供熱工程中架空管道敷設的設計及施工要點

武 斌

(太原市熱力集團有限責任公司，山西 太原 030000)

冬季的霧霾問題已經成為我國城市發展的一個重大難題，尤其是我國北方城市開始供暖后，霧霾問題更是有增無減。熱電聯產、長距離大管徑傳輸和集中供熱逐漸成為解決我國北方城市冬季供暖問題的方法。我國北方地區多處于山地丘陵地貌，平原較少。在長距離大管徑供熱工程中往往受到自然地理環境的影響，不得不面對山川、河流、高速公路和鐵路等客觀條件的限制。在綜合考慮施工環境、施工成本和環境評價的基礎上，供熱工程也逐漸開始選擇遇水架橋，見山開路的方式進行設計施工。在供熱管線的敷設中以架空敷設為主，架空管線給設計和施工工作都帶來了難度，隨之對設計和施工水平也提出了更高的要求[1-2]。本文以太古供熱工程架空管線為例，對架空供熱管線的設計和施工要點進行探討。

1 工程概況

太古供熱工程為將古交市興能電廠的乏汽余熱進行回收處理通過供熱管道傳輸至太原市，經過熱泵機組的換熱，將熱量傳遞至太原市區的一項供熱工程。該供熱工程全長37.8 km，由直埋敷設段19.2 km和架空敷設段18.6 km組成。其中，架空段分為兩部分，鋼桁架架空段全長2.4 km，隧道架空段全長15.2 km。 全線包括兩個系統，由2供2回4根DN1 400的供熱管道組成。

2 鋼桁架架空段基本情況

鋼桁架是太古供熱工程最具代表性的單位工程，由于鋼桁架段地處汾河河谷地貌，地形復雜；而且現場實地受到鐵路和高速公路的限制。在選擇施工方案時，相比較在河底直埋敷設供熱管道，施工難度較大且施工成本難以得到控制；且需要四次跨越汾河，一次架空穿越高速，常規混凝土箱型橋梁現場預制沒有場地，工廠預制不具備運輸條件，而現場滿樘腳手架則難以實施。綜合考慮地形地貌、施工難度和施工成本，最終經過多次研究討論決定采用修建鋼桁架橋，在橋梁上架空敷設供熱管線[3-4]。鋼桁架橋既可以在空中進行拼裝，也可以在地面上拼裝一跨后整體吊裝，這樣既滿足了施工的可行性及便捷性，又便于日后維修保養。

3 鋼桁架架空段設計要點

3.1 鋼桁架布置形式

鋼桁架橋全長1.4 km，橋寬12 m，高5.8 m。鋼桁架橋由樁基、橋墩、混凝土蓋梁、鋼結構梁和上下腹桿組成。鋼桁架橋設計每跨長度分為19 m，20 m，23 m，25 m，30 m和55 m 6種，一般每跨長度采用25 m。鋼桁架橋的高度以水利部門提供的最大洪水位為依據，保證在最大洪水位下不淹沒橋面，且根據河谷最大沖刷深度進行樁基礎的設計，保證在河水的沖擊作用下達到設計使用壽命。最終，鋼桁架橋的高度以保證混凝土蓋梁下沿高出河槽底部的高度為標準，一般高度為8 m～12 m，個別高度達到16 m。布置形式見圖1。

3.2 補償器的選擇與布置形式

供熱管線在工作期間要經歷升溫升壓和降溫降壓的過程，在升溫升壓期間，管道會產生較大的一次應力和二次應力，兩種應力經過疊加后傳遞給固定支架。由于鋼桁架橋的特殊形式，沒有足夠的空間來設立體積較大的固定支架來承擔供熱管線在高溫高壓的工作條件下產生的軸向應力。在選擇補償器時，應以盡可能減小軸向應力為前提，同時考慮減小鋼桁架梁、混凝土蓋梁和橋墩所承受的荷載，從而考慮選擇在供熱管道運行期間不會產生盲板力的方形補償器和內外壓平衡式波紋管補償器。

對比兩種補償器，方形補償器在安裝時需在供熱管道中設置 90°彎頭，過多的90°彎頭會大面積增加管道的局部阻力；同時方形補償器整體尺寸較大，中間的水平臂上需設置支撐以保證供熱管網的安全穩定運行且不利于在鋼桁架橋梁上安裝，因此鋼桁架上供熱管道選擇布置內外壓平衡式波紋管補償器。此外，在供熱管道運行期間為盡可能地減小鋼桁架橋上固定支架的受力，采用內外壓平衡式波紋管補償器對稱布置的形式，即在一個固定支架的兩側分別對稱布置一個內外壓平衡式波紋管補償器，具體布置形式見圖2。

3.3 鋼桁架驗算

供暖期間，管道內介質溫度較高，由于管道內外溫差的作用，使得管道發生熱脹冷縮的變形，管道安裝在支架上，產生對支架的推力；同時由于外界溫度的變化，鋼桁架自身也將發生一定量的形變。為了保證鋼桁架的安全穩定，設計時將安裝在混凝土橋墩上的鋼桁架作為自由端，將連接的山體作為固定端，以承受鋼結構支架變形產生的推力。因此，鋼桁架的驗算變得尤為重要。

根據《鋼結構設計規范》的規定，該工程采用 PKPM 計算軟件對鋼桁架進行計算分析。計算過程中，將鋼桁架中所有構件的節點均視為鉸接節點，根據不同荷載的組合分布形式進行計算。根據計算結果，對鋼桁架中受彎構件的強度與穩定性、立柱的撓度、強度和穩定性進行驗算，同時對焊縫連接進行驗算。

對于鋼桁架的變形，根據計算公式分別計算出管道內外溫差產生推力引起的桁架變形量和外界溫化發生的變形量[5]。同時，利用MIDAS數值模擬軟件建立模型，計算得出鋼桁架的變形量。將兩者結果進行比較，從而對鋼桁架進行驗算和優化設計。

4 鋼桁架架空段施工要點

4.1 鋼桁架橋梁的吊裝

鋼桁架橋橋高一般為8 m～12 m且桁架間設計4 m寬的檢修車道，且施工場地主要在汾河河道內，施工場地狹小，不能全面進行拼裝和吊裝。根據施工現場實際情況，采用連續鋼桁架多跨、多工作面同時組拼，分段吊裝，空中對接安裝的施工方法。首先，根據鋼桁架整體結構劃分組裝段和吊裝段；其次，根據吊裝順序，在橋的一側對鋼桁架橋的側弦進行臥拼；再次，對臥拼完成后的側弦進行平轉立和剩余桿件的豎拼；最后，用吊車進行整體吊裝。

側弦臥拼：選擇合適的施工場地，用H250 mm×250 mm×8 mm×12 mm H型鋼搭設臺架，高低差確保在5 mm以內；在搭設好的臺架上進行側弦的拼裝。

側弦平轉立：臥拼完成后，利用大型吊車將兩側臥弦進行平轉立。平轉立過程中要準確定位側弦平、立面的位置。平面上根據測量定出準確安放位置，并做好標線。吊裝臥拼至合適位置后進行下弦和上弦腹梁的安裝。

4.2 供熱管道的安裝

鋼桁架橋上供熱管道分為兩類：一類是帶支座(滑動支座、導向支座)的供熱管道；另一類是不帶支座的供熱管道。帶支座的供熱管道均安裝在每個門架的內部，不帶支座的供熱管道安裝在兩個門架之間。鋼桁架橋每一跨的長度不是固定的，但每一根供熱管道的長度是固定的12.5 m，同時管道中還需安裝補償器，這樣往往需要通過增加短節來保證管道和補償器的精準安裝。結合現場施工具體情況，為保證施工質量和施工工期，將每一根軸、每一個門架、每一根供熱管道和每一個補償器等設施設備在電腦上進行模擬安裝。電腦模擬結果確認無誤后，對所有的供熱管道進行編號，尤其對帶支座的供熱管道的安裝位置、安裝尺寸進行進一步的核實，保證所有的供熱管道各項安裝數據與電腦模擬結果保持一致。按照電腦模擬出的安裝順序，根據編號依次進行吊裝，既利于施工質量的控制，又助于縮短施工工期。

4.3 供熱管道彎段的處理

供熱管道敷設過程中由于受到地形的限制，不能完全保持直線敷設。在鋼桁架的供熱管線的敷設過程中出現多處彎段。彎道處的供熱管道在管網運行期間會產生垂直于管網軸線的應力，該應力將全部由鋼支架承擔，為保證管網安全平穩運行，此側向應力必須降低至鋼支架的安全承受范圍內。在控制軸向綜合應力和側向應力的前提下，該工程根據實際情況采用供熱管道逐步過渡的布置形式，將彎段變緩，角度變大，逐步減小側向應力和軸向應力，具體布置形式見圖3。在大曲率彎管的兩端分別焊接1 m長的直短管，以便與兩側導向支座的6 m直管道進行焊接，將彎段的度數變大，將急彎過渡為緩彎，通過設置在導向支座上的側向擋板發揮限位的作用，逐步減少供熱管道的徑向位移和支架受力，使其達到設計要求。

在供熱管道彎段吊裝施工期間，由于角度的影響，吊裝的管道不能很好的水平對正，使管道呈現豎直方向上的起伏。在管網的運行期間，供熱管道會隨著介質的流動發生位移，可能在起伏處產生應力集中，焊縫受到的壓力增大，可能發生泄漏或管道偏轉等影響安全平穩運行的安全事故。為了杜絕類似情況的發生，首先在吊裝初期就要做好材料的準備工作，對彎管的安裝角度進行標注，安裝期間嚴格按照標注的角度進行統一安裝；其次不能將彎管當作死口單獨焊接，應在彎頭兩側分別焊接若干根供熱直管，且確保供熱直管與支座連接緊密，以保證彎管處不因自重發生偏轉。

5 結語

1)長距離大管徑供熱工程，受地形、地貌、施工周期和施工成本影響較大，同時供熱管道對安裝精度要求較高，造成安裝難度較大，必須采取合理有效的設計方案和施工措施，以確保工程順利實施。

2)鋼桁架架空供熱管線的設計和施工需要綜合考慮各類問題,以確保大管徑輸送高溫高壓供熱介質的管道的安全平穩運行。