天然氣管道隨橋敷設(shè)
摘要：針對(duì)目前天然氣應(yīng)用的普及，管道穿越江、河工程也相應(yīng)增多。穿越江河等水域的方式也有多種。但是，在有已建成橋梁的地區(qū)，條件允許的情況下管道隨橋敷設(shè)相對(duì)于其它穿越方式，有施工難度與費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。
1、工程概況
隨著天然氣的日益普及，各城市天然氣管道穿越河流已成為較為常見(jiàn)。其中燃?xì)夤艿离S橋敷設(shè)已成為常態(tài)。我院在南方某地天然氣項(xiàng)目中，其中就運(yùn)用到燃?xì)夤艿离S橋敷設(shè)技術(shù)。
該橋總長(zhǎng)276.38m，管道直徑為DN300。橋梁兩端的管道基本對(duì)稱布置，因此，可以不設(shè)固定支架，管道會(huì)對(duì)兩端進(jìn)行對(duì)稱變形。
管道布置詳見(jiàn)圖1。
主要尺寸：AB=3660mm；
BC=15000mm；
CD=1500mm；
DE=22000mm；
EF=1000mm；
AO=2763800/2=1381900mm；
2、設(shè)計(jì)條件及支架形式
2.1設(shè)計(jì)參數(shù)
天然氣重度：082kg/m3；
設(shè)計(jì)壓力：0.4MPa；
最低計(jì)算溫度：7°C；
最高計(jì)算溫度：考慮到太陽(yáng)輻射，取60°C；
2.2支架形式
N1、N2為滾動(dòng)支架；
G1為固定支架；
橋上中點(diǎn)O為虛擬固定（計(jì)算所需），全部為軸向滑動(dòng)支架。
3、管材選擇
根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50028-2006）6.3.10第3條第一款規(guī)定以及考慮安全，管材選用D325x8的無(wú)縫鋼管，材質(zhì)為20#鋼。
4、荷載
管道金屬重62.54kg/m，考慮超載系數(shù)1.2，計(jì)算為荷載73.6kg/m=0.722N/mm
5、管道幾何特性
管道外徑：D=325mm；管道內(nèi)徑：d=309mm；
管道負(fù)偏差：C1=1.2mm；管道腐蝕裕量C2=1mm；
管道計(jì)算厚度：δj=δn－（C1+C2）=8－（1.2+1）=5.8mm；
R=162.5mm；
考慮腐蝕裕量與負(fù)偏差后的管道內(nèi)徑：d’=313.4mm；
慣性矩IX=π×（D4－d4）/64=3.14×（3254－3094）/64=1000.88×105mm4；
考慮腐蝕后的慣性矩IX’=π×（D4－d’4）/64=3.14×（3254－313.44）/64
=740.6×105mm4；
管道的截面系數(shù)Z=Ix/R=1000.88×105/162.5=615926mm3；
腐蝕后的截面系數(shù)Z’=740.6×105/162.5=455754mm3；
6、應(yīng)力計(jì)算
20#鋼管的許用應(yīng)力〔σ〕=137MPa；
20#鋼管的許用彎曲應(yīng)力〔σω〕=171MPa�？紤]到焊縫系數(shù)0.9后應(yīng)為：
〔σω〕=171×0.9=153.9MPa。
6.1環(huán)向應(yīng)力σ1=PD/4/δj/0.8=0.4×309/4/5.8/0.8=6.7MPa
6.2軸向應(yīng)力σ’=PD/4/δj=0.4×309/4/5.8=5.33MPa
考慮內(nèi)壓軸向應(yīng)力后許用彎曲應(yīng)力〔σω〕=1.25×（137－5.33）×0.9=148.1MPa
6.3跨距產(chǎn)生的應(yīng)力
以G1 —N1段最大，即N1—D—E最大跨距L=22750mm(EF段可視為一個(gè)支柱)，平面轉(zhuǎn)彎跨k=6.5。
σ2=ql2/k/Z’/φ=0.722×227502/6.5/455754/0.9=140.2MPa＜148.1MPa。
6.4橋上管道的軸向應(yīng)力
�。�1）橋上全部管道采用滑動(dòng)支架，詳見(jiàn)圖2（c）。管道上焊有一塊鋼襯托板，鞍形托座上襯有一塊聚四氟乙烯襯托板，鋼板與聚四氟乙烯保持滑動(dòng)，摩擦系數(shù)為0.1，全部摩擦力Pm=1387.5×62.54×0.1=8677.4kg。
�。�2）橋上DN300管道產(chǎn)生的摩擦應(yīng)力
σα=Pm×R×9.81/Z’=8677.4×162.5×9.81/455754=30.4MPa
未考慮中間可以抵消，即摩擦力對(duì)管道產(chǎn)生的軸向應(yīng)力較小。
�。�3）跨距產(chǎn)生的應(yīng)力
橋上管道跨距為使橋梁受力均勻，按每10米布置一個(gè)支點(diǎn)。
σα=ql2/12Z’=0.722×100002/12/455754=13.2MPa
合應(yīng)力σΣ=30.4+13.2=43.6MPa＜〔σ〕=137×1.25=171MPa。
7、管道補(bǔ)償計(jì)算
橋上管道全長(zhǎng)2763.8m，補(bǔ)償量Δl=2763800×(60－7)×1.2×10-5=1757.8mm。
考慮冷緊，冷緊系數(shù)0.63，Δl=1757.8×0.63=1107.4mm。
將總補(bǔ)償量分為橋兩端各自分擔(dān)一半，即Δl=553.7=554mm。
7.1推力計(jì)算
解決X方向的變形由下列幾種變形所決定：
由力PX產(chǎn)生的BC段的彎曲變形Δ1（AB段為3660mm，很短，彎曲變形可以忽略不計(jì)）。
PX=3EIXΔ1/（LBC）3==3EIXΔ1/110003=EIXΔ1/44367×107（1）
同時(shí)，對(duì)管道DE段也產(chǎn)生彎曲變形Δ2（CD段中反力PX與AO段的PX相等），PX=3EIXΔ2/（LDE）3=3EIXΔ1/220003=EIXΔ1/354930×107（2）
除了彎曲變形外，PX對(duì)BC段產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，扭矩分別為PXLBC、PXLDE，其轉(zhuǎn)角φE與φF（φ為弧度），變形Δ=φL（此處L為轉(zhuǎn)軸的長(zhǎng)度）。
對(duì)OABC段，MP=PXAB，BC段扭轉(zhuǎn)變位（X方向）為（同時(shí)剪切模量G=0.81E，Jρ=2IX）：
Δ3=φB×BC=PXAB/G/Jρ=PX×3660×110002/0.381E/2IX
PX=0.762EIXΔ3/44286×107=EIXΔ3/58118×107（3）
對(duì)DEF段，DE為力臂，EF段扭轉(zhuǎn)
Δ4=φF×EF=MFEF/GJρ=PX×22000×10002/0.381E/2IX
PX=0.762EIXΔ4/22×109=EIXΔ4/2887×107（4）
同時(shí)，Δ1+Δ2+Δ3+Δ4=ΔlX=1758.8/2=879.4mm(未考慮冷緊系數(shù))（5）
解以上（1）~（5）方程得：
Δ1=84.8mm；Δ2=677.4mm；Δ3=111.1mm；Δ4=5.5mm；
從（4）式
PX=EIXΔ4/2887×107=2.06×105×1001.39×105×5.5/2887/107=3961N
即此力作用于固定支架G1處。
7.2應(yīng)力計(jì)算
從前述變形計(jì)算看，最大補(bǔ)償量在DEF，F(xiàn)作為固定點(diǎn)，最大彎矩在EF段。同時(shí)在EF段受扭轉(zhuǎn)。固定支架G1既受彎矩也受扭矩的剪切應(yīng)力。
7.21彎曲應(yīng)力
在EF段
σω=1.5EDΔ2/（LDE）2=1.5×2.06×105×325×702.72/220002=145.8MPa
考慮冷緊，實(shí)際σω=1458.×0.63=91.86MPa＜〔σ〕=148.3MPa，通過(guò)。
7.2.2扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力
τ在F點(diǎn)
τ=MF/Zρ=PXDE×162.5/2IX=3961×22000×162.5/2/7651.33×104=92.54MPa。
采用冷緊后τ=92.54×0.63=58.3MPa，通過(guò)。
8、管道的冷緊
設(shè)計(jì)在橋上A、B、C三處同時(shí)進(jìn)行冷緊，冷緊值詳見(jiàn)表—1。
冷緊數(shù)值表表 —1
施工時(shí)管道外壁溫度
�。�°C）7101520253033.5
A冷緊值（mm）-110.3-97.8-77.0-56.2-35.4-14.60
B冷緊值（mm）-220.6-195.6-154.0-112.4-70.8-29.10
C冷緊值（mm）-110.3-97.8-77.0-56.2-35.4-14.60
施工時(shí)管道外壁溫度
�。�°C）354045505560
A冷緊值（mm）6.227.147.968.789.5110.3
B冷緊值（mm）12.554.195.7137.4179.0220.6
C冷緊值（mm）6.227.147.968.789.5110.3
注：“ —”表示拉緊，“+”表示推離。A、B、C三點(diǎn)位置見(jiàn)圖3。
結(jié)語(yǔ)
隨橋敷設(shè)燃?xì)夤艿辣绕鸸艿绬为?dú)穿越河流，投資節(jié)省、施工周期短且管道維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行來(lái)看，隨橋敷設(shè)燃?xì)夤艿朗潜容^切實(shí)可行的。
