管線橋結構中支座與轉角支墩的設計

金珍曉 張國鋒

摘 要：本文以“黃路港管線橋”工程為例，依據相應的規范來闡述管線橋設計中支座與轉角支墩的設計要點，主要由以下三點：1）上部結構建模計算時，需要將兩側的斜直段鋼管作為整體結構的一部分進行分析計算；2）支座的寬度會影響鋼管管壁的組合應力，管壁截面上不同的位置其組合應力情況不同，需要分別計算進行比較；3）設計轉角支墩時，規范圖集中工況考慮不周全，需要對水平和豎直抵抗力分別進行驗算，若抵抗力不滿足要求，則根據實際情況采取相應的措施。

關鍵詞：管線橋；支座；轉角支墩；應力

前言

隨著社會的進步，生活水平日益提高，城市供水需求大幅度提升，自來水供水管網在現代城市生活中扮演著越來越重要的角色。當供水管道的設計路線遭遇河道時，時常因附近地形或周邊橋梁的結構限制，無法從附近橋上通過，需要新建管橋以供管道過河。管線橋是供水管網中重要的組成部分，其結構形式較為簡單，在管線過河的設計中應用廣泛。

管線橋結構中，管道支座以及轉角支墩作為重要的組成部分，負責將上部荷載傳遞至地基或基礎上。管道支座寬度的選取影響上部鋼管支座處的截面組合應力，當寬度過小時，會到導致應力過大而使管道發生破壞。轉角支墩設置在管道入地的彎管接頭處，該處的受力組成部分為內水壓力引起的豎直與水平方向上的分力。豎直分力由地基承受，當地基承載力不足時，需要打樁或者進行地基處理；水平分力由支墩的水平抗推力抵消，支墩的水平抗推力由地面摩擦力與土壓力組成，當支墩水平抗推力不足時，需要保證管道直埋段的長度，確保不會發生位移。

本文以“原南匯區域老舊供水管網改造工程”中的黃路港管線橋為例，探討管線橋結構中管道支座與轉角支墩的設計。

1 工程概況

黃路港管線橋位于上海市浦東新區G1501公路沿線，其跨徑為17+20+17=54m，管線橋正交布置，試水水壓力為Fwdk=1.1N/mm2。上部結構采用DN1200鋼管，鋼材型號為Q235B，計算外半徑R=610mm，支座處計算壁厚t=16mm，結構形式為連續梁結構；下部結構采用排架式樁墩，樁基為?600鉆孔灌注樁；管線橋兩側彎頭角度為45°，入地轉角處采用鋼筋混凝土支墩支撐。

2上部結構建模計算

本工程中管線橋為三跨布置，建模計算時需要將兩側斜直段一起考慮進去（見下圖），因為斜直段上的荷載一部分作用在邊墩及其上面的支座上，如不考慮這部分荷載，則邊墩以及支座上的受力偏小。

利用Midas建模計算，支座處計算結果如下：

M支座=756kNm，V左=V右=235kN

3支座寬度的選取

管線橋上部鋼管的支座（管托）主要依據《CECS 214-2006自承式給水鋼管跨越結構設計規程》進行設計。本工程采用的支座為鞍式鋼管托，其支承半角θ為90°，寬度B為800mm。

在外部荷載的作用下，支座寬度會對鋼管截面的組合應力σ產生影響，其計算公式如下：

式中：σθ為截面環向拉應力，σx為截面軸向拉（壓）應力，τ為截面剪應力。

1）截面環向拉應力σθ

截面環向拉應力由支座處環向拉應力σMθ以及內水壓力引起的環向拉應力σFWθ組成。

1、支座處環向拉應力σMθ

對于鞍式支座，環向彎矩的作用范圍L為支座寬度B以及兩側 之間，需要分別計算A、B、C三處（見下圖）截面環向拉應力，取最大值。由于本次工程采用的支座支承半角為90°，B、C兩點重合，故只需考慮其中一處。

κ為環向彎矩系數，取值于《自承式給水鋼管跨越結構設計規范》（CECS214：2006）表6.1.3.1。

管壁截面環向抵抗矩為

2、內水壓力引起的環向拉應力σFWθ

2）截面軸向應力σx

截面軸向應力由外部荷載引起的彎曲應力、由溫差引起的溫度應力以及鋼管與支座之間的摩擦力組成。

1、外部荷載引起的彎曲應力

2、由溫差引起的溫度應力

鋼管受到溫差作用ΔT由工藝提供，此處取值25℃。

3、鋼管與支座之間的摩擦應力

鋼管與支座之間摩擦系數μ由工藝提供，此處取值為0.5。

如圖2-1所示，對于鞍式支座，管道截面A點不與底部管托接觸，無摩擦應力，B、C點位于截面中線上，無彎矩引起應力，因此截面軸向應力如下：

3）截面剪應力τ

鋼管在外部荷載的作用下，支座處產生的管壁剪應力為：

根據上述應力計算的結果，支座處截面A、C兩點（見圖2-1）可能的組合應力σ共有8中情況，分別計算，取其最大值，得出

本次供水管采用的鋼材為Q235B，結構重要性系數 ，故

綜上所述，本管線橋采用800mm寬度的鞍式支座滿足供水鋼管的強度要求。若供水鋼管強度不夠，除了加大支座寬度以外，亦可對支座處的鋼管進行局部加厚，范圍為支座兩側較大跨徑的10%。

4轉角支墩的設計

供水鋼管的內水壓力會在彎頭處的管道截面上產生外推力，若彎頭接口的強度不足，會使鋼管發生脫開現象，導致漏水，因此需要在鋼管彎頭出設置轉角支墩，避免上事故的產生。支墩上的作用力主要為管道截面上的外推力引起的水平與豎直方向上的分力，水平方向的分力主要由土壓力以及支墩與地面的摩擦力抵消，豎直方向上的分力則由地基承擔。

轉角支墩主要根據《10S505柔性接口給水管道支墩圖集》進行尺寸設計以及驗算。本工程中，支墩尺寸為：

墩頂埋深h1為2.2m，墩底埋深h2為4.2m，投影長度La=4.42m，體積V=32.82m3，所在土層的土壤內部摩擦角為20°

本工程中，供水管道的工作試水壓力Fwdk=1.1N/mm2，產生的管道外截面外推力為

彎頭的角度ψ為45°，產生的水平分力與豎直分力為。

1）水平方向抵抗力驗算

轉角支墩水平抵抗力由被動土壓力與摩擦力組成。被動土壓力的大小為

由于供水管道在進行壓力測試時，轉角支墩的上部覆土會被挖開，因此計算摩擦力時，不考慮支墩上部覆土的重量。

綜上所述，本工程中，支墩的水平抵抗力為

T1+T2=1459.20kN>1.5·H=357.13kN

支墩水平抗推能力滿足要求。若支墩的水平抗推能力不滿足要求，根據《CECS141：2002 給水排水工程埋地鋼管管道結構設計規程》，需要在支墩后方保證一定長度的鋼管直埋段，利用鋼管與土壤之間的摩擦力增加水平抗推能力，鋼管直埋段的L的計算公式如下：

其中，Ffk為管道單位長度摩擦力標準值，Ks為抗滑穩定性系數（Ks=1.5）， 為鋼管與土壤之間的摩擦系數，一般取值為0.25～0.4。

2）地基承載力驗算

轉角支墩所在位置上的豎直方向上的力由外推力豎直方向上的分力、覆土重、鋼管（含水）自重以及支墩自重組成。

本工程中，修正后的地基承載力109.60kN/m2，地基反力大于地基承載力，不滿足要求，因此在支墩下方打入4根16m長直徑為600mm的轉孔灌注樁（見下圖）以防止支墩位置產生過大的沉降。

5總結

管線橋結構設計中，支座（管托）的寬度主要取決于上部結構中傳遞下來的荷載，當上部荷載較大時，應適當加寬支座的寬度以及增加鋼管的壁厚，以免使管壁上組合應力過大發生破壞。轉角支墩的尺寸則受內水壓力、彎頭角度、土壤性質等因素影響，除加大支墩尺寸外，增加支墩后面直埋段長度以及對地基進行處理可以提高支墩的水與豎直方向的抵抗能力。通過以上措施可以提高管線橋結構的安全性。

參考文獻

[1] 《柔性接口給水管道支墩》 （10S505），中國建筑標準設計研究院。

[2] 《自承式給水鋼管跨越結構設計規程》（CECS 214-2006），上海市政工程設計研究院。

[2] 《給水排水工程埋地鋼管管道結構設計規程》（CECS141-2002），北京市政工程設計研究總院。