隨大跨徑橋梁敷設的給水管道設計研究

摘"要：本文基于深圳市紅海大道赤石河特大橋隨橋給水管道設計案例， 深入探討了大跨徑橋梁隨橋管道設計的主要挑戰與關鍵點， 包括橋梁斷面的管道布局、 管道受力特性、 伸縮變形以及上下橋節點的設計優化。

關鍵詞：斜拉橋；鋼箱梁；隨橋給水管道；變形量；變形補償器裝置；水平推力文章編號：2095-4085（2024）07-0097-03

0"引言

城市建設中，由于自來水廠水源位置特性，市政管道往往需跨河。因建設用地和工程投資限制，市政給水管單獨設置管道橋梁實施存在困難。隨著工程建設的發展，給水管道隨橋敷設方案備受建設單位和管養部門的青睞。然而，當給水管道需要隨大跨徑橋梁過河時，設計上的挑戰尤為顯著。本文依托實際工程案例，深入剖析了隨大跨徑橋梁敷設給水管道的設計要點與難點［1］。

1"工程背景

紅海大道位于深圳市深汕特別合作區小漠鎮，為東西走向的市政主干路，跨越通航河道赤石河。新建紅海大道赤石河特大橋總長1 058m，橋梁跨徑布置

為：4×30+32+40+32+3×30+4×30+（48+52+48三跨連續鋼箱梁）+（256+50+40+40獨塔混合梁斜拉橋）+3×30=1 058m。

其中主橋為獨塔斜拉橋，最大跨徑256m，主梁寬44m。紅海大道與赤石河中心線斜交角為34.68°，擬建橋位處河面寬約280m。根據給水管網規劃，紅海大道沿線新建2條DN1200給水管。

2"給水管道過河方案比選

紅海大道跨河道處河面寬度大，與道路同步建設的為兩根DN1200大管徑市政給水管。結合國內外的工程案例，常見市政給水管道過河方案主要有3種，以下對三種方案進行分析比選。見表1。

3"管道隨橋敷設方案設計重點難點

3.1"橋梁主梁斷面設計

3.1.1"管道位于橋面上

紅海大道為雙向8車道市政主干路，赤石河特大橋為獨塔斜拉橋，其主梁為鋼箱梁，橋面布置為：3.25m（人行道）+3.25m（拉索區）+15m（車行道）+1m（中央防撞護欄）+15m（車行道）+3.25m（拉索區）+3.25m（人行道）=44m。

如果采用DN1200給水管設置于橋面上，則橋面至少需增加4.4m。此方案主要優點為：給水管道安裝、

養護方便，不影響隨橋敷設的其他市政管線；主橋主梁設計難度較小，主梁內部不需考慮預留給水管道空間。其主要缺點為：橋梁寬度增加，工程投資增加；橋面風阻增加，對橋梁的抗風設計不利。

主要從節約工程投資方面考慮，不增加橋面寬度，赤石河特大橋隨橋給水管道不選擇設置于橋面的方案。

3.1.2"管道位于主梁腹內

給水管道設置于橋梁主梁腹內的方案，主要優點為：橋面寬度較小，充分利用主梁腹內空間，有效節約工程投資；有效減少橋面風阻，有利于橋梁抗風設計。其缺點為：橋梁主梁需考慮設計特殊的給水管道安裝空間；管道上下橋節點主梁需設計特殊空間；管道后期養護相對難度大。

主要從節約工程投資方面考慮，赤石河特大橋隨橋給水管道采用設計于主橋主梁腹內的方案。

3.2"橋梁主梁腹內管道空間設計

紅海大道為市政主干路，規劃與道路同步建設的有電力、通信、燃氣、給水等管線。同時實施的市政管線皆隨橋敷設，各種市政管線布置時需滿足各種管線間安全間距和管道檢修空間需求。規劃的兩根DN1200給水管道，每根管道滿載情況下每延米恒載約為18kN。橋梁主梁需考慮恒載受力影響。赤石河特大橋主橋主梁腹內給水管道空間設計還需考慮以下要點。

（1）管道安裝和養護的空間需求。給水管道安裝和養護需要一定的操作空間。

（2）管養需求。市政給水管道運營期間養護頻率高，需考慮到給水管道運營期養護需求，以及減少管道破損泄露對橋梁鋼箱梁和內部其他管線的影響。

經綜合考慮，兩根給水管道分別設置于橋梁兩側人行道下。為便于運營期的養護，人行道蓋板每隔10m設置為可開啟結構。此方案優點如下：1）該位置管道空間獨立，不與其他市政管道相鄰，安全性較高。2）人行道板下的空間大，滿足給水管道安裝空間需求。3）給水管道于橋梁兩側人行道對稱布置，有利于橋梁受力，同時有利于給水管上下橋的節點設計。4）有利于運營期管道養護，人行道下的管道養護作業不影響車行道交通通行。斜拉橋主橋斷面圖見圖1。

3.3"管道變形補償器設計

隨橋敷設的長距離管道變形主要有管道溫度變形、管道荷載變形、隨橋變形、橋梁梁端伸縮處變形［2］。

（1）管道溫度變形。（a=管道線性膨脹系數，L=管道長度；ΔT=溫差）。最大跨段管道通長256m，經計算最長連續節段管道溫度最大伸長量為15cm。

（2）管道荷載變形。本項目給水管道為無縫鋼管，管道主要恒載為滿水自重荷載。鋼箱梁縱橋向沿線間隔3m設置一道管道豎向支撐，經計算，管道自重變形可忽略。

（3）隨橋變形。本項目主橋為獨塔斜拉橋，主梁為鋼箱梁，橋面為柔性結構。橋梁運營期間，受可變荷載作用，橋面豎向變形量較大，相應的隨橋敷設的管道運營期豎向變形量最大。根據，結構應變主要由受力與結構本身材料特性彈性模量確定。

本項目的主橋鋼箱梁為Q345鋼材，隨橋敷設的給水管道為Q235鋼管，兩者彈性模量數值相同，給水鋼管可隨鋼箱梁協同變形。主橋鋼主梁最大變形量為豎向314.2mm， 運營期主橋鋼箱梁最大應力為176.8MPa，滿足鋼材受力要求。因此，給水鋼管協同變形受力情況下，鋼管受力滿足設計要求。主橋主梁運營期應力包絡圖見圖2。

（4）橋梁梁端伸縮縫處變形。橋梁兩端伸縮處變形是隨橋敷設管線變形處理的關鍵設計節點。根據橋梁邁達斯模型計算結果，主橋主跨梁端伸縮縫處縱橋向最大縮短量219.88mm， 最大伸長量142.65mm；橫橋向最大位移變形量為17mm。橋梁主橋主跨梁端設置數模伸縮縫適應相應的變形。

隨橋敷設的給水管道需在主橋主跨伸縮縫處設置變形補償器解決該節點管道與橋梁協同變形的問題。經比選采用WZUH-10-1200-513/18（縱向最大變形量513mm，橫向最大變形量18mm）型變形補償器。該補償器具有結構尺寸小，縱、橫向變形量大，滿足管道隨橋梁端部伸縮變形的需求。補償器長度為4 000mm，外徑為D1700mm，人行道下給水管道左右側凈距皆≥300mm，上下側凈距≥300mm。因此，管道空間滿足補償器安裝空間要求。

3.4"管道上下橋節點設計

因為給水管道上下橋處受力復雜，給水管上下橋為設計重點難點。從橋梁主梁斷面空間、結構受力等方面綜合考慮，設計中針對給水管道此節點設計，考慮盡量減少對橋梁結構的影響。

給水管道上下橋節點處的水平推力估算如下。

（1）水壓力。給水管道設計試驗水壓為1.5MPa，給水管道上下橋處彎頭45°，管道受力計算公式。經計算給水管道水壓作用下管道水平推力最大為815kN。考慮水錘效應經驗系數1.5，則每根管道于上下橋節點處最大水平推力為1 223kN。

（2）管道變形應力。給水管道下橋節點前設置變形補償器，補償器的固定受力端位于管道下橋方向，因此給水管道上下橋節點處還需考慮補償器的變形應力。給水管道位移補償器縱向剛度262N/mm，管道上下橋節點段管道位移補償器最大縱向形變量為13mm，因此給水管道最大水平推力約為3.3kN。

經計算，給水管道下橋節點處最大水平力為1 224kN。給水管道于橋梁小樁號側下橋節點位于48+52+48（m）三跨連續鋼箱梁的邊跨段。該邊跨橋墩上鋼箱梁下設置兩個支座支撐傳遞上部荷載，如管道水平推力由主梁承擔，則橋墩處單個支座受到的水平推力為612kN。如此巨大的水平推力不但影響橋梁支座選型，同時還增加了橋墩的受力。由于三跨連續鋼箱梁引橋小樁號側的邊跨已位于河岸側，因此為減少對橋梁結構的影響，給水管道上下橋節點處設置獨立管道支墩［3］。

給水管道獨立支墩設計：管道下橋處水平推力較大，且給水管運營期水錘現象等容易出現沖擊、振動等動荷載，為避免管道下橋處對橋梁的影響，該處單獨設立管道支墩與管道連接。給水管道支墩尺寸為：縱向3.5m，橫橋向3.3m。綜合考慮該段的橋面構造需求，管道下彎節點包含進支墩內。獨立支墩處橋梁主梁翼板設計為矩形缺口，支墩的頂部標高與橋梁橋面平齊過渡。考慮管道彎折處管道沖擊荷載較大，為增強承載力，將其包封與支墩中。管道下橋地面處在緊靠的橋梁承臺上設置混凝土鎮墩，彎折管道包封在鎮墩內。給水管上下橋支墩示意圖見圖3。

4"總結

大管徑管道隨橋過河時，需從橋梁結構特性及斷面布置等方面綜合考慮管道設計方案。本項目中主橋為斜拉橋，主跨最大的變形量為運營階段主梁越1/3跨出的豎向變形。如果給水管道材料與主橋主梁材質不同，則需在主跨中將給水管道分段設置變形補償器以解決隨橋變形的問題［4］。

綜上，工程案例中斜拉橋管道隨橋跨河最主要的設計難點在主梁斷面設計、管道伸縮補償器選型與管道上下橋處節點設計。綜合分析，采用可靠的設計方案，大管徑剛性管道隨橋過河技術具有可行性，同時在經濟性、運營期管養、縮短工期等方面也具有較強的優勢。

參考文獻：

［1］趙海燕，魏麗，戴熒.跨海大管徑給水管道隨橋敷設問題研究［J］.公路，2011（7）：149-151.

［2］鐘俊彬，王作民，曹玉萍.長距離橋上輸水管道無伸縮補償器設計［J］.特種結構，2005（12）：39-40.

［3］孫書婷，趙發祥.給水管線隨橋敷設的設計方案探討［J］.低溫建筑技術，2015（3）：18-20.

［4］王成軍.壓力污水管道沿橋敷設的可行性分析［J］.山西建筑，2015（17）：97-98.