熱力管道大跨度拱管設計探討

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用。拱管既是一個熱水輸送管，又是一個支撐結構，在設計過程中需要對拱管的各種受力情況進行詳細的計算。文章分析了在供熱管線中應用拱形管道的優勢、經濟性和實用性，提出了拱管和支架支墩的設計要點。

關鍵詞：熱力管道；大跨度拱管設計；矢跨比；拱形支架；人字形支架

中圖分類號：TU990 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）01-0050-03

一、概述

城鎮熱網工程在建設過程中經常遇到管道跨越道路、河流工程。管道跨越的方式有很多種，結構常采用的有拱管、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用。目前在沈陽、錦州、營口等城市已有多座熱力拱管投入使用，運行狀況均良好。拱管是鋼管彎制、焊接而成的一個圓弧形無鉸拱的大跨度結構，它利用鋼管自身的強度、鋼度支撐，拱管既是一個熱水輸送管又是一個支撐結構。所以在設計過程中需要對拱管的各種受力情況進行詳細的計算，本文主要對熱力拱管的設計計算以及拱管在熱力管道跨越工程中的應用進行探討。

二、拱管與鋼桁架比較的優勢

對于大跨度、大管徑的結構，一般宜采用拱管和鋼桁架結構 鋼桁架結構較壯觀，跨度也大。但耗用鋼材較多，且維修費用大。拱形管道是利用管子本身的強度直接支承在支架上，與鋼桁架相比，拱管結構能節省較多鋼材，特別對大跨度、大管徑結構更為合適。另外，由于是拱形結構，在兩側支架不高情況下，管底空間高度就能滿足使用要求。這樣，拱支架高度就可適當降低。在造型上，拱管型式也較活潑，給周圍環境增添美觀色彩。因此，拱型管道是一種較為經濟的結構。拱管常用等截面的無縫鋼管制作，在整體上考慮園弧形的拱型管制作更方便，一般采用園弧形無鉸拱的結構型式。為了進一步節約能源，改善城市環境狀況，特別是近幾年集中供熱管網建設也在不斷發展。因此，大跨度管網結構也越來越多，討論和研究拱形管道的設計也有它的經濟性和實用性。

三、拱管設計要點

拱管是管線跨越結構中最合理的結構體系之一，在中小型河流，溝渠跨越結構中占著極其重要的地位。拱管一般采用等截面無鉸拱，管徑較大（直徑325以上）預彎很困難，則分若干直管段焊接成折線拱，管徑較小（直徑273以下）則可以分若干段預先熱彎，然后焊接成圓弧拱。

（一）矢跨比確定

拱管設計時，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與地形情況、地質條件、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、風荷載和溫度有關，當然還應考慮河流的通航高度和寬度，在滿足通航凈空及管道應力的情況下，應考慮盡量增大矢跨比。矢跨比小，跨度越大則變形量愈大，同時荷載應力和溫度應力也較大，支座水平推力會變得很大。因此緩拱對拱支墩受力來說不利。尤其是當地基不好時，則導致較大的位移，對拱產生不利影響。與其相反，陡拱矢跨比大，其材料用量多，吊裝不方便。因此，從拱的穩定性考慮，拱過陡或過緩都不利。

根據經驗，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，矢跨比取f/L=1/8；（2）風載較大時，矢跨比取f/L=1/10；（3）溫差較大時，矢跨比取f/L=1/5。如跨距、高度受限，也可根據實際情況的特殊要求，以及建筑美觀度（長細比）來確定其矢跨比。

（二）拱管的強度及穩定

拱管各種荷載作用下的內力計算可按等截面無鉸拱的力學計算求得。在強度和穩定驗算時我們通常按垂直靜荷載、溫度、側向風荷載、內應力、全跨、辦跨荷載的內力組合來進行驗算。詳細公式見文獻1。

通常平面內穩定由拱管結構本身來保證，只要拱不過坦（f／L<1/4）是不會有問題的。一般情況下僅驗算出拱平面的穩定即可。

但是當徑跨比較小時，如：直徑159跨度35m的拱管，靠拱管本身保證平面外穩定是不行的，這時一般可采取加斜撐的辦法來滿足平面外穩定，斜撐可按拉壓桿來考慮。另外，斜撐提高整體剛度的同時，還提高了固有頻率，對消除風振的影響也有一定作用。

（三）拱管長細比

拱管長細比主要應從管道自重和管道與環境的協調性以及管道自身長短與粗細的協調性、美觀性考慮，尤其在城市橋梁附近建設的拱管，在視覺上與城市橋梁相協調，適當長細比的拱管就如一道彩虹，成為城市一道美麗的風景。由于拱管一般都比橋梁高，所以拱管在設計時應充分考慮管道所承受的風荷載，特別是在熱帶風暴較頻繁的沿海地帶，拱管的穩定性校核需特別重視。設計中根據熱力管道兩根管同行的特點，推薦采用供回水管道雙拱互為平面外支撐，增強拱管穩定性，兩管在平面外互相倚靠，中間設拉桿連接，如圖1、圖2所示：

四、拱管支架和支墩設計

管架所承受荷載，即拱腳處截面內力的反作用力，結構專業根據管架荷載進行支墩和支架設計。架空管線跨越時采用拱管支架，而直埋管線一般采用拱管支墩。

（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。我們認為：按無鉸拱拱趾反力驗算的大塊實體式混凝土拱支墩（如圖1所示）是一種安全可靠的結構體系。這種拱支墩具有很多優點：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生的位移很小，這對拱是很有利的（但為了保證小位移，施工時拱支墩后壁應盡量原槽澆筑，不得擾動后壁土，否則應用灰土分層夯實）。另外，拱支墩的預埋螺栓應進行受剪和雙向受拉驗算。

（二）拱支架的型式及其分析

拱支架是由基礎、支架和拱托，以及予埋件組成。支架的高度及支架頂的大小及予埋件一般根據工藝要求確定。土建的設計任務是根據工藝設計提出的要求來確定結構型式，梁柱有關尺寸及予埋件尺寸，進行支架結構的設計。

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構。考慮到支架是露天結構，為了減少維修工作量，一般采用鋼筋混凝土結構。此外，也可采用鋼結構，但工程造價較高。

對拱管直徑及跨距均較大的鋼筋混凝土拱支架結構，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，另設橫梁來支承拱支座，此橫梁受荷載往往較大，當采用鋼筋混凝截土梁截面尺寸太大時，也有采用鋼橫梁。為此，這種結構橫梁較多，傳力途徑比較長而且復雜，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，這樣對本來受力較大的支架更為不利。

為了解決上述結構的不足之處，推薦采用人字型空間拱支架結構，如圖3。這種結構采用二根人字型支架，再用連梁相聯接，形成空間結構。這種結構最大特點是橫梁較少，傳力途徑短，作用荷載直接。根據力學分析，在受水平力大的一側沿管軸向，構件變形極小，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省。此種型式使拱托支架高度較低，拱管也很容易下彎，不會與支架相碰。

（三）支架基礎

拱支架基礎一般均用鋼筋混凝土基礎，根據荷載的大小及地質情況可采用樁基、板式基礎及獨立基礎。由于拱支架水平力及彎矩均較大，基礎頂面除有壓力、剪力外，還有較大彎矩。因此，設計時還應考慮基礎的偏拉力。設計方法按一般基礎處理。

（四）拱趾的設計與構造

拱趾的作用就是將無鉸拱的內力傳給拱支墩和支架。因此，拱趾的設計與構造對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。因此，拱趾在構造上不但要滿足吊裝等施工工藝要求，而且對焊縫應詳細驗算并適當增加其安全度。

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，并進行強度驗算。拱托與支架的聯接，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、剪等復雜應力，按要求進行強度計算。

五、拱管施工要求

拱管在施工過程中應該嚴格按設計圖進行施工，主要應注意以下幾點：

1．拱管管材：管徑小于等于DN400應優先選用輸送流體用無縫鋼管（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。管道無損探傷采用X射線拍片探傷，焊口須100%探傷，焊縫內、外部質量應符合GB50236-98中Ⅱ級焊縫質量標準，拱管拱頂8～10m處不能有焊口。

3．拱管嚴格按圖制作，拱管樣板模具要做準確，管弧要光滑，拱管制作安裝質量，要求達到拱頂至拱趾均在一個平面上，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。拱管對接焊縫與支座焊縫間距不小于50mm。

4．為確保拱管的安裝質量，拱管在吊裝前后均需進行試壓，拱管吊裝前應按CJJ33-89的要求進行吹掃和強度、氣密性試驗，拱管安裝完畢后與埋地連接段一起對整段管道進行吹掃和強度、氣密性試驗，試驗介質均采用壓縮空氣。

5．起吊設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、結論

集中供熱是我國能源政策中節能的一項戰略措施，近年來隨著集中供熱管網建設的不斷發展，討論拱形管道在供熱管線中的使用有它的經濟性和實用性，在跨越寬的河流時可以采用連續幾個拱形管道的形式，像一座多拱橋一樣，既不影響通航，又能節省投資和加快建設速度。在造型上，拱形管道形式也較活潑，對周圍環境也能增加些色彩，因此，拱形管道是一種較為經濟、實用的結構形式。如熱力管道無法采用隨橋敷設，且跨距在30～90m之間，推薦優先采用拱管跨越方式。

（責任編輯：陳 倩）