某污水干管的抗震設計分析

韓 軍 馬 悅 龍 熙

（重慶市設計院，重慶 400039）

1 概述

1.1 工程背景

某工程位于巴南區木洞鎮行政轄區內，工程范圍內的用地性質主要為生態景觀控制區。該區域部分入駐企業將集中開工建設，但無污水主管道連接污水處理廠，存在較嚴重的環保隱患。為保證污水的有效收集和達標排放，需要新建區域污水干管。平面布置圖如圖1所示。

1.2 巖土勘察概述

圖1 污水干管平面布置圖

根據場地工程地質勘察成果，沿線場地范圍內主要由素填土、粉質黏土、下伏基巖組成，素填土剪切波速取平均值120.0 m/s，屬軟弱土，粉質黏土剪切波速取平均值160.0 m/s，屬中軟土，強風化基巖剪切波速為500～800 m/s，屬軟質巖石，中風化基巖剪切波速＞800 m/s，屬巖石。場地中風化巖層為泥巖及砂巖，場地最大覆蓋層厚度為8.1 m，經判別，場地類別為Ⅱ類場地。本地區抗震設防烈度為6度，不考慮液化的影響。經測定，場地中等風化帶泥巖天然單軸抗壓強度值4.44 MPa，飽和單軸抗壓強度值2.68 MPa，場地中等風化帶砂巖天然單軸抗壓強度值17.60 MPa，飽和單軸抗壓強度值12.02 MPa，兩種巖石軟化系數平均值均小于0.75，屬遇水易軟化巖石。

2 排污干管抗震設計

相關研究表明，市政管網在地震時破壞會對震災控制和災后重建工作帶來嚴重的影響，埋地和架空管道的抗震性能也得到了更多重視[1-3]。重慶作為山地城市，市政管網存在穿越多種地貌及具有多種形式的特點，所以更加應該重視抗震設計的要求[4]。應建設主管部門和相關文件要求，對本工程排污干管及相關設施在初步設計階段應進行地震作用計算并明確抗震措施。

2.1 埋地段箱涵方案

為在架空段轉換為鋼管，埋地段需設置“可視化”鋼管方案，通過轉接井將箱涵段和鋼管段相連接。“可視化”鋼管埋地段設置矩形斷面管溝，污水管道敷設于管溝內，局部橫跨沖溝等低洼地形時采用架空段鋼管形式。管道規格為DN1 000，管道壁厚δ10 mm，公稱外徑1 020 mm，圓形斷面。排污干管的長度約為4.32 km，除部分管段縱坡較陡外，其余管段最小縱坡為i=0.003，最大縱坡為i=0.05。埋地管溝中的排污干管采用玻璃鋼夾砂管及球磨鑄鐵管，埋地管溝段間隔18 m設置沉降縫，管溝采用C30鋼筋混凝土澆筑，上設預制鋼筋混凝土蓋板，管溝壁厚300 mm，最大埋深小于3 m。管溝中設置C20素混凝土180°基礎，管徑d600基礎跨度≤3 m，管徑d1 000基礎跨度≤2 m。

架空鋼管跨徑不大于15 m，架空鋼管兩端設置檢查井與新建管溝連接，其中上游段檢查井設置事故排放井，便于管道檢修。架空段的排污干管采用Q235B焊接鋼管架空敷設。架空鋼管的墩樁等下部結構具體根據地質勘查和現狀地面確定，分別采用不同直徑的墩與樁、淺基礎。對于架空高度較高的管道，采用1.5 m的柱與1.8m的樁的組合，柱平均長度15 m，樁平均長度15 m，樁基進入土層深度不小于5.4 m。當采用1.0 m的柱與1.2 m的樁的組合，柱平均長度10 m，樁平均長度15 m，樁基進入土層深度不小于3.6 m。當埋深很淺時，采用淺基礎。上部結構為滑動支座，為防止管道從支墩脫落，設置了工字鋼I20a和角鋼L100×8組合形成的鋼架，將管道放置在鋼架中，鋼架錨固進入支墩蓋梁中。

利用計算軟件對埋地段“可視化”鋼管的管溝進行抗震驗算，管溝上設預制蓋板，蓋板上部無覆土或車輛荷載。將主動土壓力帶入并考慮裂縫控制，進行配筋驗算。驗算結果表明，當采用12@150的鋼筋配筋時，管溝的頂板、側墻和底板均能滿足地震作用下的承載力要求，裂縫滿足結構正常使用狀態的要求。

2.2 架空段抗震計算

采用計算軟件YJK對架空管橋段進行抗震計算。計算過程采用的主要參數：風荷載0.4 kN/m2、設防烈度6度、0.05 g，場地類別Ⅱ類，特征周期0.35，抗震等級三級。計算過程中，考慮結構抗震性能目標為D級，在多遇地震、設防地震和罕遇地震作用下的性能水準分別為1、4、5，自動進行包絡計算。以架空段最高墩長25 m的1號架空管橋為計算對象，根據墩長建立相應的架空管橋模型。其中，架空鋼管為外徑1 020 mm，壁厚10 mm的鋼管，考慮充滿液體的附加活載為8 kN/m，考慮涂層、構件等的附加恒載為6.5 kN/m。經過計算，污水干管的設計結果能夠滿足承載力要求。

2.3 鋼管抗震驗算

取1號架空管橋中跨徑15 m的一處分段，將鋼管分為相互連接的節段，讀取相應的地震內力。經過驗算，上述內力結果大于《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范》 （GB 50032—2003） 第10.2.6條所得結果，且鋼管不會因為地震作用而被破壞。將上述最大內力結果帶入計算軟件理正并考慮溫度作用進行復核，所得到的計算結論為γ0σ=82.493 N/mm2≤f、γ0σ=82.493 N/mm2≤0.9 f。計算結果表明，架空鋼管段抗震能夠滿足相關規范的要求。

2.4 支座和鋼架抗震計算

參考《自承式平直形架空鋼管》圖集05S506-1，在架空鋼管縱向上采用輥軸滑動支座[5]。根據《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范》 （GB 50032—2003） 第10.2.3條，10.2.4條，對架空鋼管的橫向限位鋼架進行抗震驗算。限位鋼架豎向為四根I20a工字鋼，分別設置在鋼管兩側，橫向為兩根L100×8角鋼。建立鋼架模型，計算可得一個鋼架剛度 KC=2.654×106N/m，T1=0.386 s，Tg=0.35 s，α1=0.037，Fhe，k=7 179 N。當存在水平地震作用時，管道的水平力由兩個工字鋼分擔。每個工字鋼承受Fhe，k=3 590 N，因管道為圓形，故假設作用點位于工字鋼中點。添加一處節點荷載并進行計算，鋼架應力滿足承載力要求。

2.5 抗震設防措施

為控制震害，對管網應根據其運行功能，分區分段設置閥門和閥門井。本工程在埋地段管道轉彎處均設置檢查井，兩座污水檢查井之間低點處設置集水坑，并在前端設置閘門；平時閘門常開，將進入管溝的雨水就近排出，當出現管道破損污水泄漏時，將閘門關閉，在管道維修更換期間采用移動式潛污泵將泄漏污水就近提升排入主污水管道。為保證管道內污水流動暢通，污水管道密閉 （增設壓力井蓋） 段每隔一定距離 （200 m左右） 設置通氣管。為方便管道維護，架空段每隔一定距離 （根據管徑大小不同約30～60 m不等），設置等徑法蘭三通作為檢修孔。

為控制震害，管道應具有柔性構造的特征。本次設計中，當鋼管位于管溝內時，鋼管接口為承插連接接口，接口內采用柔性連接構造，接口間距為6 m，管溝間隔18 m設置一處變形縫，變形縫以瀝青麻絮填塞。

當鋼管設置在墩柱上時，墩頂均設置滑動支座，保證管道在縱向上能夠產生一定的位移，避免壓縮或拉伸破壞。在側向上設置了限位鋼架，防止鋼管滑脫。

同時，為防止污水干管及相關工程，特別是鋼結構在長期使用過程中產生銹蝕，在地震作用時突然破裂，需要對污水干管系統的防腐措施提出專門要求。因本次設計管道收集的污水中包含醫藥、化工廢水等可能具有腐蝕性的污水，所以管道內壁應進行加強防腐。在采用防腐措施前，應對鋼結構表面進行噴砂除銹處理，除銹質量等級要求達到（GB 50205—2001） 中的Sa2級標準。

其他構造措施

在運行中過程中，管道可能由于積存氣體而產生顫動，而當有地震發生時，這種顫動可能加劇。為防止對管道產生破壞，應在管道適當位置設置自動排氣閥。

管道制作時的誤差可能造成管道在焊接時的應力集中，進而對管道的抗震性能產生影響。為了減輕該種工程病害，應控制管道對接時的中心偏差，鋼管對接時應使內壁齊平。

焊縫是對管道抗震性能存在重要影響的因素之一。除了應滿足相關規范要求外，為防止橫向和縱向焊縫處出現應力集中現象，橫向焊縫位置和支座之間應有足夠的距離，且管道拼接時應將相鄰管節的焊縫位置交錯設置，不能出現十字形狀的交叉焊縫。

3 結語

（1） 架空管道的設計方案應綜合考慮造價及工期因素，選取適宜的工程方案。

（2） 排污干管的抗震驗算應兼顧主體結構和相關構件，防止管道滑落等工程事故。

（3） 排污干管的抗震構造措施除了應滿足相關規范要求外，尚應注意控制制作和焊接時的工程病害。