遇欣 王喜亭

摘要：水管橋，也叫做水道橋或水路橋，以跨越河流和山谷運(yùn)送水為目的所設(shè)置的橋梁，其用途包括：輸送上水（自來水）、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、下水（污水）等。本文中將對于水管橋的配置計劃以及水管橋的配置細(xì)節(jié)進(jìn)行描述，并配合日本補(bǔ)剛型水管橋的設(shè)計流程加以說明。希望給予我國橋梁設(shè)計者和建設(shè)者以借鑒，對今后的水管橋設(shè)計提供一定的技術(shù)支持與設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞：水管橋;補(bǔ)剛型水管橋;環(huán)形支持構(gòu)造;桁架形式

當(dāng)輸水管道遇到河流、山谷時，要管道跨越山谷或河流提供對策時，在現(xiàn)地沒有公路橋或鐵路橋的情況下，一般大多選擇采用建造水管橋作為解決對策。相較于在地下埋設(shè)管線，水管橋無論在施工難度、工程造價方面都具有先天優(yōu)勢。當(dāng)然水管橋也因?yàn)槁懵对谕?，會受到空氣，雨水的侵蝕。所以，在水管橋建成后對于水管橋的防蝕防銹以及定期維護(hù)也是很重要一環(huán)。

近年來我國經(jīng)濟(jì)的高速增長，西部大開發(fā)也是我國的一項(xiàng)基本政策，有鑒于我國西部一些地區(qū)多山的地貌形態(tài)，筆者認(rèn)為對于水管橋的設(shè)計建造需求有可能上升。

1用語的定義

（1）水管橋：按種類可分為獨(dú)立水管橋、添架水管橋。

（2）獨(dú)立水管橋：指專為輸水配線而設(shè)置建造的水管橋，按構(gòu)造形式又可分為直通型水管橋、補(bǔ)剛型水管橋、添架專用橋。

（3）添架水管橋：指添架在既有的道路橋上來實(shí)現(xiàn)輸水功能的水管橋。

（4）補(bǔ)剛型水管橋：指三角形的桁架構(gòu)造形式水管橋。用比較細(xì)的管材在水管橋中，作為上弦材，下弦材一般采用中小口徑通水管材，從而有效利用通水管的特性。

（5）環(huán)形支持構(gòu)造：水管橋上對于水管的支撐支撐構(gòu)造。

（6）桁架形式：一種由桿件彼此在兩端用鉸鏈連接而成的結(jié)構(gòu)。

2調(diào)查與計劃

2.1調(diào)查

（1）輸水配線計劃

輸水配線計劃，一般來說我們通過結(jié)合規(guī)劃路線選項(xiàng)，選用較為經(jīng)濟(jì)的路線來確定水管橋的大略規(guī)劃路線。除了需要對橋梁的架設(shè)用地及施工時對公共交通的影響程度進(jìn)行一般性調(diào)查之外、還需要對以下Ⅱ項(xiàng)目中的各項(xiàng)調(diào)查結(jié)果綜合考慮來決定最佳，最有利的架設(shè)位置。除此之外，通過計算確定輸水管的管徑、流速、管內(nèi)壓，也能得到水管橋設(shè)計的必要條件。

（2）地形的踏勘、測量

在架設(shè)位置的周圍進(jìn)行現(xiàn)場地形的調(diào)查。測量，是根據(jù)水管橋的規(guī)模，以暫定的測量基準(zhǔn)點(diǎn)在架設(shè)地點(diǎn)附近進(jìn)行測量。據(jù)此繪制對設(shè)計和架設(shè)十分重要的平面圖和縱斷圖。

（3）地質(zhì)調(diào)查

對地盤的性質(zhì)、構(gòu)成、地下水位、地盤耐力進(jìn)行調(diào)查，確定下部構(gòu)造的位置、橋梁基礎(chǔ)工程以及施工方法選定，并在此基礎(chǔ)上來決定橋長和跨徑。此外，還應(yīng)該根據(jù)地盤調(diào)查的結(jié)果、地盤的固有周期進(jìn)行耐震設(shè)計。

（4）氣象調(diào)查

對橋梁架設(shè)地域的風(fēng)速、降雨、積雪、氣溫等進(jìn)行調(diào)查，并據(jù)此選定設(shè)計條件、材料選定、施工方法及施工時間。

（5）河川概況調(diào)查

在對河流的流量、流速、水位、流向、航行船只、漂浮物狀況及水利設(shè)施做充分調(diào)查后，得到?jīng)Q定跨徑和下部構(gòu)造位置、高度、形式的重要參考條件。同時，在設(shè)計的也必須嚴(yán)格遵守國家有關(guān)河流管理的相關(guān)法律法規(guī)。

（6）橋梁架設(shè)地域固有問題及其他

調(diào)查架設(shè)地點(diǎn)附近的道路狀況、地震、地盤錯動、發(fā)生洪水的概率和規(guī)模等，作為橋梁計劃的參考條件。

2.2計劃

在水管橋的計劃階段必須要對之前的調(diào)查事項(xiàng)進(jìn)行周密的考量和研討。再對架橋位置、橋長、跨徑分割、采用形式及設(shè)計、部件運(yùn)輸、架設(shè)、保障等各事項(xiàng)的充分考量的基礎(chǔ)之上，訂定出在施工造價的經(jīng)濟(jì)性上、安全性上、美觀性上為最優(yōu)的設(shè)計方案。

3水管橋的構(gòu)造形式

（1）獨(dú)立水管橋

構(gòu)造形式：直通型水管橋、補(bǔ)剛水管橋

補(bǔ)剛水管橋：①法蘭補(bǔ)剛式②桁架式（四角桁架，三角桁架）③固定拱式④拱補(bǔ)剛式（板樁橫檔，洛澤，尼爾森）⑤斜拉橋式

（2）添架水管橋

在既有公路橋，鐵路橋桁內(nèi)或桁外設(shè)置支持梁，添架水管的方法就是添架水管橋的形式。

（3）形式選定

根據(jù)現(xiàn)地調(diào)查得出的條件結(jié)合以上構(gòu)造形式特點(diǎn)，選擇水管橋形式。

4載荷的考慮

水管橋的載荷分為主要載荷和次要載荷。主要載荷其中又有，管內(nèi)壓（靜水壓）、鋼材自重、水重、積雪載荷。其中水重的算出原則上應(yīng)該假想成管內(nèi)是滿水的情況，根據(jù)輸水要求的不同也可以采用半充水狀態(tài)的水重進(jìn)行計算。在流體是水以外的情況下，必須通過流體的單位體積重量計算得出。

次要荷重包括風(fēng)載荷、溫度變化量、地震載荷、通行載荷、外部壓以及水的沖擊載荷。

同時選擇其中最不利的載荷要素，進(jìn)行疊加載荷計算也是需要著重考慮的。例如：Ⅰ.主要載荷、Ⅱ.主要載荷+溫度變化影響、Ⅲ.主要載荷+主要載荷+溫度變化影響+地震載荷等情況。

5鋼材材料

由于日本的JIS標(biāo)準(zhǔn)與我國GB標(biāo)準(zhǔn)不同，在這里暫不詳細(xì)說明。原則上應(yīng)該采用與我國實(shí)際情況相符合的符合國家標(biāo)準(zhǔn)的鋼材材料進(jìn)行建造。

6許容應(yīng)力度

許容応力度的包括主要部材，補(bǔ)剛材的許容應(yīng)力度、接合用鋼材的許容應(yīng)力度的、焊接部的許容応力度以及許容應(yīng)力度的增補(bǔ)。以上要素需要根據(jù)設(shè)置水道橋的實(shí)際情況，參考「日」《水管橋設(shè)計基準(zhǔn)》一書得出。

7撓度的容許值

雖然作用于水管橋的載荷，除了其自重和管內(nèi)水重之外的類似于鋼制公路橋，鐵路橋上由于車輛通行或行人通行所產(chǎn)生的活載荷基本可以忽略不計。但是，為了確保由變形產(chǎn)生的二次應(yīng)力不對水管橋的安全性造成威脅，保證水管橋的全體剛性，我們就要設(shè)定其撓度的許容值。許容值的確定公式如下。直通型水管橋L/350、法蘭補(bǔ)剛形式L/350、桁架形式L/500、拱補(bǔ)剛形式L/500、斜拉橋形式L/400。L為跨徑長（m）。

8部件及構(gòu)造、焊接部的關(guān)聯(lián)事項(xiàng)

需要考慮和設(shè)計的事項(xiàng)包括，鋼材的最小板厚，是否采用補(bǔ)剛材，格點(diǎn)部的分歧連接及其構(gòu)造，單一鋼管部件，有效壓彎長，部件的細(xì)長比，反撓度計算，焊接接口的設(shè)計，高力螺栓及摩擦連接的設(shè)計，螺栓中心距離，螺栓中心距邊距離和螺栓接合面的處理等。以及當(dāng)水管橋采用吊橋或斜拉橋的形式時，纜線類型的選擇、纜線楊氏模量的選擇、纜線的許容值選用、纜線的固定及防腐蝕處理。除此之外，有可能在使用到的構(gòu)造還包括，伸縮可撓管、空氣閥門、檢查升降孔、通路、防攀越柵欄、落梁防止構(gòu)造。都需要設(shè)計者根據(jù)水管橋設(shè)計的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。

9支撐部件

支撐部件的形式分為：環(huán)形支持構(gòu)造形式以及鞍座支持構(gòu)造形式，其二者存在很大的差別。環(huán)形支持支撐是將環(huán)形支撐直接與鋼管部件焊接，以起到補(bǔ)強(qiáng)和支撐的作用;鞍座支持支撐是將鋼管部件置于其上起到支撐作用的。獨(dú)立水管橋一般采用環(huán)形支撐;而添架水管橋一般采用鞍座支持支撐。

由于支撐承載了把上部工構(gòu)造載荷傳遞到下部構(gòu)造的重要功能，是橋梁構(gòu)造中非常重要的部分。因此，設(shè)計時需要考慮設(shè)計荷載、移動量、轉(zhuǎn)動量及轉(zhuǎn)動方向、摩擦系數(shù)、支撐的特性。同時也需要在保證支撐的耐用性和經(jīng)濟(jì)性的方針下進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。

10水管橋的設(shè)計流程

一、研討項(xiàng)目：對應(yīng)力度，壓彎長，撓度，傾倒的安全性驗(yàn)證以及上部構(gòu)造反力的概算。二、應(yīng)力度驗(yàn)證：圓周方向應(yīng)力度，管軸方向應(yīng)力度，軸向力及產(chǎn)生彎矩部材，剪斷應(yīng)力度，合生應(yīng)力度。三、對壓彎長照查計算。四、對撓度照查計算。五、對傾倒的照查計算。六、上部構(gòu)造反力的算出。七、支撐部設(shè)計：環(huán)形支持構(gòu)造設(shè)計或者鞍座支持構(gòu)造設(shè)計。

結(jié)束語

綜上所述，水管橋相較于公路橋、鐵路橋的結(jié)構(gòu)相對簡單，設(shè)計與施工周期也都相對較短。隨著我國經(jīng)濟(jì)的繼續(xù)不斷推進(jìn)，相信水管橋的建設(shè)在橋梁建設(shè)中也是不可缺少的一部分。因此，對于水管橋設(shè)計的研究和學(xué)習(xí)，也是道橋工程中重要的一環(huán)。

參考文獻(xiàn)

[1]WSP水管橋設(shè)計基準(zhǔn)（改正4版）.日本水道鋼管協(xié)會，H11.

[2]道路橋示方書同解說，I共通篇[R].東京：日本道路協(xié)會，2012.

（作者單位：大連日中技研有限公司）