房永巖 馬曉冬

摘要：拱管作為跨越的一種方式，在熱力管道跨越工程中被廣泛應(yīng)用。拱管既是一個(gè)熱水輸送管，又是一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)拱管的各種受力情況進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算。文章分析了在供熱管線(xiàn)中應(yīng)用拱形管道的優(yōu)勢(shì)、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，提出了拱管和支架支墩的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：熱力管道；大跨度拱管設(shè)計(jì)；矢跨比；拱形支架；人字形支架

中圖分類(lèi)號(hào)：TU990 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2012）01-0050-03

一、概述

城鎮(zhèn)熱網(wǎng)工程在建設(shè)過(guò)程中經(jīng)常遇到管道跨越道路、河流工程。管道跨越的方式有很多種，結(jié)構(gòu)常采用的有拱管、懸索、吊索、鋼桁架等。拱管作為跨越的一種方式，在熱力管道跨越工程中被廣泛應(yīng)用。目前在沈陽(yáng)、錦州、營(yíng)口等城市已有多座熱力拱管投入使用，運(yùn)行狀況均良好。拱管是鋼管彎制、焊接而成的一個(gè)圓弧形無(wú)鉸拱的大跨度結(jié)構(gòu)，它利用鋼管自身的強(qiáng)度、鋼度支撐，拱管既是一個(gè)熱水輸送管又是一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)拱管的各種受力情況進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，本文主要對(duì)熱力拱管的設(shè)計(jì)計(jì)算以及拱管在熱力管道跨越工程中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

二、拱管與鋼桁架比較的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于大跨度、大管徑的結(jié)構(gòu)，一般宜采用拱管和鋼桁架結(jié)構(gòu) 鋼桁架結(jié)構(gòu)較壯觀，跨度也大。但耗用鋼材較多，且維修費(fèi)用大。拱形管道是利用管子本身的強(qiáng)度直接支承在支架上，與鋼桁架相比，拱管結(jié)構(gòu)能節(jié)省較多鋼材，特別對(duì)大跨度、大管徑結(jié)構(gòu)更為合適。另外，由于是拱形結(jié)構(gòu)，在兩側(cè)支架不高情況下，管底空間高度就能滿(mǎn)足使用要求。這樣，拱支架高度就可適當(dāng)降低。在造型上，拱管型式也較活潑，給周?chē)h(huán)境增添美觀色彩。因此，拱型管道是一種較為經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)。拱管常用等截面的無(wú)縫鋼管制作，在整體上考慮園弧形的拱型管制作更方便，一般采用園弧形無(wú)鉸拱的結(jié)構(gòu)型式。為了進(jìn)一步節(jié)約能源，改善城市環(huán)境狀況，特別是近幾年集中供熱管網(wǎng)建設(shè)也在不斷發(fā)展。因此，大跨度管網(wǎng)結(jié)構(gòu)也越來(lái)越多，討論和研究拱形管道的設(shè)計(jì)也有它的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

三、拱管設(shè)計(jì)要點(diǎn)

拱管是管線(xiàn)跨越結(jié)構(gòu)中最合理的結(jié)構(gòu)體系之一，在中小型河流，溝渠跨越結(jié)構(gòu)中占著極其重要的地位。拱管一般采用等截面無(wú)鉸拱，管徑較大（直徑325以上）預(yù)彎很困難，則分若干直管段焊接成折線(xiàn)拱，管徑較?。ㄖ睆?73以下）則可以分若干段預(yù)先熱彎，然后焊接成圓弧拱。

（一）矢跨比確定

拱管設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定管道跨距及合理的矢跨比。矢跨比為矢高與跨距之比（f/L）。合理地選擇矢跨比應(yīng)與地形情況、地質(zhì)條件、材料用量、凈空要求和方便施工等因素綜合考慮。

矢跨比的大小主要和管道自重、風(fēng)荷載和溫度有關(guān)，當(dāng)然還應(yīng)考慮河流的通航高度和寬度，在滿(mǎn)足通航凈空及管道應(yīng)力的情況下，應(yīng)考慮盡量增大矢跨比。矢跨比小，跨度越大則變形量愈大，同時(shí)荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力也較大，支座水平推力會(huì)變得很大。因此緩拱對(duì)拱支墩受力來(lái)說(shuō)不利。尤其是當(dāng)?shù)鼗缓脮r(shí)，則導(dǎo)致較大的位移，對(duì)拱產(chǎn)生不利影響。與其相反，陡拱矢跨比大，其材料用量多，吊裝不方便。因此，從拱的穩(wěn)定性考慮，拱過(guò)陡或過(guò)緩都不利。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，矢跨比一般可采用1/6～1/12，綜合以上各方面因素考慮，矢跨比采用1/8～1/10較為適宜。一般情況下：（1）自重較大時(shí)，矢跨比取f/L=1/8；（2）風(fēng)載較大時(shí)，矢跨比取f/L=1/10；（3）溫差較大時(shí)，矢跨比取f/L=1/5。如跨距、高度受限，也可根據(jù)實(shí)際情況的特殊要求，以及建筑美觀度（長(zhǎng)細(xì)比）來(lái)確定其矢跨比。

（二）拱管的強(qiáng)度及穩(wěn)定

拱管各種荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算可按等截面無(wú)鉸拱的力學(xué)計(jì)算求得。在強(qiáng)度和穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí)我們通常按垂直靜荷載、溫度、側(cè)向風(fēng)荷載、內(nèi)應(yīng)力、全跨、辦跨荷載的內(nèi)力組合來(lái)進(jìn)行驗(yàn)算。詳細(xì)公式見(jiàn)文獻(xiàn)1。

通常平面內(nèi)穩(wěn)定由拱管結(jié)構(gòu)本身來(lái)保證，只要拱不過(guò)坦（f／L<1/4）是不會(huì)有問(wèn)題的。一般情況下僅驗(yàn)算出拱平面的穩(wěn)定即可。

但是當(dāng)徑跨比較小時(shí)，如：直徑159跨度35m的拱管，靠拱管本身保證平面外穩(wěn)定是不行的，這時(shí)一般可采取加斜撐的辦法來(lái)滿(mǎn)足平面外穩(wěn)定，斜撐可按拉壓桿來(lái)考慮。另外，斜撐提高整體剛度的同時(shí)，還提高了固有頻率，對(duì)消除風(fēng)振的影響也有一定作用。

（三）拱管長(zhǎng)細(xì)比

拱管長(zhǎng)細(xì)比主要應(yīng)從管道自重和管道與環(huán)境的協(xié)調(diào)性以及管道自身長(zhǎng)短與粗細(xì)的協(xié)調(diào)性、美觀性考慮，尤其在城市橋梁附近建設(shè)的拱管，在視覺(jué)上與城市橋梁相協(xié)調(diào)，適當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比的拱管就如一道彩虹，成為城市一道美麗的風(fēng)景。由于拱管一般都比橋梁高，所以拱管在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮管道所承受的風(fēng)荷載，特別是在熱帶風(fēng)暴較頻繁的沿海地帶，拱管的穩(wěn)定性校核需特別重視。設(shè)計(jì)中根據(jù)熱力管道兩根管同行的特點(diǎn)，推薦采用供回水管道雙拱互為平面外支撐，增強(qiáng)拱管穩(wěn)定性，兩管在平面外互相倚靠，中間設(shè)拉桿連接，如圖1、圖2所示：

四、拱管支架和支墩設(shè)計(jì)

管架所承受荷載，即拱腳處截面內(nèi)力的反作用力，結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)根據(jù)管架荷載進(jìn)行支墩和支架設(shè)計(jì)。架空管線(xiàn)跨越時(shí)采用拱管支架，而直埋管線(xiàn)一般采用拱管支墩。

（一）拱管支墩

拱支墩的作用主要是嵌固拱趾和傳遞拱的推力。我們認(rèn)為：按無(wú)鉸拱拱趾反力驗(yàn)算的大塊實(shí)體式混凝土拱支墩（如圖1所示）是一種安全可靠的結(jié)構(gòu)體系。這種拱支墩具有很多優(yōu)點(diǎn)：首先，施工方便，傳力直接；其次，拱趾彎矩可以由拱支墩后面延伸的管段來(lái)平衡，可以減小拱趾彎矩影響；由于拱支墩后壁面積較大且埋于老土較深，在拱的推力作用下產(chǎn)生的位移很小，這對(duì)拱是很有利的（但為了保證小位移，施工時(shí)拱支墩后壁應(yīng)盡量原槽澆筑，不得擾動(dòng)后壁土，否則應(yīng)用灰土分層夯實(shí)）。另外，拱支墩的預(yù)埋螺栓應(yīng)進(jìn)行受剪和雙向受拉驗(yàn)算。

（二）拱支架的型式及其分析

拱支架是由基礎(chǔ)、支架和拱托，以及予埋件組成。支架的高度及支架頂?shù)拇笮〖坝杪窦话愀鶕?jù)工藝要求確定。土建的設(shè)計(jì)任務(wù)是根據(jù)工藝設(shè)計(jì)提出的要求來(lái)確定結(jié)構(gòu)型式，梁柱有關(guān)尺寸及予埋件尺寸，進(jìn)行支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

拱管支座除受豎向力之外還受較大的水平力，通常支架采用剛性結(jié)構(gòu)。考慮到支架是露天結(jié)構(gòu)，為了減少維修工作量，一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。此外，也可采用鋼結(jié)構(gòu)，但工程造價(jià)較高。

對(duì)拱管直徑及跨距均較大的鋼筋混凝土拱支架結(jié)構(gòu)，大量采用的是矩形空間剛架。矩形空間剛架頂面按照拱支座要求，另設(shè)橫梁來(lái)支承拱支座，此橫梁受荷載往往較大，當(dāng)采用鋼筋混凝截土梁截面尺寸太大時(shí)，也有采用鋼橫梁。為此，這種結(jié)構(gòu)橫梁較多，傳力途徑比較長(zhǎng)而且復(fù)雜，剛架頂面面積較大，但利用率低，并容易使拱管下彎段與頂橫梁相碰。解決的辦法只能將拱托支墩加高，這樣對(duì)本來(lái)受力較大的支架更為不利。

為了解決上述結(jié)構(gòu)的不足之處，推薦采用人字型空間拱支架結(jié)構(gòu)，如圖3。這種結(jié)構(gòu)采用二根人字型支架，再用連梁相聯(lián)接，形成空間結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)最大特點(diǎn)是橫梁較少，傳力途徑短，作用荷載直接。根據(jù)力學(xué)分析，在受水平力大的一側(cè)沿管軸向，構(gòu)件變形極小，水平位移量幾乎為零。受力后的柱中彎矩大大減小。這樣柱子截面尺寸和配筋相應(yīng)減小。因此，字型支架與矩形空間支架相比較，在混凝土和鋼材上要節(jié)省。此種型式使拱托支架高度較低，拱管也很容易下彎，不會(huì)與支架相碰。

（三）支架基礎(chǔ)

拱支架基礎(chǔ)一般均用鋼筋混凝土基礎(chǔ)，根據(jù)荷載的大小及地質(zhì)情況可采用樁基、板式基礎(chǔ)及獨(dú)立基礎(chǔ)。由于拱支架水平力及彎矩均較大，基礎(chǔ)頂面除有壓力、剪力外，還有較大彎矩。因此，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮基礎(chǔ)的偏拉力。設(shè)計(jì)方法按一般基礎(chǔ)處理。

（四）拱趾的設(shè)計(jì)與構(gòu)造

拱趾的作用就是將無(wú)鉸拱的內(nèi)力傳給拱支墩和支架。因此，拱趾的設(shè)計(jì)與構(gòu)造對(duì)今后拱管的正常使用有著舉足輕重的作用。由于拱趾所受剪力和彎矩較大，尤其是半跨荷載時(shí)。因此，拱趾在構(gòu)造上不但要滿(mǎn)足吊裝等施工工藝要求，而且對(duì)焊縫應(yīng)詳細(xì)驗(yàn)算并適當(dāng)增加其安全度。

拱托、拱支座及予埋件拱托一般由鋼板焊接而成，鋼板厚度不小于12，具體作法按照工藝要求制作，并進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。拱托與支架的聯(lián)接，靠拱托焊接在支架頂面的予埋件上。支架頂面的予埋件，承受著較大的彎、剪等復(fù)雜應(yīng)力，按要求進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

五、拱管施工要求

拱管在施工過(guò)程中應(yīng)該嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖進(jìn)行施工，主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1．拱管管材：管徑小于等于DN400應(yīng)優(yōu)先選用輸送流體用無(wú)縫鋼管（GB/T8163-1999），管徑大于DN400可選用直縫鋼管（GB/T9711.1-1997）及卷焊鋼管（GB/T9711.1-1997）。

2．鋼管采用氬弧焊打底電焊蓋面的焊接工藝。管道無(wú)損探傷采用X射線(xiàn)拍片探傷，焊口須100%探傷，焊縫內(nèi)、外部質(zhì)量應(yīng)符合GB50236-98中Ⅱ級(jí)焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，拱管拱頂8～10m處不能有焊口。

3．拱管?chē)?yán)格按圖制作，拱管樣板模具要做準(zhǔn)確，管弧要光滑，拱管制作安裝質(zhì)量，要求達(dá)到拱頂至拱趾均在一個(gè)平面上，不可扭曲，其不平度偏差不得大于10mm，拱頂至拱趾鉛垂度偏差不得大于10mm。拱管對(duì)接焊縫與支座焊縫間距不小于50mm。

4．為確保拱管的安裝質(zhì)量，拱管在吊裝前后均需進(jìn)行試壓，拱管吊裝前應(yīng)按CJJ33-89的要求進(jìn)行吹掃和強(qiáng)度、氣密性試驗(yàn)，拱管安裝完畢后與埋地連接段一起對(duì)整段管道進(jìn)行吹掃和強(qiáng)度、氣密性試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)均采用壓縮空氣。

5．起吊設(shè)備需在拱形管道與拱托及管架面焊牢后再拆除（最好拱形管道與兩端管子接好后再拆除）。

六、結(jié)論

集中供熱是我國(guó)能源政策中節(jié)能的一項(xiàng)戰(zhàn)略措施，近年來(lái)隨著集中供熱管網(wǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展，討論拱形管道在供熱管線(xiàn)中的使用有它的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，在跨越寬的河流時(shí)可以采用連續(xù)幾個(gè)拱形管道的形式，像一座多拱橋一樣，既不影響通航，又能節(jié)省投資和加快建設(shè)速度。在造型上，拱形管道形式也較活潑，對(duì)周?chē)h(huán)境也能增加些色彩，因此，拱形管道是一種較為經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的結(jié)構(gòu)形式。如熱力管道無(wú)法采用隨橋敷設(shè)，且跨距在30～90m之間，推薦優(yōu)先采用拱管跨越方式。

（責(zé)任編輯：陳 倩）