自承式圆弧输水钢管跨河段受力分析

李维芳

(山东省临沂市水利勘测设计院，山东 临沂 276000)

1 概 述

自承式圆弧形拱管是输水管道跨河建筑物设计中一种常见的型式，是利用输水钢管自 身支撑跨越河道的一种跨河交叉设计方式，其优点是美观且与周围环境协调，施工方便， 一般不进行水下施工，后期管理维护检修方便等。但如果结构设计(矢跨比、管道壁厚、 支墩以及基础埋深、排气阀等)不当，荷载及外部因素考虑不全面，会影响管道寿命和使用年限，后期运行中也容易遭到外界因素破坏，应加以防护。在《自承式圆弧形架空钢管图集》(06S506-2)和《自承式给水钢管跨越结构设计规程》(CECS214-2006)(后简称设计规程) 中对拱管布置和结构设计、荷载组合、内力计算强度校核以及稳定性验算进行了详细的阐述。本文以某输水工程中输水管道跨河为例，输水管道与河流交叉28处，管材为钢管，管径为2.4～0.6 m，除管径2.4～2.2 m且地质条件较好的4处采用顶管，河道宽度不足10 m的7处采用直埋下穿外，其余全部采用自承式圆弧拱管。本文根据《图集》《设计规程》中有关规定，选取DN1000输水管道进行跨河段初步设计，包括基本参数选取计算、荷载组合及内力计算，然后采用理正结构软件进行自承式圆弧拱管钢管强度计算，为自承式拱管设计提供方法和思路。

2 自承式拱管设计

2.1 拱管布置

输水管道管线布置在河道过县城段与河道垂直交叉，根据现有河道治理资料，河道宽约49.4 m，河床冲刷深度1.1 m。本文采用自承式圆弧拱管跨河设计，输水管此段设计管径1.0 m，管内工作压力0.9 MPa，设计跨度54.0 m。为保证拱管结构稳定，矢跨比采用μ=1/6，壁厚10 mm，两端支墩尺寸按照设计图纸选取并优化，支墩基础埋深应满足防冻及冲刷深度要求，在架空钢管顶部设置自动排气阀，以防止管道产生颤动而影响管道结构安全。拱管设计应严格按照《自承式圆弧形架空钢管图集》(06S506-2)和《自承式给水钢管跨越结构设计规程》(CECS214-2006)中有关规定布置和设计。自承式拱管结构设计见图1。

图1 自承式圆弧拱管纵剖面布置图

基本参数：项目所在地基本风压ω0为0.35 kN/m2，根据工程区气象资料，工程区温差标准值30℃，不考虑雪荷载的影响。

2.2 基本地质情况

管道沿河道左岸布置，其中过县城段需横跨河道，管道沿线地表出露全为第四系洪积层，上部3.5～6.8 m，其下以粉质黏土、淤泥质黏土为主，局部夹有粉砂，淤泥层埋深多在6.8 m以下，基础大部可置于粉质黏土上，承载力满足要求。地下水活动微弱，基础抗滑稳定性好，不存在沉降变形问题，地基土中无粉砂、粉砂土，可不考虑地震液化问题，基础开挖边坡全为土质边坡，土质密实，透水性中等，地下水活动微弱，不易发生渗透变形，开挖边坡及基础中等稳定。

工程区位于地震基本烈度 7 度，地震加速度值 0.2 g，地基承载力值为 0.26 GPa。

3 自承式拱管受力分析

3.1 基本设计参数

自承式圆弧拱管进行受力分析时，首先要对拱管基本参数进行确定。本文结合结构设 计、地质及水文资料等，确定基本参数见表1。计算简图见图2。

表1 自承式圆弧拱管基本参数表

图2 计算简图

3.2 内力计算

3.2.1 荷载计算

作用在输水钢管上的荷载主要有钢管自重、管道内外防腐材料重、管道内水重、静水压力、风荷载以及温度作用、施工荷载等[1]，计算荷载组合参照《自承式给水钢管跨越结构设计规程》(CECS214-2006)中表 5.2.7。各种荷载计算如下：

1) 圆拱平面内沿拱轴均布的垂直荷载q：

钢管结构自重qs：

管道内水重qw：

施工荷载qi：

qi=D2×2=2.044(kN/m2)

附属设施qt：

取qt=0.55(kN/m)

永久荷载q1：

q1=1.2(qs+qt)+1.27qw=13.886(kN/m)

可变荷载q2：

q2=1.4qi=2.862(kN/m)

垂直荷载q：

q=q1+q2=16.747(kN/m)

2) 垂直于拱平面沿拱轴均布的均布荷载(风荷载)P：

P=1.4βzμsμzω0DZ

式中：ω0为基本风压 ，取值0.35 kN/m2；βz、μs、μz分别为高度z处的风振系数、风荷载体型系数和风压高度变化系数，根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2019)得到参数值分别为 1.0、0.7 和 1.1。

计算得到均布荷载P=0.386(N/m)

3) 温度变化：ΔT=30℃。

3.2.2内力计算

自承式拱管在各种荷载组合作用下，在拱脚处产生的内力最大，是输水钢管最容易破坏的地方。在设计时要对拱脚产生的内力进行计算，主要包括沿拱轴的均布垂直荷载作用、温度变化、水平均布风荷载和半跨作用均布荷载4个部分，计算时分别进行计算，再进行叠加，求出内力值[2]。见图3。

图3 沿拱轴的均布垂直荷载作用下内力图

本文以沿拱轴的均布垂直荷载作用在拱脚处产生的内力为例进行计算，其余部分荷载产生的内力计算方法与其相同，计算公式采用《自承式给水钢管跨越结构设计规程》(CECS214-2006)中拱管内力计算公式，各内力参数按照《设计规程》中附录A-附录D进行选取。沿拱轴的均布垂直荷载作用在拱脚处产生的内力计算如下：

RAg=VAgcosφ+NAgsinφ

式中：HAg、NAg、VAg、RAg分别为拱脚处的水平推力、轴向力、剪切力和竖向反力，N，正负说明见表2；MAg为拱脚处弯矩值，N·mm；KHg、KNg、KVg、KMg为内力系数，取值见《设计规范》附录A-附录D；其余符号取值见表1。

其余荷载作用产生的内力计算方法同沿拱轴的均布垂直荷载作用在拱脚处产生的内力值，计算结果见表 2。

表2 各种荷载作用下拱脚处产生的内力值

3.3 强度复核

3.3.1 理正结构设计参数确定

图4 理正结构计算截面截图

表3 满跨和半跨两种不利情况下强度复核结果值

3.3.2 计算过程及计算结果

1) 内力计算。考虑扭转作用的平面外弯矩：

弯矩合力值：

2) 轴向应力。内力产生的轴向应力：

内表面局部纵向应力：

总的纵向应力：

4) 折算应力最大值。公式如下：

γ0σ=1.0×155.045=155.045 N/mm2≤f=310.00 N/mm2,满足

γ0σ=1.0×155.045=155.045 N/mm2≤0.90f=0.90×310.00=279.00 N/mm2,满足

经计算，两种工况下自承式拱管强度均满足设计要求。

4 结论及建议

自承式拱管可以充分利用地形，施工维护简便，施工后造型美观，具有很高的美学价 值，达到了工程与自然的和谐统一。自承式圆弧拱管跨河设计不仅可以应用在水利管道，在石油、天然气以及输水拱管结合人行桥设计中都具有较大的利用空间。本文依据结构力学方面的知识，采用理正结构进行拱管受力计算，极大简化了计算过程，提高了计算精度和准确性，使得拱管设计更加安全稳定。