大跨度输水管道钢管桁架管桥设计选型与优化

赵永全

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 200092)

引言

在长距离输水工程中,当遇到河流、道路、地下构筑物等障碍物时,通常会采用自承重式钢管管桥、顶管穿越、沉管等方式,各种设计方案均有在相应条件下的适用性。比如自承式钢管管桥单跨跨度一般不超过20m,当跨越较大跨度的障碍物时需要设置中间支墩以减小跨度; 顶管方案虽然从淤泥到岩石各类土层都可以顶进,但对于不同的土层经济性和施工难度会存在较大的差别,一般在适用于顶管的淤泥质粘土、粉质粘土、粘质粉土、粘土土层中能够有比较好的经济性,同时由于顶管过程中不可避免的施工影响和一些不可预见性的因素,顶管方案的选择也要相对比较慎重。

桁架管桥方案具有单跨跨度大; 施工影响小; 工业化程度高; 施工速度快; 造型美观; 造价较低等多种优势,在输水工程中,通常在单跨跨度30m ～80m 的障碍物穿越方案中被选用,得到较为经济、安全、高效的工程应用价值。对于跨河管架的设计和优化分析一直是工程设计人员重点关注的课题[1]。

1 工程概况

项目位于浙江省衢州市,输水管道为衢州新建第四水厂的原水供水管道,拟跨越的障碍物为乌引干渠,作为集农业、工业、生态、发电、旅游和人民生活用水于一体的大型综合水利工程,乌引干渠具有相当高的通水保障要求和安全保护要求。在供水管道施工过程中必须严格保障水渠的正常通水,且干渠两侧有规划道路,水渠下部土层主要为大块卵石层,顶管穿越难度较大,综合多种方案的比选,最终设计选定采用上部跨越的方式穿过水渠,水平跨度为60m,钢管桁架管桥,供水管道为2 ×DN1400 钢管。

2 桁架设计

桁架横断面采用双管并排布置的梯形断面形式,相比于矩形断面能够在不影响上下弦杆受力的同时,有效缩短上弦平面拉杆之间的距离,进而节省用钢量[2],见图1。输水管道中心距2200mm,管道净距800mm,管道距离竖向腹杆水平间距约800mm,在确保安装需求的前提下,尽量压缩管道间距。后期管道检修时采用在两根输水管道之间临时铺设木板的措施作为检修通道。两个下弦杆之间设置横向水平拉梁,拉梁上部设置鞍式管道支座和抱箍,待输水管道安装就位后,用抱箍卡紧管道。

图1 桁架横断面Fig.1 Truss cross section

桁架纵断面设计采用4 种形式进行比选：

(1)N 字形斜腹杆设计,上弦为平直杆,竖腹杆间距5m,桁架高度3.5m,见图2a。

(2)V 字形斜腹杆设计,上弦为平直杆,下弦横梁间距5m,桁架高度3.5m,见图2b。

(3) V 字形斜腹杆设计,上弦跨中起拱1.0m,下弦横梁间距5m,桁架高度3.5m ～4.5m,见图2c。

(4) V 字形斜腹杆设计,上弦跨中起拱1.5m,下弦横梁间距5m,桁架高度3.5m ～5.0m,见图2d。

图2 桁架纵断面布置Fig.2 Truss longitudinal section

2.1 输水管与桁架连接

由图1 桁架横断面可知输水管道与桁架之间采用管托与抱箍连接,管托和抱箍与输水管道之间通过设置10mm 厚橡胶垫板,在保证输水管道放置稳定的前提下,减少管道水平向与管托之间的摩擦,引起管道破坏,同时使管道和桁架的水平向相对能够滑动,避免管道与桁架温度变化不同引起的伸缩量不同,进而影响桁架内力。在竖直方向上,待桁架闭合之后,安装输水管道,输水管道自重及内水重均由管道下部的管托传递至水平横梁,进而由桁架承担,不计钢管输水管道本身刚度,对于桁架计算相对安全。

因此桁架分析计算时,可将输水管和管道支座折算为恒荷载施加在桁架下弦水平横梁上。

2.2 单元类型

桁架分析模型采用YJK 软件中空间结构模块建模,如图3 所示。弦杆、腹杆、上弦水平拉杆采用桁架单元,即仅承担轴向拉压力; 下弦管托位置水平梁采用梁单元,以便于管道荷载布置与施加。

图3 桁架整体模型Fig.3 Truss overall model

2.3 荷载统计与输入

1.管道荷载管道自重标准值： 4.85kN/m; 管道内水重标准值： 15.2kN/m。管托间距5m,托梁均布荷载为50kN/m(含管托重量)。

2.温度荷载

经查阅荷载规范衢州市50年重现期的月平均最高气温38℃,月平均最低气温-3℃。假定安装温度为15℃,温度荷载作用的升降温工况分别为±25℃。

3.风荷载

桁架管桥下部具有车辆通行要求,引起管桥高度较高,输水管道承受横向风荷载作用,并将荷载传递给钢管桁架,因此在计算中横向风荷载作用不可忽略。采用在钢管桁架腹杆与弦杆组成的竖向平面布置蒙皮的方式导算迎风面风荷载至桁架节点,形成布置在桁架节点上的节点风荷载。

4.地震作用

《建筑抗震设计规范》(GB50011 -2010)中5.1.1 规定应至少在两个主轴方向分别计算水平地震作用,8、9 度时的大跨度和长悬臂结构应计算竖向地震作用。衢州市抗震设防烈度为6 度,根据规范要求可不考虑竖向地震作用。为保证输水结构的安全性和可靠性,设计中考虑水平地震作用和以反应谱方法计算的竖向地震作用(局部模型求解法),仅考虑钢管桁架部分的竖向地震作用。

5.检修活荷载

在桁架下弦平面布置管道检修和维护的活荷载,并导算至桁架结构节点。

2.4 荷载组合工况

对桁架进行受力分析时,位移变形分析需采用荷载标准组合; 内力及应力比分析结果需采用荷载基本组合。分析模型的荷载组合见表1。

表1 荷载组合Tab.1 Load combination

2.5 边界条件

桁架管桥跨度60m 属于超长结构,在温度作用下会引起纵向伸缩,设计中对桁架纵断面形式1 通过固定支座、滑动支座的计算比较,表明两端固定支座时桁架靠近支座的弦杆和斜腹杆会因为温度升高产生构件的附加内力分别为145kN、65kN,同时温度升高引起的水平推力会导致桁架下部的混凝土支架承受水平力,对下部支架受力不利。因此采用管桥支座一端固定一端滑动的设计方案,在一端支座位置释放纵向约束,使管桥在升温、降温过程中能够在支座水平面内沿管桥纵向滑动。

3 分析结果比较

3.1 周期和振型

桁架纵向平动振型、横向平动振型、二阶横向平动振型震动模态见图4 ～图6。由表2 结果可见,针对本桁架工程设计要求,4 种形式均以横向平动、纵向平动为前两阶振型,且周期较为接近,第三振型均为横向的二阶平动振型,且周期相同。可知4 种桁架形式对于桁架的振型特性影响不大。

图4 纵向平动振型Fig.4 Longitudinal translational mode

图5 横向平动振型Fig.5 Transverse translational mode

图6 二阶横向平动振型Fig.6 Second-order transverse translational mode

表2 桁架振型周期统计Tab.2 Truss mode period

3.2 位移结果

在标准组合作用下,4 种桁架形式竖向最大位移见表3。形式4 最大位移仅117mm,明显小于形式1,形式3 和形式4 相差较小,单从挠度角度分析,二者需结合用钢量和外观要求,采用二者之一均可。

表3 桁架位移结果统计Tab.3 Truss displacement result

通过在模型计算中设置滑动支座,在温度升降过程中,4 种桁架形式滑动端水平位移值均为±18.0mm,几乎无差异,因此温度作用对4 种桁架形式影响较小。在设计中采用端支座释放温度引起的水平位移的支座形式,见图7 长圆孔水平限位滑移支座俯视图,减少桁架伸缩产生对下部承台及灌注桩的水平力,确保下部支撑结构的安全。

图7 滑动支座俯视图Fig.7 Top view of sliding bearing

3.3 应力比与用钢量

对4 种桁架形式的杆件进行基本组合下的应力比计算和整体用钢量分析,结果统计列于表4。

表4 桁架杆件应力比及用钢量统计Tab.4 Truss members stress ratio and steel quantity

由表4 可知,形式1 用钢量最多,且杆件应力比较大,杆件应力分布不均匀; 形式2 相比形式1 用钢量减少5.6t,上下弦杆最大应力比与形式1 基本相同,腹杆最大应力比明显降低; 形式3 相比前两种桁架形式用钢量分别减少14.9t、9.3t,上下弦杆、腹杆最大应力比明显比前两种形式降低,可见形式3 比前两种形式更为有利。形式4 相比形式3 用钢量减少4t,上下弦杆最大应力比较形式3 略微降低,腹杆最大应力比比形式3 增大,但形式4 相比形式3 桁架高度增加0.5m,桁架最高处为5m。通过对桁架所有杆件的应力比统计结果分析,形式3 杆件应力比在0.6 ～0.8 范围内占比约为80%,形式1、形式2支座位置弦杆应力比较大,而跨中弦杆应力比较小,桁架杆件应力比分布较为不均匀,杆件内力分布差异较大。经过对桁架的受力性能、用钢量、美观的角度综合考虑,采用形式3 能够同时在多个方面取得较为良好的效果。

4 结论

1.采用跨中上凸的V 字形纵断面桁架能够较大幅度地降低桁架的竖向挠度,对控制桁架竖向变形较为有效。

2.4 种桁架形式在温度作用下的水平位移值几乎无差异,影响较小。

3.对于大跨度、中大管径的输水管工程钢管桁架管桥,合理地选择桁架纵断面形式能够较大幅度地提高桁架受力性能和经济性。

4.采用跨中上凸的V 字形纵断面桁架能够使桁架弦杆和腹杆的应力分布更均匀,在采用相同断面弦杆或腹杆的情况下,弦杆或腹杆应力幅值较小。

5.对于下承式输水钢管桁架管桥,设计中采用跨中上凸的V 字形纵断面,使下弦杆为平直形状,有利于输水管道的铺设和安装,而跨中上凸设计使桁架弦杆内力和桁架变形较大幅度减小,在设计中结合周边环境和美观要求,综合考虑上凸的高度,使桁架获得经济和美观的平衡。