给水管跨越障碍场地的结构计算分析

魏媛媛

(太原市自来水公司供水设计研究院，山西太原 030009)

城市供水管线在敷设过程中，经常遇到铁路、公路、河流、排洪渠及污水渠等障碍场地，尤其是给水管穿越河渠地段时，给水管支撑间距按一般允许跨距满足不了要求，或按一般管道施工规范，向下穿越河渠施工不能满足障碍区有关规范、规程要求时，则必须采取其他特殊技术措施。

1 敷设形式及优缺点比较

1)给水管线向上跨越河渠的形式按其支撑结构可分为:纵梁式、吊索式管桥、悬索式管桥、加强管道、拱形管道等形式。给水管向下穿越河渠的形式按其敷设方法的不同可分为:埋地敷设、套管敷设、地沟敷设。

2)给水管线向上跨越河渠敷设的优缺点:能充分利用管材本身的承载能力;造价较为经济;特别适用于大管径的“柔性”管道;不宜用于脆性的或小直径的管道。向下穿越河渠敷设的优缺点:大小管径的各种材质的管道均能适用;不占用地上空间，有利于环境规划;较为安全可靠;若不是严重潮湿的环境，对高低温管道均能适用;热稳定性好，特别是寒冷地区，间断运行含有水分并有可能冻结的管道，或因散热量较大难以保持介质的运行参数时，地下敷设可使运行状况得以改善;但管线运行期进行维护抢修比较困难。

因此，给水管在实际施工敷设过程中，我们设计方建议采用向上跨越河渠架设给水管道，同时采取有效保温措施，此种方式为今后管线管理部门提供维修空间，可以有效缩短抢修时间，保证市民的正常用水，减少供需水方的矛盾纠纷。

2 材料要求

给水管向上跨越河渠管体材料采用Q235B钢，优先采用镇静钢。

焊接材料:手工焊采用的焊条应符合现行国家标准GB/T 5117碳钢焊条的规定。选择的焊条型号应与主体金属力学性能相适应。自动焊或半自动焊采用的焊丝和相应的焊剂应与主体金属力学性能相适应，并应符合国家现行标准的规定。

预埋件及配件:Q235钢，寒冷地区宜采用Q235B钢。

支座混凝土:一般地区采用C25，寒冷地区采用C30，且应满足抗冻要求。

支墩材料:根据支墩所处地质条件及高度等因素确定，多采用浆砌毛石砌体、素混凝土、钢筋混凝土等结构形式。

给水管内防腐材料:当采用水泥砂浆作为内防腐材料时，其材料应满足CECS 10∶89埋地给水钢管道水泥砂浆衬里技术标准要求。当采用其他材料作为内防腐材料时，对饮用水管，其材料应满足GB/T 17219-1998生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准要求，多采用无毒环氧涂料防腐。

外防腐材料:钢管外防腐采用环氧煤沥青四油二布加强级防腐，质量要求应符合SY/T 0447-96埋地钢制管道环氧煤沥青防腐层技术标准。

保温层材料:多采用填充蛭石粉保温，保温层材料重量应不大于0.2 kN/m2(管道外表面积)。

3 架空段给水管设计要求

管道架空段纵向坡度不大于0.05且不得转弯。

对多跨给水管建议采用等跨布置。若需采用不等跨布置，则相邻跨度差应不大于5%。

管道架空段与基岸的布置形式可以是两端水平深入(见图1a))、一端水平伸入一端斜弯入土中(见图1b))、两端斜弯入土中(见图1c))。

图1 管道架空段与基岸的布置形式

对于两端水平伸入基岸的管道，应在其两端进入基岸后的适当位置设置伸缩节接头。对于一端水平一端斜弯的管道，应在其水平伸入端进入基岸后的适当位置设置伸缩节接头。

为减少温差所产生的温度应力，对斜弯入土的管道，其斜弯段长度应不小于有关规范要求。

为避免多跨架空钢管因温差引起的伸缩变形量过大而影响入土斜弯段的受力，管道架空段总长度不宜大于105 m。当管道架空段总长度大于105 m时，宜设伸缩节接头，同时应设置支墩以抵抗由于管内压力所产生的水平推力。

给水管两端应设置扇状钢筋防护栏，以免行人穿行管道发生危险。

架空管道跨越河道时，管底应高出设计最高水位不小于1.0 m，有航道要求时应按航道部门的要求确定。

为消除压力管道在运行中由于积存气体而产生颤动，应在管道适当位置设置自动排气阀。

4 给水管最大允许跨度的计算分析

管道允许跨度的大小直接决定管道支墩的数量和可能跨越的最大距离。管道的允许跨度取决于管材的强度，管道截面的刚度，外荷载的大小，管道敷设坡度以及管道允许的最大挠度。给水管的允许跨度可按强度和刚度两个条件确定。

4.1 按强度条件确定给水管的跨度

给水管断面上的最大应力不得超过管材的许用应力，以保证给水管安全运行。根据这一原则所确定的管道允许跨度，称为按强度条件确定的管道跨度，计算公式如下:

1)对于连续敷设的水平管道:

2)对于尽端直管的管道:

其中，［σw］为许用外载综合应力;W为管道抗弯截面系数，为横向焊接系数;q为给水管单位长度计算重量，N/cm;D为给水管外径，cm;α为给水管内径与外径比。

4.2 按刚度条件确定管道的跨度

给水管在一定跨度下会有一定的挠度，根据对挠度的限制所确定的管道允许跨度称为按刚度条件确定的管道跨度。

管道通常会有0.002～0.003或更大的坡度，如果设计中不区别情况一律不允许管道存在反坡情况，会使跨度缩小，支墩布置变密。因此应考虑管道输送介质的情况，合理确定最大允许挠度，以扩大管道的允许跨度。由于城市供水管网输送有压流体，可按允许有一定程度反坡的情况考虑。

1)对于连续敷设的水平直管:

其中，L，L1，L2为跨距，cm;X为管道支座到管子最大挠曲面的距离，cm;E为材料的弹性模数，MPa;J为惯性矩，cm4;q为管道单位长度重量，N/cm;DN为管道工程直径，cm;i为管道坡度。

需用试差法解联立方程式，直到L1=L2为止。

2)对于尽端直管:

解法同1)。

5 支座及支墩的设计计算

工程设计人员在进行支墩设计时，应先明确给水管每延米的永久荷载、可变荷载及地震作用标准值。工程设计中，应根据支墩材料、结构形式的需要，自行进行荷载组合，以便进行支墩的强度、稳定性及裂缝控制等计算。给水管支墩的位置应尽量远离现有建、构筑物，且支墩基础的埋深不宜大于现有建、构筑物基础。特殊地区环境，应采取临时加固支撑、打板桩等施工措施。

支墩基础埋深应考虑地基的冻胀性和冲刷深度。对于冻胀性地基，基础埋深按GB 50007-2002建筑地基基础设计规范中有关条例确定。对于冲刷地基，基础最小埋深也应满足有关要求。管道支墩基坑的回填土应分层压实，压实系数不低于0.95。回填土中不得含有淤泥、冻土、腐殖土、杂草、树根等。位于岸边的支墩，应在支墩的两侧及墩前设置锥形护坡，护坡坡度高:宽不大于1∶0.58。对于砌体支墩，在其顶部应设置连接件与支座混凝土可靠连接，确保支座在水平力作用下的安全。

在具体工程设计中，支墩材料各不相同，有砌体、混凝土或钢筋混凝土，结构形式也各不相同，有墩体结构、构架式结构，其所需的荷载组合也不尽相同。水平及垂直荷载组合值:根据管径及管壁设计厚度和管道是否保温，按抗震设防烈度直接查取有关标准图集中作用于管道的水平及垂直荷载基本组合值，用于支墩强度计算;根据管道是否保温，按管壁设计厚度查取作用于管道的水平及垂直荷载标准组合值，用于地基承载力验算。永久、可变荷载标准值及地震作用标准值:根据管径及管壁设计厚度和管道是否保温，按抗震设防烈度直接查取作用于管道的水平及垂直荷载标准值，用于支墩稳定性及裂缝控制验算的荷载组合计算，荷载组合按相关规范执行。

荷载基本组合值:按地震组合:恒载+地震作用+雪荷载、恒载+地震作用+风荷载、恒载+地震作用+检修荷载;非地震组合:恒载+雪荷载、恒载+风荷载、恒载+检修荷载共六种组合情况分别乘以相应的分项系数及组合系数，取其中最大值。荷载标准组合值:按恒载+雪荷载、恒载+风荷载、恒载+检修荷载三种组合情况分别乘以相应的组合系数，取其中最大值。

地基承载力计算包括基础底面所受的弯矩计算、基础底面抵抗矩计算，最后进行地基承载力验算，看是否满足压力值。

支墩强度计算包括验算截面所受的弯矩计算、验算截面抵抗矩、弯矩作用平面内受压承载力验算、支墩沿管轴平面的承载力计算，当验算不能满足要求时，应重新调整相关尺寸，直至满足设计要求为止。