳定验算时我们通常按垂直静荷载、温度、侧向风荷载、内应力、全跨、办跨荷载的内力组合来进行验算。详细公式见文献1。

通常平面内稳定由拱管结构本身来保证，只要拱不过坦（f／L<1/4）是不会有问题的。一般情况下仅验算出拱平面的稳定即可。

但是当径跨比较小时，如：直径159跨度35m的拱管，靠拱管本身保证平面外稳定是不行的，这时一般可采取加斜撑的办法来满足平面外稳定，斜撑可按拉压杆来考虑。另外，斜撑提高整体刚度的同时，还提高了固有频率，对消除风振的影响也有一定作用。

（三）拱管长细比

拱管长细比主要应从管道自重和管道与环境的协调性以及管道自身长短与粗细的协调性、美观性考虑，尤其在城市桥梁附近建设的拱管，在视觉上与城市桥梁相协调，适当长细比的拱管就如一道彩虹，成为城市一道美丽的风景。由于拱管一般都比桥梁高，所以拱管在设计时应充分考虑管道所承受的风荷载，特别是在热带风暴较频繁的沿海地带，拱管的稳定性校核需特别重视。设计中根据热力管道两根管同行的特点，推荐采用供回水管道双拱互为平面外支撑，增强拱管稳定性，两管在平面外互相倚靠，中间设拉杆连接，如图1、图2所示：

四、拱管支架和支墩设计

管架所承受荷载，即拱脚处截面内力的反作用力，结构专业根据管架荷载进行支墩和支架设计。架空管线跨越时采用拱管支架，而直埋管线一般采用拱管支墩。

（一）拱管支墩

拱支墩的作用主要是嵌固拱趾和传递拱的推力。我们认为：按无铰拱拱趾反力验算的大块实体式混凝土拱支墩（如图1所示）是一种安全可靠的结构体系。这种拱支墩具有很多优点：首先，施工方便，传力直接；其次，拱趾弯矩可以由拱支墩后面延伸的管段来平衡，可以减小拱趾弯矩影响；由于拱支墩后壁面积较大且埋于老土较深，在拱的推力作用下产生的位移很小，这对拱是很有利的（但为了保证小位移，施工时拱支墩后壁应尽量原槽浇筑，不得扰动后壁土，否则应用灰土分层夯实）。另外，拱支墩的预埋螺栓应进行受剪和双向受拉验算。

（二）拱支架的型式及其分析

拱支架是由基础、支架和拱托，以及予埋件组成。支架的高度及支架顶的大小及予埋件一般根据工艺要求确定。土建的设计任务是根据工艺设计提出的要求来确定结构型式，梁柱有关尺寸及予埋件尺寸，进行支架结构的设计。

拱管支座除受竖向力之外还受较大的水平力，通常支架采用刚性结构。考虑到支架是露天结构，为了减少维修工作量，一般采用钢筋混凝土结构。此外，也可采用钢结构，但工程造价较高。

对拱管直径及跨距均较大的钢筋混凝土拱支架结构，大量采用的是矩形空间刚架。矩形空间刚架顶面按照拱支座要求，另设横梁来支承拱支座，此横梁受荷载往往较大，当采用钢筋混凝截土梁截面尺寸太大时，也有采用钢横梁。为此，这种结构横梁较多，传力途径比较长而且复杂，刚架顶面面积较大，但利用率低，并容易使拱管下弯段与顶横梁相碰。解决的办法只能将拱托支墩加高，这样对本来受力较大的支架更为不利。

为了解决上述结构的不足之处，推荐采用人字型空间拱支架结构，如图3。这种结构采用二根人字型支架，再用连梁相联接，形成空间结构。这种结构最大特点是横梁较少，传力途径短，作用荷载直接。根据力学分析，在受水平力大的一侧沿管轴向，构件变形极小，水平位移量几乎为零。受力后的柱中弯矩大大减小。这样柱子截面尺寸和配筋相应减小。因此，字型支架与矩形空间支架相比较，在混凝土和钢材上要节省。此种型式使拱托支架高度较低，拱管也很容易下弯，不会与支架相碰。

（三）支架基础

拱支架基础一般均用钢筋混凝土基础，根据荷载的大小及地质情况可采用桩基、板式基础及独立基础。由于拱支架水平力及弯矩均较大，基础顶面除有压力、剪力外，还有较大弯矩。因此，设计时还应考虑基础的偏拉力。设计方法按一般基础处理。

（四）拱趾的设计与构造

拱趾的作用就是将无铰拱的内力传给拱支墩和支架。因此，拱趾的设计与构造对今后拱管的正常使用有着举足轻重的作用。由于拱趾所受剪力和弯矩较大，尤其是半跨荷载时。因此，拱趾在构造上不但要满足吊装等施工工艺要求，而且对焊缝应详细验算并适当增加其安全度。

拱托、拱支座及予埋件拱托一般由钢板焊接而成，钢板厚度不小于12，具体作法按照工艺要求制作，并进行强度验算。拱托与支架的联接，靠拱托焊接在支架顶面的予埋件上。支架顶面的予埋件，承受着较大的弯、剪等复杂应力，按要求进行强度计算。

五、拱管施工要求

拱管在施工过程中应该严格按设计图进行施工，主要应注意以下几点：

1．拱管管材：管径小于等于DN400应优先选用输送流体用无缝钢管（GB/T8163-1999），管径大于DN400可选用直缝钢管（GB/T9711.1-1997）及卷焊钢管（GB/T9711.1-1997）。

2．钢管采用氩弧焊打底电焊盖面的焊接工艺。管道无损探伤采用X射线拍片探伤，焊口须100%探伤，焊缝内、外部质量应符合GB50236-98中Ⅱ级焊缝质量标准，拱管拱顶8～10m处不能有焊口。

3．拱管严格按图制作，拱管样板模具要做准确，管弧要光滑，拱管制作安装质量，要求达到拱顶至拱趾均在一个平面上，不可扭曲，其不平度偏差不得大于10mm，拱顶至拱趾铅垂度偏差不得大于10mm。拱管对接焊缝与支座焊缝间距不小于50mm。

4．为确保拱管的安装质量，拱管在吊装前后均需进行试压，拱管吊装前应按CJJ33-89的要求进行吹扫和强度、气密性试验，拱管安装完毕后与埋地连接段一起对整段管道进行吹扫和强度、气密性试验，试验介质均采用压缩空气。

5．起吊设备需在拱形管道与拱托及管架面焊牢后再拆除（最好拱形管道与两端管子接好后再拆除）。

六、结论

集中供热是我国能源政策中节能的一项战略措施，近年来随着集中供热管网建设的不断发展，讨论拱形管道在供热管线中的使用有它的经济性和实用性，在跨越宽的河流时可以采用连续几个拱形管道的形式，像一座多拱桥一样，既不影响通航，又能节省投资和加快建设速度。在造型上，拱形管道形式也较活泼，对周围环境也能增加些色彩，因此，拱形管道是一种较为经济、实用的结构形式。如热力管道无法采用随桥敷设，且跨距在30～90m之间，推荐优先采用拱管跨越方式。

（责任编辑：陈 倩）