油氣管道桁架式跨越設計探討

黃 寒 李婷婷

油氣管道桁架式跨越設計探討

黃 寒 李婷婷

針對油氣工程中桁架式跨越的特點,分別介紹了桁架設計中桁架桿件、截面形式和高跨比的初選方法和經驗數據及桁架跨越橋墩的設計要點,對相關設計人員具有一定指導意義。

油氣管道,桁架式跨越,截面形式,高跨比

1 概述

桁架式跨越在石油天然氣長輸管道、天然氣處理廠、石油煉化廠等工程中有著廣泛的應用,例如：西氣東輸中衛黃河跨越、南干線西段鎮西河跨越等。根據石油天然氣行業的特點和多年桁架設計的經驗,桁架的弦桿、腹桿一般采用鋼管,兩榀簡單桁架通過上、下弦水平桿件組成空間桁架,管道及檢修通道安裝在水平桿件上,這種結構形式剛度大、抗腐蝕性強、節點連接簡單、施工安裝方便。下面就探討一下桁架結構設計的幾個問題。

2 桁架式跨越的形式

1)根據管道、檢修通道等橋面系設置位置的不同,可分為上承式、下承式。

上承式：橋面系設置在橋跨支承結構上面的橋梁,稱為上承式(見圖 1)。其優點是橋面系位于桁架頂面,管道、檢修通道的布置不受桁架桿件影響(特別是桁架斜撐),施工方便。缺點是桁架高度對橋下凈空尺寸的影響較大。下承式：橋面系設置在橋跨支承結構下面的橋梁,稱為下承式(見圖 2)。其優點是管道、檢修通道從桁架內部穿過,橋下凈空較上承式更大。缺點是斜撐桿件對管道及檢修通道的布置有一定影響。

選擇上承式和下承式首先應考慮橋面系的布置,即管道、檢修通道、通訊電纜等的布置,一般情況下首先采用下承式;其次應考慮車輛通行、船舶通航、洪水等因素對橋下凈空尺寸的要求,以滿足通航通行相關國家規范、工程所在地有關規定。

2)根據桁架豎桿及腹桿的布置不同,可分為“斜腹桿對稱式”“斜腹桿交錯式”“全斜腹桿式”(見圖 3)。

一般情況下腹桿僅作為桁架受力桿件,采取何種布置方式并無具體要求,但考慮到立面簡潔、節點連接簡單等因素,應優先采用全斜腹桿式。同時,在考慮桁架節間長度時,應保證斜腹桿與上、下主弦桿夾角在 40°～60°范圍內。

3 鋼管和型鋼的選擇

桁架桿件可采用組合焊接型鋼或者鋼管,但從節點連接、防腐及施工難易度等方面考慮,采用組合焊接型鋼桿件,需要先將工字鋼、槽鋼、角鋼、綴板等按計算要求組焊成受力桿件[1],而且節點處一般都需要增加節點板,在施工上較為麻煩,而鋼管桁架節點連接較為簡單,通?？梢凿摴軐︿摴苤苯雍附印Ｆ浯?以80m跨度為例,在相同的荷載條件下計算得出,矩形鋼管桁架的用鋼量約為 50 t,矩形組合焊接型鋼桁架用鋼量約 72 t。

由此可見,從用鋼量、施工難易度、防腐等方面考慮,選用鋼管作為主要受力構件較為合理。

4 桁架跨越主要尺寸設計

4.1 桁架橫截面設計

在桁架橫截面設計中,一般采用三角形斷面、矩形斷面、梯形斷面。三種斷面形式各有優劣,而矩形斷面和梯形斷面近似,因此僅就三角形斷面和矩形斷面做一個比較。

三角形斷面受力桿件較矩形斷面少,但其截面高度較矩形截面高,而且三角形斷面桁架通常都是上承式,因此對橋下凈空的影響更大。以 80m跨度為例,上承式三角形斷面比上承式矩形斷面的橋下凈空尺寸高約1m,比下承式矩形斷面高約 6m;三角形桁架比矩形桁架用鋼量多約12 t[2,3]。

由此可見應優先選擇矩形截面。

4.2 桁架高跨比及寬度選擇

桁架高跨比的取值是桁架快速設計的重要一步,對目前我國油氣管道建設中通常用到的L=60m,80m,100m三種跨度,在相同荷載條件下,根據我院多年桁架的數據,對矩形截面的桁架按高跨比(H/L)在 1/8～1/15的區間進行了對比,經計算、統計、優化,建議桁架的高跨比取 H/L≈1/15,寬高比取 B/H≈0.7。

4.3 主要桿件尺寸

根據《鋼結構設計規范》中規定的桁架桿件長細比規定為[4]：

受壓構件：λ≤150;當桁架跨度 L≥60m時,受壓弦桿和端壓桿取 λ=100,其他腹桿 λ≤150(靜荷載或間接承受動荷載)和 λ≤120(直接承受動荷載);受拉構件：λ≤250;當桁架跨度 L≥60 m時,受拉弦桿和腹桿取λ≤300(靜荷載或間接承受動荷載)和λ≤250(直接承受動荷載)。

經計算、統計、優化,建議桁架的弦桿和腹桿鋼管尺寸見表 1。

表1 主要桿件尺寸

5 桁架跨越橋墩設計

管道跨越工程大都屬于控制性工程,在保證上部桁架結構安全、經濟、合理的前提下,桁架橋墩的設計也相當重要,在滿足美觀的同時,應充分考慮樁、承臺等的受力,特別是流水沖擊、船舶或漂浮物撞擊等因素對橋墩的作用力[5]。

桁架橋墩一般采用低樁承臺、高樁承臺兩種形式,樁徑D取1.2m～1.8m,樁端一般嵌入中風化持力層 2D～5D。通常樁外露凈高(持力層頂面至樁頂)小于 20m時采用高樁承臺,其優點是：

1)部分樁身露在地面以上,可以節約橋墩的圬工數量;

2)減少水下作業,施工較為方便。但是當樁外露凈高大于20m時,在水平力作用下,樁的外露段由于沒有土的彈性抗力與它共同作用,故樁身內力和位移都將大于在同樣水平外力作用下的低樁承臺,在穩定性方面也沒有低樁承臺的好,因此采用低樁承臺較為合理。

此外,支承桁架支座的承臺,在設計時首先應根據跨越位置的建設條件,特別是結合施工水位、常年水位、枯水位及洪水位確定合理的標高,一般情況下以施工水位以下 2 m作為承臺底面標高較為合適。結構尺寸以滿足承臺構造、管道支座安裝的要求為準。

6 結語

根據桁架設計積累的經驗數據,結合對比計算,為確定桁架立面形式、幾何尺寸、桿件截面等提供快速、準確的方法。設計人員可根據實際工程情況進行驗算、修改,提高設計效率。

[1]夏 軍.80m跨徑下承式簡支焊接鋼桁架橋的設計與施工[J].鋼結構,2002(11)：22-24.

[2]中國石油工程設計西南分公司.西氣東輸管道工程特大型河流穿跨越中衛黃河跨越施工圖設計文件[Z].2002.

[3]中國石油工程設計西南分公司.南干線西段(納溪—成都)復線工程鎮溪河跨越施工圖設計文件[Z].2007.

[4]GB 50017-2003,鋼結構設計規范[S].

[5]GB 50459-2009,油氣輸送管道跨越工程設計規范[S].

Inquiry on the truss-type span design of oiland gas pipeline

HUANG Han LITing-ting

In light of characteristics of truss-type span in oil and gas engineering,it respectively introduces the p relim inary electionmethods and experienced data of truss bar components,section profiles,and depth-span ration,and expounds the design points of the truss pier,which has certain guiding significance for relevant designers.

oil and gas pipeline,truss-type span,section profiles,depth-span ratio

U 175.5

A

1009-6825(2011)09-0052-02

2010-12-14

黃 寒(1981-),男,工程師,中國石油工程設計西南分公司,四川 成都 610017

李婷婷(1983-),女,工程師,中國石油工程設計西南分公司,四川 成都 610017