供热工程中架空管道敷设的设计及施工要点

武 斌

(太原市热力集团有限责任公司，山西 太原 030000)

冬季的雾霾问题已经成为我国城市发展的一个重大难题，尤其是我国北方城市开始供暖后，雾霾问题更是有增无减。热电联产、长距离大管径传输和集中供热逐渐成为解决我国北方城市冬季供暖问题的方法。我国北方地区多处于山地丘陵地貌，平原较少。在长距离大管径供热工程中往往受到自然地理环境的影响，不得不面对山川、河流、高速公路和铁路等客观条件的限制。在综合考虑施工环境、施工成本和环境评价的基础上，供热工程也逐渐开始选择遇水架桥，见山开路的方式进行设计施工。在供热管线的敷设中以架空敷设为主，架空管线给设计和施工工作都带来了难度，随之对设计和施工水平也提出了更高的要求[1-2]。本文以太古供热工程架空管线为例，对架空供热管线的设计和施工要点进行探讨。

1 工程概况

太古供热工程为将古交市兴能电厂的乏汽余热进行回收处理通过供热管道传输至太原市，经过热泵机组的换热，将热量传递至太原市区的一项供热工程。该供热工程全长37.8 km，由直埋敷设段19.2 km和架空敷设段18.6 km组成。其中，架空段分为两部分，钢桁架架空段全长2.4 km，隧道架空段全长15.2 km。 全线包括两个系统，由2供2回4根DN1 400的供热管道组成。

2 钢桁架架空段基本情况

钢桁架是太古供热工程最具代表性的单位工程，由于钢桁架段地处汾河河谷地貌，地形复杂；而且现场实地受到铁路和高速公路的限制。在选择施工方案时，相比较在河底直埋敷设供热管道，施工难度较大且施工成本难以得到控制；且需要四次跨越汾河，一次架空穿越高速，常规混凝土箱型桥梁现场预制没有场地，工厂预制不具备运输条件，而现场满樘脚手架则难以实施。综合考虑地形地貌、施工难度和施工成本，最终经过多次研究讨论决定采用修建钢桁架桥，在桥梁上架空敷设供热管线[3-4]。钢桁架桥既可以在空中进行拼装，也可以在地面上拼装一跨后整体吊装，这样既满足了施工的可行性及便捷性，又便于日后维修保养。

3 钢桁架架空段设计要点

3.1 钢桁架布置形式

钢桁架桥全长1.4 km，桥宽12 m，高5.8 m。钢桁架桥由桩基、桥墩、混凝土盖梁、钢结构梁和上下腹杆组成。钢桁架桥设计每跨长度分为19 m，20 m，23 m，25 m，30 m和55 m 6种，一般每跨长度采用25 m。钢桁架桥的高度以水利部门提供的最大洪水位为依据，保证在最大洪水位下不淹没桥面，且根据河谷最大冲刷深度进行桩基础的设计，保证在河水的冲击作用下达到设计使用寿命。最终，钢桁架桥的高度以保证混凝土盖梁下沿高出河槽底部的高度为标准，一般高度为8 m～12 m，个别高度达到16 m。布置形式见图1。

3.2 补偿器的选择与布置形式

供热管线在工作期间要经历升温升压和降温降压的过程，在升温升压期间，管道会产生较大的一次应力和二次应力，两种应力经过叠加后传递给固定支架。由于钢桁架桥的特殊形式，没有足够的空间来设立体积较大的固定支架来承担供热管线在高温高压的工作条件下产生的轴向应力。在选择补偿器时，应以尽可能减小轴向应力为前提，同时考虑减小钢桁架梁、混凝土盖梁和桥墩所承受的荷载，从而考虑选择在供热管道运行期间不会产生盲板力的方形补偿器和内外压平衡式波纹管补偿器。

对比两种补偿器，方形补偿器在安装时需在供热管道中设置 90°弯头，过多的90°弯头会大面积增加管道的局部阻力；同时方形补偿器整体尺寸较大，中间的水平臂上需设置支撑以保证供热管网的安全稳定运行且不利于在钢桁架桥梁上安装，因此钢桁架上供热管道选择布置内外压平衡式波纹管补偿器。此外，在供热管道运行期间为尽可能地减小钢桁架桥上固定支架的受力，采用内外压平衡式波纹管补偿器对称布置的形式，即在一个固定支架的两侧分别对称布置一个内外压平衡式波纹管补偿器，具体布置形式见图2。

3.3 钢桁架验算

供暖期间，管道内介质温度较高，由于管道内外温差的作用，使得管道发生热胀冷缩的变形，管道安装在支架上，产生对支架的推力；同时由于外界温度的变化，钢桁架自身也将发生一定量的形变。为了保证钢桁架的安全稳定，设计时将安装在混凝土桥墩上的钢桁架作为自由端，将连接的山体作为固定端，以承受钢结构支架变形产生的推力。因此，钢桁架的验算变得尤为重要。

根据《钢结构设计规范》的规定，该工程采用 PKPM 计算软件对钢桁架进行计算分析。计算过程中，将钢桁架中所有构件的节点均视为铰接节点，根据不同荷载的组合分布形式进行计算。根据计算结果，对钢桁架中受弯构件的强度与稳定性、立柱的挠度、强度和稳定性进行验算，同时对焊缝连接进行验算。

对于钢桁架的变形，根据计算公式分别计算出管道内外温差产生推力引起的桁架变形量和外界温化发生的变形量[5]。同时，利用MIDAS数值模拟软件建立模型，计算得出钢桁架的变形量。将两者结果进行比较，从而对钢桁架进行验算和优化设计。

4 钢桁架架空段施工要点

4.1 钢桁架桥梁的吊装

钢桁架桥桥高一般为8 m～12 m且桁架间设计4 m宽的检修车道，且施工场地主要在汾河河道内，施工场地狭小，不能全面进行拼装和吊装。根据施工现场实际情况，采用连续钢桁架多跨、多工作面同时组拼，分段吊装，空中对接安装的施工方法。首先，根据钢桁架整体结构划分组装段和吊装段；其次，根据吊装顺序，在桥的一侧对钢桁架桥的侧弦进行卧拼；再次，对卧拼完成后的侧弦进行平转立和剩余杆件的竖拼；最后，用吊车进行整体吊装。

侧弦卧拼：选择合适的施工场地，用H250 mm×250 mm×8 mm×12 mm H型钢搭设台架，高低差确保在5 mm以内；在搭设好的台架上进行侧弦的拼装。

侧弦平转立：卧拼完成后，利用大型吊车将两侧卧弦进行平转立。平转立过程中要准确定位侧弦平、立面的位置。平面上根据测量定出准确安放位置，并做好标线。吊装卧拼至合适位置后进行下弦和上弦腹梁的安装。

4.2 供热管道的安装

钢桁架桥上供热管道分为两类：一类是带支座(滑动支座、导向支座)的供热管道；另一类是不带支座的供热管道。带支座的供热管道均安装在每个门架的内部，不带支座的供热管道安装在两个门架之间。钢桁架桥每一跨的长度不是固定的，但每一根供热管道的长度是固定的12.5 m，同时管道中还需安装补偿器，这样往往需要通过增加短节来保证管道和补偿器的精准安装。结合现场施工具体情况，为保证施工质量和施工工期，将每一根轴、每一个门架、每一根供热管道和每一个补偿器等设施设备在电脑上进行模拟安装。电脑模拟结果确认无误后，对所有的供热管道进行编号，尤其对带支座的供热管道的安装位置、安装尺寸进行进一步的核实，保证所有的供热管道各项安装数据与电脑模拟结果保持一致。按照电脑模拟出的安装顺序，根据编号依次进行吊装，既利于施工质量的控制，又助于缩短施工工期。

4.3 供热管道弯段的处理

供热管道敷设过程中由于受到地形的限制，不能完全保持直线敷设。在钢桁架的供热管线的敷设过程中出现多处弯段。弯道处的供热管道在管网运行期间会产生垂直于管网轴线的应力，该应力将全部由钢支架承担，为保证管网安全平稳运行，此侧向应力必须降低至钢支架的安全承受范围内。在控制轴向综合应力和侧向应力的前提下，该工程根据实际情况采用供热管道逐步过渡的布置形式，将弯段变缓，角度变大，逐步减小侧向应力和轴向应力，具体布置形式见图3。在大曲率弯管的两端分别焊接1 m长的直短管，以便与两侧导向支座的6 m直管道进行焊接，将弯段的度数变大，将急弯过渡为缓弯，通过设置在导向支座上的侧向挡板发挥限位的作用，逐步减少供热管道的径向位移和支架受力，使其达到设计要求。

在供热管道弯段吊装施工期间，由于角度的影响，吊装的管道不能很好的水平对正，使管道呈现竖直方向上的起伏。在管网的运行期间，供热管道会随着介质的流动发生位移，可能在起伏处产生应力集中，焊缝受到的压力增大，可能发生泄漏或管道偏转等影响安全平稳运行的安全事故。为了杜绝类似情况的发生，首先在吊装初期就要做好材料的准备工作，对弯管的安装角度进行标注，安装期间严格按照标注的角度进行统一安装；其次不能将弯管当作死口单独焊接，应在弯头两侧分别焊接若干根供热直管，且确保供热直管与支座连接紧密，以保证弯管处不因自重发生偏转。

5 结语

1)长距离大管径供热工程，受地形、地貌、施工周期和施工成本影响较大，同时供热管道对安装精度要求较高，造成安装难度较大，必须采取合理有效的设计方案和施工措施，以确保工程顺利实施。

2)钢桁架架空供热管线的设计和施工需要综合考虑各类问题,以确保大管径输送高温高压供热介质的管道的安全平稳运行。