某输水工程中自承式拱管跨河设计研究

肖光辉

(江西省高安市樟碧水库管理局，江西 高安 330800)

0 引 言

自承式圆弧形拱管跨河是利用输水钢管自身支撑跨越河道的一种跨河交叉建筑物设计型式，具有施工方便，无需进行水下施工(或仅有部分水下施工)，便于后期管理维护检修等优点，但在后期运行中应加以防护，以免遭到破坏。某输水工程主要以水源工程及输水管道为主，建设任务主要以解决城镇生活与工业供水，兼顾农业灌溉的多用途水利工程，工程总线路长65km，水源工程新建小(2)型调蓄水库一座，总库容52万m3，管道管材为钢管，自调蓄水库出来后采用重力自流输水，设计流量5.52m3/s，管径为2.4-1.2m，输水线路沿途与河流交叉较多，经现场勘查和资料搜集，在初步设计中为避开生态红线和基本农田，输水干线与河流交叉28处，管道交叉处河道宽度多在15-50m，其中过县城段河道按照20a一遇设计，50a一遇的校核洪水标准治理，过集镇、村庄河道按10a一遇设计洪水标准治理，离下游较远村庄的山区河道未治理。本工程管道为4级建筑物，管道与河道交叉建筑物设计按20a一遇的设计洪水，50a一遇的校核洪水设计，因此本输水管道过县城段河道交叉建筑物考虑采用自承式拱管跨越形式进行管道跨河交叉段设计，通过跨河交叉段典型分析，为本次设计施工提供了方法和思路，并通过典型设计节约了时间，提高了工作效率。

1 自承式拱管设计

1.1 拱管布置

输水管道在河道过县城段与河道交叉，根据现有河道治理资料，河道宽度75m左右，河床冲刷深度1.5m，文章采用自承式圆弧拱管跨河设计，输水管此段设计管径1.8m，管内工作压力0.9MPa，设计跨度73.183m，为保证拱管结构稳定，矢跨比采用μ=1/8，将管径在支墩处分开成两根管径为1.2m的双管布设，中间设置横向及纵向联系杆，两端支墩按照单管尺寸确定并合并成整体，支墩基础埋深应满足防冻及冲刷深度要求，并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06S506-2《自承式圆弧形架空钢管图集》和CECS214-2006《自承式给水钢管跨越结构设计规程》中有关规定布置和设计。自承式拱管设计平面布置图及纵剖面图如图1、图2所示。

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

图1 自承式圆弧拱管平面布置图

图2 自承式圆弧拱管纵剖面布置图

1.2 基本地质情况

河道两岸地表全为农田，岩性为第四系洪积层，厚度>10.5m，上部1.3-5.5m为粉质黏土层，下部为淤泥、粉质黏土层，局部有黏土、粉砂、砂卵砾石层呈透镜体状发育，局部黏土层较厚，下伏基岩埋深较大，岩性为江底河组下杂色泥岩段(K2j1)紫红色泥岩夹钙质泥岩、泥灰岩，沿线无断裂、褶皱通过，地下水活动丰富，以第四系松散层孔隙水为主，沿线无不良物理地质现象。工程区抗震设防烈度7度，地震动参数0.15g，属区域构造次稳定区。

2 自承式拱管受力分析

2.1 基本设计参数

自承式圆弧拱管进行受力分析时，只需要对单管进行受力分析，当单管强度满足要求时，双管整体受力也满足要求。受力分析前首先要对拱管基本参数进行确定，文章结合结构设计、地质及水文资料等，确定基本参数见表1。计算简图见图3。

图3 计算简图

2.2 内力计算

2.2.1 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，计算荷载组合参照CECS214-2006《自承式给水钢管跨越结构设计规程》中表5.2.7[1]。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：

施工荷载qi：qi=D2×2=2.444(kN/m2)；

附属设施qt：取qt=0.5(kN/m)。

永久荷载q1：q1=1.2(qs+qt)+1.27qw=18.858(kN/m)；

可变荷载q2：q2=1.4qi=3.422(kN/m)；

垂直荷载q：q=q1+q2=22.279(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

(1)

式中：ω0为基本风压，取值0.35kN/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》得到参数值分别为1.0、0.7和1.1。

计算得到均布荷载P=0.461(jN/m)。

3)温度变化：ΔT=30℃。

表1 自承式圆弧拱管基本参数表

2.2.2 内力计算

输水钢管在各种荷载作用下，在拱脚处产生的内力最大，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四个部分，在拱脚处产生的内力，计算时分别进行计算，文章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与其计算方法相同，计算公式采用CECS214-2006《自承式给水钢管跨越结构设计规程》中计算公式，参数按照规程中附录A-附录D进行选取[2]。由沿拱轴的均布垂直荷载作用，在拱脚处产生的内力如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

RAg=VAgcosφ+NAgsinφ

(6)

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，单位为N，正负见表2说明；MAg为拱脚处弯矩值，单位N·mm；KHg、KNg、KVg、KMg为内力系数，取值见《设计规范》附录A-附录D；其余符号取值见文章表1设计参数表。

图4 沿拱轴的均布垂直荷载作用下内力图

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

2.3 强度复核

(7)

式中：σ为管壁截面的最大组合折算应力，N/mm2；σθ为管壁截面的环向拉应力，N/mm2；σx为管壁截面的纵向应力，N/mm2；τ为管壁截面的剪应力，N/mm2；以上各种应力计算均按照 CECS214-2006《自承式给水钢管跨越结构设计规程》中计算公式进行计算，文章不再详述，两种不利情况下的强度复核结果见表3。

表3 满跨和半跨两种不利情况下强度复核结果值

经计算，两种工况下自承式拱管强度均满足设计要求。

3 稳定性验算

自承式拱管稳定性验算同强度复核一样，也分为满跨和半跨两种不利情况，拱管在竖向和水平荷载组合作用下，对管轴平面外稳定性验算应满足下列要求：

σ0≤f

(8)

式中：σ0为拱管稳定性应力，N/mm2；f为输水钢管的抗弯强度设计值，为 310N/mm2，公式中参数取值及计算详见表4。

表4 自承式拱管稳定性验算结果表

经计算，两种工况下自承式拱管稳定性均满足设计要求。

4 结论及建议

新时代下的水利工程已经不是简单的体现它工程价值，而是要考虑它的美学价值以及自然环境相协调，自承式拱管不仅可以充分利用地形，施工维护简便，而且有造型美观， 具有很高的美学价值，达到了工程与自然的和谐统一，体现良好的经济效益和社会效益[3]。文章结合结构力学方面的知识，进行大量的内力和结构计算，计算结果可靠、准确，篇幅所限，对自承式拱管结构设计中矢跨比、管道壁厚、联系杆以及支墩设计等未详细阐述， 将在今后的文章中重点阐述。