懸索管橋在輸水工程中的應(yīng)用

何明梅

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴 陽(yáng) 550002)

在我國(guó)西南地區(qū)，地勢(shì)崎嶇，山巒起伏，在長(zhǎng)距離輸水過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到山谷、河流和大沖溝等天然障礙物，當(dāng)采用地下穿越方案受到限制時(shí)，要考慮采用空中跨越結(jié)構(gòu)作為管道工程設(shè)計(jì)中的輔助結(jié)構(gòu)，一般多采用渡槽、管橋等方式進(jìn)行跨越。其中，管橋又有拱式、梁式、懸索式等，懸索式管橋是一種柔性體系結(jié)構(gòu)，與其他的橋梁結(jié)構(gòu)相比，懸索式管橋的結(jié)構(gòu)尺寸簡(jiǎn)潔輕巧、施工較為簡(jiǎn)單方便、工程投資較少，對(duì)山谷、河流和大沖溝具有良好的適應(yīng)性，避免了施工過(guò)程中水下作業(yè)的復(fù)雜性，也避免了管道在運(yùn)行過(guò)程中管橋下部結(jié)構(gòu)有可能受到的水流影響等不利條件。在我國(guó)許多山區(qū)地方，大跨度懸索橋在交通運(yùn)輸中已經(jīng)發(fā)揮了不可替代的作用，而在輸水工程中還較為少見(jiàn)。因此，本文對(duì)某跨烏江懸索管橋的設(shè)計(jì)與計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，以供其它類(lèi)似工程進(jìn)行參考。

1 工程概況

貴州某工程在自流輸水過(guò)程中，需跨越烏江，跨越段為一個(gè)V型谷地，兩岸均為陡崖，管橋跨度約200 m左右。若考慮下承拱式管橋，工程投資較大，施工較為復(fù)雜，臨時(shí)費(fèi)用較高。由于管橋主要用于輸水，橋面較窄，考慮工程投資，決定采用柔性吊橋方案。懸索管橋設(shè)計(jì)跨度210 m，橋面設(shè)計(jì)高程433.60 m，管道設(shè)計(jì)流量為0.352 m3/s。

河床高程約290.0～295.0 m，水面寬78.0～93.4 m。左岸地形坡度約66°～68°，右岸地形坡度約72°～75°，呈對(duì)稱(chēng)V型縱向谷，左岸邊坡為逆向坡，右岸邊坡為順向坡。據(jù)地表地質(zhì)調(diào)查揭露，左岸巖體強(qiáng)風(fēng)化深3.0～5.0 m，弱風(fēng)化深10～15 m；右岸巖體強(qiáng)風(fēng)化深4.0～4.4 m，弱風(fēng)化法向厚3.9～4.1 m；河床鉛直強(qiáng)風(fēng)化厚3.3～3.6 m，弱風(fēng)化鉛直厚3.5～3.8 m。管橋基礎(chǔ)置于溶蝕強(qiáng)風(fēng)化基巖上，巖層緩傾，巖體為中至厚層塊狀結(jié)構(gòu)，總體穩(wěn)定性較好，溶蝕強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r建議承載力為800～1 000 kPa。

橋梁所在地屬中亞熱帶季風(fēng)氣候地區(qū)，多年平均氣溫16℃，最高氣溫28℃，最低氣溫-4℃。管道主要是在灌溉期(3-7月份)運(yùn)行，月平均氣溫均大于零度。

2 總體設(shè)計(jì)

懸索管橋主要包括纜吊系統(tǒng)、錨錠、索塔以及橋面系統(tǒng)，下面對(duì)各部分設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2.1 纜吊系統(tǒng)

纜吊系統(tǒng)由主纜、吊索、風(fēng)纜、索鞍等幾個(gè)部分構(gòu)成。

全橋共布置2根主纜，每根主纜由5根6×36 W +IWR鍍鋅鋼絲繩構(gòu)成。單根鋼絲繩含6股，每股36根鍍鋅高強(qiáng)鋼絲。單根主纜長(zhǎng)270 m，設(shè)計(jì)矢跨比為1/20，每根主纜穿過(guò)索塔塔頂?shù)乃靼昂笙蛳洛^固在兩岸岸坡的錨碇上。主纜與橋面采用吊索連接，每根吊索直徑25 mm，采用柔性鍍鋅平行高強(qiáng)鋼絲，順橋向吊索間距2.5 m，左右各85根，吊索上端與主纜采用索夾固定，吊索下端與橫梁采用高強(qiáng)螺栓連接。

為維持橋面的穩(wěn)定，在橋面兩側(cè)各設(shè)置1根風(fēng)纜及抗風(fēng)拉索，風(fēng)纜由抗風(fēng)拉索通過(guò)設(shè)置在風(fēng)纜與橋面橫梁上的滑輪與橋面連接在一起，風(fēng)纜兩端分別錨固在修建于岸坡上的風(fēng)纜錨錠上。

索鞍由上下兩半通過(guò)高強(qiáng)度螺栓連接，主纜鞍和散索鞍都采用全鑄鋼傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且為了適應(yīng)施工期間主纜鞍相對(duì)塔頂中心線(xiàn)的頂推和主纜的微量滑移，在主纜鞍下設(shè)置座板，在散索鞍下設(shè)置盆式滑動(dòng)支座。

2.2 錨 碇

該工程兩岸地質(zhì)條件較好，在兩岸岸坡修建主纜錨碇，選擇重力式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，基礎(chǔ)外形尺寸為12 m×12 m×8 m，主纜張力通過(guò)錨碇傳給地基，并且在錨碇底面預(yù)埋A25錨桿以增強(qiáng)錨碇穩(wěn)定性。風(fēng)纜錨碇修建在主纜錨碇兩側(cè)，基礎(chǔ)外形尺寸為3 m×3 m×3 m。

2.3 索 塔

索塔采用鋼筋混凝土門(mén)式結(jié)構(gòu)，索塔承臺(tái)基礎(chǔ)厚度1.5 m，截面尺寸5.1 m×4.5 m，索塔從承臺(tái)基礎(chǔ)頂部到鞍座底部的高度為19.5 m，塔柱為實(shí)心截面，橫橋向?qū)挾葹?.2 m，順橋向?qū)挾葹?.5 m，兩根塔柱中部設(shè)置一道橫梁，橫梁截面尺寸0.4 m×0.2 m。

2.4 橋面系統(tǒng)

管橋橋面設(shè)計(jì)寬度2.5 m，橋面橫梁及縱梁采用槽鋼焊接而成，橫梁采用10#槽鋼，縱梁采用6.3#槽鋼，橫梁布置間距為2.5 m，縱梁布置于橋面兩側(cè)，均與吊索位置相對(duì)應(yīng)，梁上鋪設(shè)厚6 cm木板，木板上鋪設(shè)厚2 mm鋼板網(wǎng)，兩根DN400 mm螺旋焊管鋪設(shè)在橋面兩側(cè)，對(duì)稱(chēng)布置，每隔15 m設(shè)置波紋管伸縮節(jié)，并每隔2 m設(shè)置橡塑管托，以固定管道，防止管道兩側(cè)滾動(dòng)。橋面板鋪設(shè)硬木板，應(yīng)定期檢查，如有損壞，及時(shí)更換。管橋平面布置圖見(jiàn)圖1。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

懸索橋主要有主纜、錨碇、索塔、風(fēng)纜等，其中主纜是懸索橋的主要承重構(gòu)件，它主要承受拉力，不承受壓力和彎矩，用抗拉強(qiáng)度高的鋼纜制作，而主纜拉力又通過(guò)錨碇傳給地基，所以本文主要介紹主纜結(jié)構(gòu)計(jì)算以及主纜錨碇穩(wěn)定計(jì)算，以供類(lèi)似工程參考。

3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

懸索管橋設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要依據(jù)最新的《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D65-05-2015)、《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64-2015)、《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63-2007)等橋梁規(guī)范以及《懸索橋設(shè)計(jì)》等相關(guān)專(zhuān)業(yè)規(guī)范與專(zhuān)著來(lái)計(jì)算，以滿(mǎn)足使用要求。現(xiàn)行規(guī)范是采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，并按照分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 輸水管橋平面布置圖

3.2 設(shè)計(jì)荷載

該管橋荷載主要為纜吊體系自重、橋面自重、橋上人行荷載、橋上管道自重及水荷載，管橋設(shè)計(jì)人行荷載為3 kN/m；橋面鋪設(shè)兩根DN400 mm螺旋焊管過(guò)水，運(yùn)行過(guò)程中水滿(mǎn)管，螺旋焊管自重及水荷載為3.3 kN/m。經(jīng)計(jì)算，總荷載設(shè)計(jì)值為13.3 kN/m，單根主纜設(shè)計(jì)值為6.65 kN/m。

3.3 主纜受力計(jì)算

采用拋物線(xiàn)法計(jì)算主纜受力，在主纜受沿跨度方向的均布荷載為q時(shí)，主纜的水平拉力為：

式中：H為主纜水平力；f為主纜跨中最低點(diǎn)到橋面的豎向距離， 即矢高；q為沿主纜跨度方向的均布荷載；l為主纜跨度。

該橋主纜跨度210 m，矢跨比為1/20，f=210/20=10.5 m。由于橋梁的矢跨比較小，鋼索張力與水平力比較接近，故以索的水平力代替主纜的張力。

經(jīng)計(jì)算，H=3491.3 kN。

3.4 錨碇穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)該管橋建設(shè)的實(shí)際地形，分別在南北兩岸修建主纜錨碇，主纜錨碇采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩岸錨碇結(jié)構(gòu)尺寸相同。

錨碇受水平拉力：

式中：F為錨碇所受主纜的水平拉力；H為主纜的總張力；α為主纜與錨碇水平面的夾角；α=15°

錨碇基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定系數(shù)kc按下式計(jì)算：

式中：kc為抗滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)；∑Pi為豎向力總和，錨碇自重與主纜垂直分力矢量和；∑Hip為抗滑穩(wěn)定水平力總和，在本工程中為零；∑Hia為滑動(dòng)水平力總和，主纜水平分力；μ為基礎(chǔ)底面與地基之間的摩擦系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)資料，管橋兩岸均為灰?guī)r，抗滑系數(shù)μ取0.65。

經(jīng)計(jì)算，錨碇基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.5，大于2，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

其余結(jié)構(gòu)的計(jì)算等可參照有關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行，本文不再贅述。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)水利工程中，面臨著許多管橋的設(shè)計(jì)與施工任務(wù)，本文結(jié)合工程實(shí)例，簡(jiǎn)要闡述了懸索管橋設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)計(jì)算。結(jié)果表明，利用懸索管橋作為一種跨河輸水方案是可行的，以供同類(lèi)型工程設(shè)計(jì)參考。