适用于大中口径给水管道的梯形断面桁架管桥设计与分析

岑文祥

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092）

引言

随着国家城市化进程的加快，给水工程输配水管线的规模不断增加，其范围由城镇逐渐扩大延伸至城郊、农村地区。新敷设的输配水管道越来越多的需穿越大小江河，当河道断流、断航困难，无法采用倒虹管形式穿越时，如何经济、可靠地选择管线架空跨越方式是设计中需重点考虑的问题［1，2］。

按河流跨度区分，管道可采用的穿越形式如下：

（1）小跨度穿越（≤30m），当河流宽度较小或河道中间可以打桩立墩时，通常采用自承式平直形架空跨越，利用管道本身的结构强度富余进行跨越。

（2）中等跨度穿越（30～100m），当河流较宽时，可采用桁架式或自承式圆弧形架空跨越。对于大中口径管道（DN≥1200），受到制作、吊装水平的限制，自承式圆弧形架空管道实际施工较为困难。同时由于跨度较大、管道强度不足，管道无法平直跨越，桁架式管桥因其结构受力清晰，造型简洁，施工方便等优点，运用较多。

（3）大跨度穿越（≥100m），可以采用斜拉式、悬索式管桥穿越［3］。考虑到江河通航、水面景观及经济性要求，斜拉式、悬索式管桥在国内给水工程领域运用不多，通常采取顶管施工穿越方式。

综上所述，对于大中口径中等跨度架空穿越时，桁架式管桥结构形式较为合适，应优先考虑采用，本文针对盐城地区某河流管线跨越工程，对桁架管桥结构形式进行优化设计与分析。

1 工程概况

盐城地区某原水管线工程，管径DN1800，途中需跨越冈沟河，冈沟河宽度60m，由于DN1800圆弧形架空管制作安装困难，采用桁架式管桥跨越，在河岸两侧分别进行桩基承台施工，桁架管桥焊接组装完成后整体吊装搁置于承台，管桥纵断面示意如图1所示。

图1 桁架管桥纵断面示意Fig.1 Schematic of truss pipe bridge profile

2 桁架管桥形式

桁架常见断面形式有方形、三角形。方形断面形式简单，但钢构件用料较多，造型单一，三角形断面形式经济，但检修空间狭小，当预留足够检修空间时，断面尺寸较大，经受力分析，不适用于跨度较大情况。

由于紧挨管桥位置为一现状公路连续梁桥，从与周边环境适应角度考虑断面高度不宜较大，而三角形断面在60m跨度情况下，断面高度要达到6m。结合美观经济综合比较考虑，选择梯形断面形式，桁架采用钢管、腹杆三角形交错布置，具体布置如图2所示。

图2 桁架管桥构件布置Fig.2 Truss pipe bridge component layout

3 管桥受力分析

根据钢管桁架构件布置，在三维设计分析软件MIDASGEN中建立数值模型。盐城地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，为考虑管道自重及管内水重对桁架管桥结构的自振特性影响，动水及钢管荷载作为附加质量在模型中予以补充，使结构数值模拟结果更符合实际受力情况。

钢管桁架采用Q345B级钢，桁架上下弦杆采用梁单元进行建模，腹杆及斜向支撑采用杆单元建模。在满足管道两侧人员检修基本尺寸不变的情况下，梯形桁架断面高度越大，桁架杆件应力越小，同时变形越小；通过数值分析选型比较，确定梯形断面高度为3.5m，梯形桁架具体断面布置如图3所示。对恒、活荷载，风荷载，地震荷载（x、y、z方向），温度应力工况下桁架进行内力分析，荷载组合如表1所示。钢管桁架应力、挠度计算结果如图4、表2所示。

图3 梯形桁架设计断面Fig.3 Ladder truss design section

图4 桁架管桥应力、挠度包络图Fig.4 Truss pipe bridge stress and deflection envelope diagram

表1 荷载组合工况Tab.1 Load combination condition

表2 桁架管桥计算结果Tab.2 Truss pipe bridge calculation

根据计算结果，桁架各构件承载能力极限状态均满足要求，在满足安全性的前提下，通过调节梯形桁架断面高度以取得较好的经济性，管桥跨中位置挠度较大，在桁架管桥制作时上下弦杆按0.6%坡度从两端向中间预起拱以满足正常使用极限状态的要求。

4 结语

作为盐城地区最大跨度管桥，冈沟河管桥目前已竣工使用一年，通过跟踪监测，运行情况良好，各项指标均在规范范围以内。工程实践及计算分析表明，对于大中口径管道（DN≥1200）跨越中等跨度河流（30m～100m）时，采用梯形优化断面桁架管桥结构形式解决了因河流通航要求无法打桩对管桥架设的限制，取得良好的工程效果。

［1］卢信.越江给水管道的设计与施工［J］.城市公用事业，1994，8（1）：16－19 Lu Xin.River-crossing water pipe design and construction［J］.Urban Public Utilities，1994，8（1）：16－19

［2］苑藜.大跨度给水管道设计［J］.山西建筑，2010，36（3）：200－201 Yuan Li.Large span water pipe design［J］.Shanxi Architecture，2010，36（3）：200－201

［3］胡云程，范民权.国内最大跨度斜拉输水管桥的设计［J］.特种结构，2003，20（3）：19－21 Hu Yuncheng，Fan Minquan.Largestdomestic cable-stayed water pipe bridge design［J］.Special Structures，2003，20（3）：19－21