一种跨越天然气管道的框架桥通道结构设计

王如寒

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510060）

0 引言

随着我国社会的发展，城市道路与市政管线相互交错，当通道结构与天然气管道无法相互避开时，普通的通道涵结构往往无法满足设计要求。为满足二者的安全运营，设计上需要重新综合考虑。本文结合工程实例，介绍了一种跨越天然气管道的框架桥通道结构设计方案，为同类型的设计提供参考。

1 工程概况

广东省清远市某项目主线道路全长约5.6km，等级为城市主干路，设计速度60km/h，主线道路横向布置为：6.5m人行道+8.75m绿化带+11.75m车行道+6m中央分隔带+11.75m车行道+8.75m绿化带+6.5m人行道=60m。场区现状主要为山坡、农田菜地、居民区、苗圃场和少量养殖鱼塘，部分场区交通较为不便。为解决竹元村侧与下沙村侧周边居民出行问题，在主线K9+221.16m处设置了2～11m（净宽）×4.8m（最小净高）人车通道涵，通道涵采用单箱双室钢筋混凝土箱涵结构。涵洞与路线主线斜交，斜交角13.07°，车行道净高4.5m，涵洞顶底板厚1.0m，边侧板厚0.9m，中侧板0.8m。涵洞外采用八字形洞口。

由于征地问题，用地红线宽度仅为60m，无法避开既有直径1.3m天然气管道。通道涵平面图如图1所示。

图1 通道涵平面示意（单位：m）

既有天然气管道通过设置盖板涵来进行保护。盖板涵如图2所示，天然地面线到天然气管顶不得小于180cm，以达到保护天然气管道的目的。因此，通道涵设计应尽量往上抬，使其底板底越远离天然气管道盖板涵越好。但由于通道涵设计车行道净高4.5m，且红线宽度控制了主线放坡长度，导致主线总体标高及纵坡无法调整。同时，通道涵内地面标高应不低于地方道路现状标高，否则涵洞内会积水。基于这些控制因素，通道涵设计为明涵，涵洞上方的主线车行道也只设置了10cm沥青铺装+10cmC40混凝土调平层=20cm厚的路面结构层，并且设置与其上主线横坡一致的纵坡，涵洞中间高、两边低。通道涵横断面如图3所示。

图2 天然气保护盖板涵示意（单位：cm）

图3 通道涵横断面（单位：cm）

在总体无法继续抬高的情况下，设计为明涵，已经是最大限度地抬高了箱涵。但即便如此，箱涵底板底到天然气管顶的净距最小仍只有1.314m，无法满足原天然气保护盖板涵的高度要求。同时，新建通道涵基底应力直接传递到天然气保护盖板涵上，对其受力影响大。若处理不当，会致其损坏，影响天然气管道的正常运营。基于以上限制因素，本文提出用框架桥的形式跨越既有天然气管道，通过设置桩基控制天然气管道上方通道涵的位移，减少通道涵对天然气保护盖板涵的影响，使结构稳定、安全、可靠。

2 框架桥通道结构设计方案

交通运输部、国家能源局、国家安全监管总局《关于规范公路桥梁与石油天然气管道交叉工程管理的通知》（交公路发[2015]36号）中明确规定：油气管道与两侧桥墩（台）的水平净距不应小于5m[1]。故框架桥的跨径理论上不得小于5+1.3+5=11.3m。天然气管道与通道涵结构斜交，为减小跨径，框架桥框架方向也为斜交。最终框架桥的跨径定为15m，单轴设置1排直径1.5m的钻孔灌注桩，跨径方向与通道涵纵向夹角14.91°。

设置框架桥后，整个通道结构分为5个节段。其中，节段1、节段2、节段4、节段5保持明涵结构不变，节段3为框架桥结构。节段之间设置沉降缝[2]。沉降缝的位置避开主线车行道，在绿化带范围内。节段3框架桥结构与节段2、节段4的明涵结构通过设置牛腿搭接控制相对沉降。

为保持结构的连续性、降低施工难度，节段3框架桥与普通节段的顶板、腹板保持相同的构造。但由于其跨度为15m，若结构仍保持为1m厚的实心底板，底板就会因为自重过大而不满足受力要求。因此，本文类比楼板纵横梁的设计思路，在框架桥底板设计“纵横梁”以提高结构的跨越能力。为方便表述，将平行于下穿车行道方向定义为纵向，将垂直于下穿车行道方向定义为横向。

具体设计方案为：（1）与桩基直接作用的横向板带所受弯矩及剪力最大，设计为第一横梁，截面宽度2.5m，高度2.1m。（2）明涵结构边中腹板下对应的底板纵向板带受力次之，设计为第一纵梁，截面宽度2.2m，高度1.5m。（3）底板横向跨中增设第二纵梁，截面宽度1.6m，高度1.5m。（4）其余板带高度0.6m。框架桥通道结构平面、立面及横断面如图4～图7所示。

图4 框架桥结构平面示意（单位：cm）

图5 框架桥结构立面示意

图6 框架桥跨中横断面（单位：cm）

图7 框架桥端部横断面（单位：cm）

由于框架桥通道上方车道与通道内车道方向不一样，横向及纵向的受力均复杂，不能按初等梁模型计算。基于此，本文利用MidasCivil建立节段3框架桥的梁格模型，如图8所示，全面分析结构的受力。分析内容包括：（1）第一横梁的弯矩、剪力；（2）第一、第二纵梁的弯矩、剪力；（3）一般板带纵向、横向的弯矩、剪力；（4）结构挠度验算。

图8 框架桥梁格模型

控制结构最大裂缝宽度不超过0.15mm，第一横梁顶底配置3排直径32钢筋＠120mm，第一和第二纵梁顶底配置2排直径32钢筋＠120mm，一般板带纵向顶底配置1排直径28钢筋＠120mm，横向底部配置1排直径28钢筋＠100mm，横向顶部配2排直径25钢筋＠100mm。结构最大挠度7.143mm满足规范[3]要求，并且对下穿的天然气管道盖板涵完全没有影响。

整体施工顺序为：开挖基坑→夯实基底→施工框架桥桩基→浇筑天然气管道保护结构→浇筑框架桥底板“纵横梁”体系结构→施工通道涵腹板、顶板结构→回填→附属结构。

3 结语

跨越天然气管道的框架桥通道结构的设计总结如下：

（1）在结构无法避开现有天然气管道的情况下，设计上首先结构应尽量往上抬，保证结构与管道的安全距离。

（2）通过设计框架桥，控制结构底板的位移，并将其内力传递到桩基，使其下方的天然气管道不再受到上部结构基底应力带来的压力，保证其安全运营。

（3）通过将底板设计为“纵横梁”体系结构，加大底板的跨越能力，保证桩基与天然气管道的安全距离。

（4）本工程地质条件良好，通道涵一般节段的沉降与节段3相差不大，不会产生差异沉降。在其他工程的应用中，应保证一般节段的地基承载力满足设计要求，并应保证其施工质量，防止因节段间的差异沉降而影响质量，必要时可以增设一般节段的桩基。

该结构经济美观、安全可靠，为同类型的设计提供了参考。