管线桥结构中支座与转角支墩的设计

金珍晓 张国锋

摘 要：本文以“黄路港管线桥”工程为例，依据相应的规范来阐述管线桥设计中支座与转角支墩的设计要点，主要由以下三点：1）上部结构建模计算时，需要将两侧的斜直段钢管作为整体结构的一部分进行分析计算；2）支座的宽度会影响钢管管壁的组合应力，管壁截面上不同的位置其组合应力情况不同，需要分别计算进行比较；3）设计转角支墩时，规范图集中工况考虑不周全，需要对水平和竖直抵抗力分别进行验算，若抵抗力不满足要求，则根据实际情况采取相应的措施。

关键词：管线桥；支座；转角支墩；应力

前言

随着社会的进步，生活水平日益提高，城市供水需求大幅度提升，自来水供水管网在现代城市生活中扮演着越来越重要的角色。当供水管道的设计路线遭遇河道时，时常因附近地形或周边桥梁的结构限制，无法从附近桥上通过，需要新建管桥以供管道过河。管线桥是供水管网中重要的组成部分，其结构形式较为简单，在管线过河的设计中应用广泛。

管线桥结构中，管道支座以及转角支墩作为重要的组成部分，负责将上部荷载传递至地基或基础上。管道支座宽度的选取影响上部钢管支座处的截面组合应力，当宽度过小时，会到导致应力过大而使管道发生破坏。转角支墩设置在管道入地的弯管接头处，该处的受力组成部分为内水压力引起的竖直与水平方向上的分力。竖直分力由地基承受，当地基承载力不足时，需要打桩或者进行地基处理；水平分力由支墩的水平抗推力抵消，支墩的水平抗推力由地面摩擦力与土压力组成，当支墩水平抗推力不足时，需要保证管道直埋段的长度，确保不会发生位移。

本文以“原南汇区域老旧供水管网改造工程”中的黄路港管线桥为例，探讨管线桥结构中管道支座与转角支墩的设计。

1 工程概况

黄路港管线桥位于上海市浦东新区G1501公路沿线，其跨径为17+20+17=54m，管线桥正交布置，试水水压力为Fwdk=1.1N/mm2。上部结构采用DN1200钢管，钢材型号为Q235B，计算外半径R=610mm，支座处计算壁厚t=16mm，结构形式为连续梁结构；下部结构采用排架式桩墩，桩基为Ø600钻孔灌注桩；管线桥两侧弯头角度为45°，入地转角处采用钢筋混凝土支墩支撑。

2上部结构建模计算

本工程中管线桥为三跨布置，建模计算时需要将两侧斜直段一起考虑进去（见下图），因为斜直段上的荷载一部分作用在边墩及其上面的支座上，如不考虑这部分荷载，则边墩以及支座上的受力偏小。

利用Midas建模计算，支座处计算结果如下：

M支座=756kNm，V左=V右=235kN

3支座宽度的选取

管线桥上部钢管的支座（管托）主要依据《CECS 214-2006自承式给水钢管跨越结构设计规程》进行设计。本工程采用的支座为鞍式钢管托，其支承半角θ为90°，宽度B为800mm。

在外部荷载的作用下，支座宽度会对钢管截面的组合应力σ产生影响，其计算公式如下：

式中：σθ为截面环向拉应力，σx为截面轴向拉（压）应力，τ为截面剪应力。

1）截面环向拉应力σθ

截面环向拉应力由支座处环向拉应力σMθ以及内水压力引起的环向拉应力σFWθ组成。

1、支座处环向拉应力σMθ

对于鞍式支座，环向弯矩的作用范围L为支座宽度B以及两侧 之间，需要分别计算A、B、C三处（见下图）截面环向拉应力，取最大值。由于本次工程采用的支座支承半角为90°，B、C两点重合，故只需考虑其中一处。

κ为环向弯矩系数，取值于《自承式给水钢管跨越结构设计规范》（CECS214：2006）表6.1.3.1。

管壁截面环向抵抗矩为

2、内水压力引起的环向拉应力σFWθ

2）截面轴向应力σx

截面轴向应力由外部荷载引起的弯曲应力、由温差引起的温度应力以及钢管与支座之间的摩擦力组成。

1、外部荷载引起的弯曲应力

2、由温差引起的温度应力

钢管受到温差作用ΔT由工艺提供，此处取值25℃。

3、钢管与支座之间的摩擦应力

钢管与支座之间摩擦系数μ由工艺提供，此处取值为0.5。

如图2-1所示，对于鞍式支座，管道截面A点不与底部管托接触，无摩擦应力，B、C点位于截面中线上，无弯矩引起应力，因此截面轴向应力如下：

3）截面剪应力τ

钢管在外部荷载的作用下，支座处产生的管壁剪应力为：

根据上述应力计算的结果，支座处截面A、C两点（见图2-1）可能的组合应力σ共有8中情况，分别计算，取其最大值，得出

本次供水管采用的钢材为Q235B，结构重要性系数 ，故

综上所述，本管线桥采用800mm宽度的鞍式支座满足供水钢管的强度要求。若供水钢管强度不够，除了加大支座宽度以外，亦可对支座处的钢管进行局部加厚，范围为支座两侧较大跨径的10%。

4转角支墩的设计

供水钢管的内水压力会在弯头处的管道截面上产生外推力，若弯头接口的强度不足，会使钢管发生脱开现象，导致漏水，因此需要在钢管弯头出设置转角支墩，避免上事故的产生。支墩上的作用力主要为管道截面上的外推力引起的水平与竖直方向上的分力，水平方向的分力主要由土压力以及支墩与地面的摩擦力抵消，竖直方向上的分力则由地基承担。

转角支墩主要根据《10S505柔性接口给水管道支墩图集》进行尺寸设计以及验算。本工程中，支墩尺寸为：

墩顶埋深h1为2.2m，墩底埋深h2为4.2m，投影长度La=4.42m，体积V=32.82m3，所在土层的土壤内部摩擦角为20°

本工程中，供水管道的工作试水压力Fwdk=1.1N/mm2，产生的管道外截面外推力为

弯头的角度ψ为45°，产生的水平分力与竖直分力为。

1）水平方向抵抗力验算

转角支墩水平抵抗力由被动土压力与摩擦力组成。被动土壓力的大小为

由于供水管道在进行压力测试时，转角支墩的上部覆土会被挖开，因此计算摩擦力时，不考虑支墩上部覆土的重量。

综上所述，本工程中，支墩的水平抵抗力为

T1+T2=1459.20kN>1.5·H=357.13kN

支墩水平抗推能力满足要求。若支墩的水平抗推能力不满足要求，根据《CECS141：2002 给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程》，需要在支墩后方保证一定长度的钢管直埋段，利用钢管与土壤之间的摩擦力增加水平抗推能力，钢管直埋段的L的计算公式如下：

其中，Ffk为管道单位长度摩擦力标准值，Ks为抗滑稳定性系数（Ks=1.5）， 为钢管与土壤之间的摩擦系数，一般取值为0.25～0.4。

2）地基承载力验算

转角支墩所在位置上的竖直方向上的力由外推力竖直方向上的分力、覆土重、钢管（含水）自重以及支墩自重组成。

本工程中，修正后的地基承载力109.60kN/m2，地基反力大于地基承载力，不满足要求，因此在支墩下方打入4根16m长直径为600mm的转孔灌注桩（见下图）以防止支墩位置产生过大的沉降。

5总结

管线桥结构设计中，支座（管托）的宽度主要取决于上部结构中传递下来的荷载，当上部荷载较大时，应适当加宽支座的宽度以及增加钢管的壁厚，以免使管壁上组合应力过大发生破坏。转角支墩的尺寸则受内水压力、弯头角度、土壤性质等因素影响，除加大支墩尺寸外，增加支墩后面直埋段长度以及对地基进行处理可以提高支墩的水与竖直方向的抵抗能力。通过以上措施可以提高管线桥结构的安全性。

参考文献

[1] 《柔性接口给水管道支墩》 （10S505），中国建筑标准设计研究院。

[2] 《自承式给水钢管跨越结构设计规程》（CECS 214-2006），上海市政工程设计研究院。

[2] 《给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程》（CECS141-2002），北京市政工程设计研究总院。