某污水干管的抗震设计分析

韩 军 马 悦 龙 熙

（重庆市设计院，重庆 400039）

1 概述

1.1 工程背景

某工程位于巴南区木洞镇行政辖区内，工程范围内的用地性质主要为生态景观控制区。该区域部分入驻企业将集中开工建设，但无污水主管道连接污水处理厂，存在较严重的环保隐患。为保证污水的有效收集和达标排放，需要新建区域污水干管。平面布置图如图1所示。

1.2 岩土勘察概述

图1 污水干管平面布置图

根据场地工程地质勘察成果，沿线场地范围内主要由素填土、粉质黏土、下伏基岩组成，素填土剪切波速取平均值120.0 m/s，属软弱土，粉质黏土剪切波速取平均值160.0 m/s，属中软土，强风化基岩剪切波速为500～800 m/s，属软质岩石，中风化基岩剪切波速＞800 m/s，属岩石。场地中风化岩层为泥岩及砂岩，场地最大覆盖层厚度为8.1 m，经判别，场地类别为Ⅱ类场地。本地区抗震设防烈度为6度，不考虑液化的影响。经测定，场地中等风化带泥岩天然单轴抗压强度值4.44 MPa，饱和单轴抗压强度值2.68 MPa，场地中等风化带砂岩天然单轴抗压强度值17.60 MPa，饱和单轴抗压强度值12.02 MPa，两种岩石软化系数平均值均小于0.75，属遇水易软化岩石。

2 排污干管抗震设计

相关研究表明，市政管网在地震时破坏会对震灾控制和灾后重建工作带来严重的影响，埋地和架空管道的抗震性能也得到了更多重视[1-3]。重庆作为山地城市，市政管网存在穿越多种地貌及具有多种形式的特点，所以更加应该重视抗震设计的要求[4]。应建设主管部门和相关文件要求，对本工程排污干管及相关设施在初步设计阶段应进行地震作用计算并明确抗震措施。

2.1 埋地段箱涵方案

为在架空段转换为钢管，埋地段需设置“可视化”钢管方案，通过转接井将箱涵段和钢管段相连接。“可视化”钢管埋地段设置矩形断面管沟，污水管道敷设于管沟内，局部横跨冲沟等低洼地形时采用架空段钢管形式。管道规格为DN1 000，管道壁厚δ10 mm，公称外径1 020 mm，圆形断面。排污干管的长度约为4.32 km，除部分管段纵坡较陡外，其余管段最小纵坡为i=0.003，最大纵坡为i=0.05。埋地管沟中的排污干管采用玻璃钢夹砂管及球磨铸铁管，埋地管沟段间隔18 m设置沉降缝，管沟采用C30钢筋混凝土浇筑，上设预制钢筋混凝土盖板，管沟壁厚300 mm，最大埋深小于3 m。管沟中设置C20素混凝土180°基础，管径d600基础跨度≤3 m，管径d1 000基础跨度≤2 m。

架空钢管跨径不大于15 m，架空钢管两端设置检查井与新建管沟连接，其中上游段检查井设置事故排放井，便于管道检修。架空段的排污干管采用Q235B焊接钢管架空敷设。架空钢管的墩桩等下部结构具体根据地质勘查和现状地面确定，分别采用不同直径的墩与桩、浅基础。对于架空高度较高的管道，采用1.5 m的柱与1.8m的桩的组合，柱平均长度15 m，桩平均长度15 m，桩基进入土层深度不小于5.4 m。当采用1.0 m的柱与1.2 m的桩的组合，柱平均长度10 m，桩平均长度15 m，桩基进入土层深度不小于3.6 m。当埋深很浅时，采用浅基础。上部结构为滑动支座，为防止管道从支墩脱落，设置了工字钢I20a和角钢L100×8组合形成的钢架，将管道放置在钢架中，钢架锚固进入支墩盖梁中。

利用计算软件对埋地段“可视化”钢管的管沟进行抗震验算，管沟上设预制盖板，盖板上部无覆土或车辆荷载。将主动土压力带入并考虑裂缝控制，进行配筋验算。验算结果表明，当采用12@150的钢筋配筋时，管沟的顶板、侧墙和底板均能满足地震作用下的承载力要求，裂缝满足结构正常使用状态的要求。

2.2 架空段抗震计算

采用计算软件YJK对架空管桥段进行抗震计算。计算过程采用的主要参数：风荷载0.4 kN/m2、设防烈度6度、0.05 g，场地类别Ⅱ类，特征周期0.35，抗震等级三级。计算过程中，考虑结构抗震性能目标为D级，在多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下的性能水准分别为1、4、5，自动进行包络计算。以架空段最高墩长25 m的1号架空管桥为计算对象，根据墩长建立相应的架空管桥模型。其中，架空钢管为外径1 020 mm，壁厚10 mm的钢管，考虑充满液体的附加活载为8 kN/m，考虑涂层、构件等的附加恒载为6.5 kN/m。经过计算，污水干管的设计结果能够满足承载力要求。

2.3 钢管抗震验算

取1号架空管桥中跨径15 m的一处分段，将钢管分为相互连接的节段，读取相应的地震内力。经过验算，上述内力结果大于《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》 （GB 50032—2003） 第10.2.6条所得结果，且钢管不会因为地震作用而被破坏。将上述最大内力结果带入计算软件理正并考虑温度作用进行复核，所得到的计算结论为γ0σ=82.493 N/mm2≤f、γ0σ=82.493 N/mm2≤0.9 f。计算结果表明，架空钢管段抗震能够满足相关规范的要求。

2.4 支座和钢架抗震计算

参考《自承式平直形架空钢管》图集05S506-1，在架空钢管纵向上采用辊轴滑动支座[5]。根据《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》 （GB 50032—2003） 第10.2.3条，10.2.4条，对架空钢管的横向限位钢架进行抗震验算。限位钢架竖向为四根I20a工字钢，分别设置在钢管两侧，横向为两根L100×8角钢。建立钢架模型，计算可得一个钢架刚度 KC=2.654×106N/m，T1=0.386 s，Tg=0.35 s，α1=0.037，Fhe，k=7 179 N。当存在水平地震作用时，管道的水平力由两个工字钢分担。每个工字钢承受Fhe，k=3 590 N，因管道为圆形，故假设作用点位于工字钢中点。添加一处节点荷载并进行计算，钢架应力满足承载力要求。

2.5 抗震设防措施

为控制震害，对管网应根据其运行功能，分区分段设置阀门和阀门井。本工程在埋地段管道转弯处均设置检查井，两座污水检查井之间低点处设置集水坑，并在前端设置闸门；平时闸门常开，将进入管沟的雨水就近排出，当出现管道破损污水泄漏时，将闸门关闭，在管道维修更换期间采用移动式潜污泵将泄漏污水就近提升排入主污水管道。为保证管道内污水流动畅通，污水管道密闭 （增设压力井盖） 段每隔一定距离 （200 m左右） 设置通气管。为方便管道维护，架空段每隔一定距离 （根据管径大小不同约30～60 m不等），设置等径法兰三通作为检修孔。

为控制震害，管道应具有柔性构造的特征。本次设计中，当钢管位于管沟内时，钢管接口为承插连接接口，接口内采用柔性连接构造，接口间距为6 m，管沟间隔18 m设置一处变形缝，变形缝以沥青麻絮填塞。

当钢管设置在墩柱上时，墩顶均设置滑动支座，保证管道在纵向上能够产生一定的位移，避免压缩或拉伸破坏。在侧向上设置了限位钢架，防止钢管滑脱。

同时，为防止污水干管及相关工程，特别是钢结构在长期使用过程中产生锈蚀，在地震作用时突然破裂，需要对污水干管系统的防腐措施提出专门要求。因本次设计管道收集的污水中包含医药、化工废水等可能具有腐蚀性的污水，所以管道内壁应进行加强防腐。在采用防腐措施前，应对钢结构表面进行喷砂除锈处理，除锈质量等级要求达到（GB 50205—2001） 中的Sa2级标准。

其他构造措施

在运行中过程中，管道可能由于积存气体而产生颤动，而当有地震发生时，这种颤动可能加剧。为防止对管道产生破坏，应在管道适当位置设置自动排气阀。

管道制作时的误差可能造成管道在焊接时的应力集中，进而对管道的抗震性能产生影响。为了减轻该种工程病害，应控制管道对接时的中心偏差，钢管对接时应使内壁齐平。

焊缝是对管道抗震性能存在重要影响的因素之一。除了应满足相关规范要求外，为防止横向和纵向焊缝处出现应力集中现象，横向焊缝位置和支座之间应有足够的距离，且管道拼接时应将相邻管节的焊缝位置交错设置，不能出现十字形状的交叉焊缝。

3 结语

（1） 架空管道的设计方案应综合考虑造价及工期因素，选取适宜的工程方案。

（2） 排污干管的抗震验算应兼顾主体结构和相关构件，防止管道滑落等工程事故。

（3） 排污干管的抗震构造措施除了应满足相关规范要求外，尚应注意控制制作和焊接时的工程病害。