趙永全

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司 200092)

引言

在長距離輸水工程中,當(dāng)遇到河流、道路、地下構(gòu)筑物等障礙物時(shí),通常會(huì)采用自承重式鋼管管橋、頂管穿越、沉管等方式,各種設(shè)計(jì)方案均有在相應(yīng)條件下的適用性。比如自承式鋼管管橋單跨跨度一般不超過20m,當(dāng)跨越較大跨度的障礙物時(shí)需要設(shè)置中間支墩以減小跨度; 頂管方案雖然從淤泥到巖石各類土層都可以頂進(jìn),但對于不同的土層經(jīng)濟(jì)性和施工難度會(huì)存在較大的差別,一般在適用于頂管的淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土、粘土土層中能夠有比較好的經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)由于頂管過程中不可避免的施工影響和一些不可預(yù)見性的因素,頂管方案的選擇也要相對比較慎重。

桁架管橋方案具有單跨跨度大; 施工影響小; 工業(yè)化程度高; 施工速度快; 造型美觀; 造價(jià)較低等多種優(yōu)勢,在輸水工程中,通常在單跨跨度30m ～80m 的障礙物穿越方案中被選用,得到較為經(jīng)濟(jì)、安全、高效的工程應(yīng)用價(jià)值。對于跨河管架的設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析一直是工程設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)關(guān)注的課題[1]。

1 工程概況

項(xiàng)目位于浙江省衢州市,輸水管道為衢州新建第四水廠的原水供水管道,擬跨越的障礙物為烏引干渠,作為集農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)、發(fā)電、旅游和人民生活用水于一體的大型綜合水利工程,烏引干渠具有相當(dāng)高的通水保障要求和安全保護(hù)要求。在供水管道施工過程中必須嚴(yán)格保障水渠的正常通水,且干渠兩側(cè)有規(guī)劃道路,水渠下部土層主要為大塊卵石層,頂管穿越難度較大,綜合多種方案的比選,最終設(shè)計(jì)選定采用上部跨越的方式穿過水渠,水平跨度為60m,鋼管桁架管橋,供水管道為2 ×DN1400 鋼管。

2 桁架設(shè)計(jì)

桁架橫斷面采用雙管并排布置的梯形斷面形式,相比于矩形斷面能夠在不影響上下弦桿受力的同時(shí),有效縮短上弦平面拉桿之間的距離,進(jìn)而節(jié)省用鋼量[2],見圖1。輸水管道中心距2200mm,管道凈距800mm,管道距離豎向腹桿水平間距約800mm,在確保安裝需求的前提下,盡量壓縮管道間距。后期管道檢修時(shí)采用在兩根輸水管道之間臨時(shí)鋪設(shè)木板的措施作為檢修通道。兩個(gè)下弦桿之間設(shè)置橫向水平拉梁,拉梁上部設(shè)置鞍式管道支座和抱箍,待輸水管道安裝就位后,用抱箍卡緊管道。

圖1 桁架橫斷面Fig.1 Truss cross section

桁架縱斷面設(shè)計(jì)采用4 種形式進(jìn)行比選：

(1)N 字形斜腹桿設(shè)計(jì),上弦為平直桿,豎腹桿間距5m,桁架高度3.5m,見圖2a。

(2)V 字形斜腹桿設(shè)計(jì),上弦為平直桿,下弦橫梁間距5m,桁架高度3.5m,見圖2b。

(3) V 字形斜腹桿設(shè)計(jì),上弦跨中起拱1.0m,下弦橫梁間距5m,桁架高度3.5m ～4.5m,見圖2c。

(4) V 字形斜腹桿設(shè)計(jì),上弦跨中起拱1.5m,下弦橫梁間距5m,桁架高度3.5m ～5.0m,見圖2d。

圖2 桁架縱斷面布置Fig.2 Truss longitudinal section

2.1 輸水管與桁架連接

由圖1 桁架橫斷面可知輸水管道與桁架之間采用管托與抱箍連接,管托和抱箍與輸水管道之間通過設(shè)置10mm 厚橡膠墊板,在保證輸水管道放置穩(wěn)定的前提下,減少管道水平向與管托之間的摩擦,引起管道破壞,同時(shí)使管道和桁架的水平向相對能夠滑動(dòng),避免管道與桁架溫度變化不同引起的伸縮量不同,進(jìn)而影響桁架內(nèi)力。在豎直方向上,待桁架閉合之后,安裝輸水管道,輸水管道自重及內(nèi)水重均由管道下部的管托傳遞至水平橫梁,進(jìn)而由桁架承擔(dān),不計(jì)鋼管輸水管道本身剛度,對于桁架計(jì)算相對安全。

因此桁架分析計(jì)算時(shí),可將輸水管和管道支座折算為恒荷載施加在桁架下弦水平橫梁上。

2.2 單元類型

桁架分析模型采用YJK 軟件中空間結(jié)構(gòu)模塊建模,如圖3 所示。弦桿、腹桿、上弦水平拉桿采用桁架單元,即僅承擔(dān)軸向拉壓力; 下弦管托位置水平梁采用梁單元,以便于管道荷載布置與施加。

圖3 桁架整體模型Fig.3 Truss overall model

2.3 荷載統(tǒng)計(jì)與輸入

1.管道荷載管道自重標(biāo)準(zhǔn)值： 4.85kN/m; 管道內(nèi)水重標(biāo)準(zhǔn)值： 15.2kN/m。管托間距5m,托梁均布荷載為50kN/m(含管托重量)。

2.溫度荷載

經(jīng)查閱荷載規(guī)范衢州市50年重現(xiàn)期的月平均最高氣溫38℃,月平均最低氣溫-3℃。假定安裝溫度為15℃,溫度荷載作用的升降溫工況分別為±25℃。

3.風(fēng)荷載

桁架管橋下部具有車輛通行要求,引起管橋高度較高,輸水管道承受橫向風(fēng)荷載作用,并將荷載傳遞給鋼管桁架,因此在計(jì)算中橫向風(fēng)荷載作用不可忽略。采用在鋼管桁架腹桿與弦桿組成的豎向平面布置蒙皮的方式導(dǎo)算迎風(fēng)面風(fēng)荷載至桁架節(jié)點(diǎn),形成布置在桁架節(jié)點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載。

4.地震作用

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011 -2010)中5.1.1 規(guī)定應(yīng)至少在兩個(gè)主軸方向分別計(jì)算水平地震作用,8、9 度時(shí)的大跨度和長懸臂結(jié)構(gòu)應(yīng)計(jì)算豎向地震作用。衢州市抗震設(shè)防烈度為6 度,根據(jù)規(guī)范要求可不考慮豎向地震作用。為保證輸水結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性,設(shè)計(jì)中考慮水平地震作用和以反應(yīng)譜方法計(jì)算的豎向地震作用(局部模型求解法),僅考慮鋼管桁架部分的豎向地震作用。

5.檢修活荷載

在桁架下弦平面布置管道檢修和維護(hù)的活荷載,并導(dǎo)算至桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。

2.4 荷載組合工況

對桁架進(jìn)行受力分析時(shí),位移變形分析需采用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合; 內(nèi)力及應(yīng)力比分析結(jié)果需采用荷載基本組合。分析模型的荷載組合見表1。

表1 荷載組合Tab.1 Load combination

2.5 邊界條件

桁架管橋跨度60m 屬于超長結(jié)構(gòu),在溫度作用下會(huì)引起縱向伸縮,設(shè)計(jì)中對桁架縱斷面形式1 通過固定支座、滑動(dòng)支座的計(jì)算比較,表明兩端固定支座時(shí)桁架靠近支座的弦桿和斜腹桿會(huì)因?yàn)闇囟壬弋a(chǎn)生構(gòu)件的附加內(nèi)力分別為145kN、65kN,同時(shí)溫度升高引起的水平推力會(huì)導(dǎo)致桁架下部的混凝土支架承受水平力,對下部支架受力不利。因此采用管橋支座一端固定一端滑動(dòng)的設(shè)計(jì)方案,在一端支座位置釋放縱向約束,使管橋在升溫、降溫過程中能夠在支座水平面內(nèi)沿管橋縱向滑動(dòng)。

3 分析結(jié)果比較

3.1 周期和振型

桁架縱向平動(dòng)振型、橫向平動(dòng)振型、二階橫向平動(dòng)振型震動(dòng)模態(tài)見圖4 ～圖6。由表2 結(jié)果可見,針對本桁架工程設(shè)計(jì)要求,4 種形式均以橫向平動(dòng)、縱向平動(dòng)為前兩階振型,且周期較為接近,第三振型均為橫向的二階平動(dòng)振型,且周期相同?？芍? 種桁架形式對于桁架的振型特性影響不大。

圖4 縱向平動(dòng)振型Fig.4 Longitudinal translational mode

圖5 橫向平動(dòng)振型Fig.5 Transverse translational mode

圖6 二階橫向平動(dòng)振型Fig.6 Second-order transverse translational mode

表2 桁架振型周期統(tǒng)計(jì)Tab.2 Truss mode period

3.2 位移結(jié)果

在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下,4 種桁架形式豎向最大位移見表3。形式4 最大位移僅117mm,明顯小于形式1,形式3 和形式4 相差較小,單從撓度角度分析,二者需結(jié)合用鋼量和外觀要求,采用二者之一均可。

表3 桁架位移結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.3 Truss displacement result

通過在模型計(jì)算中設(shè)置滑動(dòng)支座,在溫度升降過程中,4 種桁架形式滑動(dòng)端水平位移值均為±18.0mm,幾乎無差異,因此溫度作用對4 種桁架形式影響較小。在設(shè)計(jì)中采用端支座釋放溫度引起的水平位移的支座形式,見圖7 長圓孔水平限位滑移支座俯視圖,減少桁架伸縮產(chǎn)生對下部承臺(tái)及灌注樁的水平力,確保下部支撐結(jié)構(gòu)的安全。

圖7 滑動(dòng)支座俯視圖Fig.7 Top view of sliding bearing

3.3 應(yīng)力比與用鋼量

對4 種桁架形式的桿件進(jìn)行基本組合下的應(yīng)力比計(jì)算和整體用鋼量分析,結(jié)果統(tǒng)計(jì)列于表4。

表4 桁架桿件應(yīng)力比及用鋼量統(tǒng)計(jì)Tab.4 Truss members stress ratio and steel quantity

由表4 可知,形式1 用鋼量最多,且桿件應(yīng)力比較大,桿件應(yīng)力分布不均勻; 形式2 相比形式1 用鋼量減少5.6t,上下弦桿最大應(yīng)力比與形式1 基本相同,腹桿最大應(yīng)力比明顯降低; 形式3 相比前兩種桁架形式用鋼量分別減少14.9t、9.3t,上下弦桿、腹桿最大應(yīng)力比明顯比前兩種形式降低,可見形式3 比前兩種形式更為有利。形式4 相比形式3 用鋼量減少4t,上下弦桿最大應(yīng)力比較形式3 略微降低,腹桿最大應(yīng)力比比形式3 增大,但形式4 相比形式3 桁架高度增加0.5m,桁架最高處為5m。通過對桁架所有桿件的應(yīng)力比統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析,形式3 桿件應(yīng)力比在0.6 ～0.8 范圍內(nèi)占比約為80%,形式1、形式2支座位置弦桿應(yīng)力比較大,而跨中弦桿應(yīng)力比較小,桁架桿件應(yīng)力比分布較為不均勻,桿件內(nèi)力分布差異較大。經(jīng)過對桁架的受力性能、用鋼量、美觀的角度綜合考慮,采用形式3 能夠同時(shí)在多個(gè)方面取得較為良好的效果。

4 結(jié)論

1.采用跨中上凸的V 字形縱斷面桁架能夠較大幅度地降低桁架的豎向撓度,對控制桁架豎向變形較為有效。

2.4 種桁架形式在溫度作用下的水平位移值幾乎無差異,影響較小。

3.對于大跨度、中大管徑的輸水管工程鋼管桁架管橋,合理地選擇桁架縱斷面形式能夠較大幅度地提高桁架受力性能和經(jīng)濟(jì)性。

4.采用跨中上凸的V 字形縱斷面桁架能夠使桁架弦桿和腹桿的應(yīng)力分布更均勻,在采用相同斷面弦桿或腹桿的情況下,弦桿或腹桿應(yīng)力幅值較小。

5.對于下承式輸水鋼管桁架管橋,設(shè)計(jì)中采用跨中上凸的V 字形縱斷面,使下弦桿為平直形狀,有利于輸水管道的鋪設(shè)和安裝,而跨中上凸設(shè)計(jì)使桁架弦桿內(nèi)力和桁架變形較大幅度減小,在設(shè)計(jì)中結(jié)合周邊環(huán)境和美觀要求,綜合考慮上凸的高度,使桁架獲得經(jīng)濟(jì)和美觀的平衡。