城镇燃气管道随桥敷设设计的探讨_王晋曦

作者简介： 王晋曦（ 1977 － ） ，男（ 苗族） ，湖南邵阳人，工 程师，大学，从事燃气设计与工程管理工作。
1 随桥敷设燃气管道的设计过程
管道过桥设计大致可分为两大类［1 － 2］。第一类 为新建桥梁的设计，在桥梁的设计过程中，设计方已 同各管线单位交流，充分考虑管道过桥的空间、荷载 和安全措施等方面的要求，并综合考虑管道的安装 对桥梁结构的影响。第二类为已建桥梁的设计，因 桥梁设计时没有考虑管道安装位置，需在桥梁上增 设支架或吊架，如吊环、三角架等，这种情况的施工 难度较大，对桥梁的结构和受力有一定的影响，不建 议在已建大型桥梁上敷设燃气管道。在现状桥梁上 敷设管道时，必须由桥梁设计单位核算管道工程的 各项参数对桥梁结构的影响，在桥梁结构允许的基 础上确定最终方案。
根据桥梁伸缩缝位置、两伸缩缝之间桥梁长度、
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桥梁变形状态等合理布置固定点，力求加大两固定 点支座距离，以减少补偿器数量，减少管道安全薄弱 点。本例中桥梁共有 10 条伸缩缝，设置了 10 个固 定点，选用 9 个补偿器。
为使管道适应大桥的振幅，进行补偿器的选型 设计时，应使补偿器的补偿能力能分别适应桥梁在 外界作用下和前三阶振形频率下的影响。同时为确 保管道系统的安全，需按最不利条件耦合状态下的 桥梁变形量计算补偿器的补偿能力。
管道补偿设计中主要有 3 个技术难点： ①管道 如何适应桥梁本身的热胀冷缩引起的位移； ②管道 如何适应大桥同时产生的轴向、横向、竖向运动； ③ 如何处理大桥主桥与引桥接合处最大横向位移为 43 mm 时管道的补偿问题。桥面系跨中最大横向位 移 410 mm 为线性变形，管道的径向变形角度仅为 0． 143°，不需考虑此项因素的径向补偿的问题。
确定两固定点的间距须满足下列条件： ① 管段的热伸长量不得超过所选补偿器的允 许补偿量。 ② 管段因胀缩、承压及移动摩擦产生的推力 不得超过固定支座所能承受的允许推力值。 ③ 不宜使管道产生轴向弯曲。 依据提供的相关资料分析，主桥发生轴向位移 时理论上的驻点在主桥中间位置，由此位置向两侧 发生位移，此位置也是主桥横向和竖向变形最大的 位置，我们将此位置确定为固定点，目的是限制管道 因桥面运动而产生更大的横向和竖向位移量，降低 补偿器的设计难度。 2． 5 管道支座的设置 ① 固定支座 管道固定支座是用来承受管道因热胀冷缩、管 内介质压力及管道移动摩擦所产生的推力，因此支 座及支座生根必须能够承受所产生的组合推 力［4 － 5］。计算时需注意，管内介质压力应取强度试 验压力 0． 6 MPa。 ② 导向滑动支座 由于悬吊体系桥梁因风荷载、动荷载等会产生 横向、竖向和轴向位移，管道也会随之运动。为防止 管道因产生较大位移而受到破坏，在设计中全线采 用导向滑动支座，限制管道横向和竖向位移时的变 形角度，充分保证管道完全随桥面运动，同时避免管 道产生轴向弯曲，保护管道的安全。导向支座结构 设计应能承受管道各个方向位移时产生的推力，并 在进行管道柔性计算后提出导向支座的安装要求。 ③ 导向滑动支座的间距计算 管道允许跨距取决于管材的强度、管子刚度、外 荷载的大小、管道敷设的坡度以及管道允许的最大 挠度等，计算时按强度和刚度两个条件进行，取两者 中较小值。在《煤气设计手册》、《化工管路手册》和 《动力管道设计手册》里均有管道跨距的计算公式， 在确定滑动支座间距时应根据管道适用条件选择合 理的计算结果。 2． 6 核算补偿器的补偿量 确定固定支座后，根据管道运动方向和桥梁运
悬吊体系桥梁的主要结构特点如下： ① 跨中采用悬吊体系，在活载作用下，桥面横 向和竖向位移较大，顺桥向（ 轴向） 是可活动的，有 位移量。 ② 为大跨结构，对风荷载、地震荷载均较敏 感。 ③ 跨中钢横纵梁、主拱等结构均采用钢结构。
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王晋曦，等: 城镇燃气管道随桥敷设设计的探讨
第 33 卷 第 9 期 2013 年 9 月
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GAS ＆ HEAT
Vol． 33 No． 9 Sep． 2013
城镇燃气管道随桥敷设设计的探讨
王晋曦1， 陈 刚2， 王荣军3
( 1． 邵阳市燃气公司，湖南 邵阳 422000; 2． 中国市政工程华北设计研究总院， 天津 300074; 3． 中芯国际集成电路制造( 天津) 有限公司，天津 300384)
③ 管道规格为 DN 300 mm； 管材选用 20 号钢 无缝钢管，管道壁厚取 8 mm。
采用何种敷设方式需配合桥梁设计和施工情况 或依据桥梁现状确定。本例中，该座桥梁为景观大 桥，要求燃气管道敷设在大桥两侧的人行道下的箱 涵内（ 见图 1） 。
图 1 燃气管道敷设在箱涵内
2． 3 计算位移量和补偿量，确定管道补偿方式 敷设管道处桥梁各个方向的位移量应由桥梁设
2 在悬吊体系桥梁上敷设燃气管道的案例
本文分析某市城市天然气利用工程中压管道过 四大桥工程设计案例。该燃气管道工程与桥梁同步 设计同步施工，施工图设计于 2007 年 3 月完成，并 于当年 11 月投入运行，目前运行情况良好。 2． 1 桥梁结构特点
该桥是新建景观大桥，桥全长共 1 344． 96 m，其 中引 桥 长 约 698． 73 m，为 简 支 结 构，主 桥 长 约 646． 23 m，为悬吊体系结构。大桥主桥采用斜拉飞 燕式系杆钢管混凝土拱。
摘 要： 介绍城镇燃气管道随桥敷设的设计过程，结合工程实例，探讨燃气管道随悬吊体系 桥梁敷设时的补偿方案及安全防护措施。
关键词： 跨越河流; 随桥敷设; 悬吊体系桥梁; 位移; 补偿器 中图分类号： TU996 文献标识码： B 文章编号： 1000 － 4416（ 2013） 09 － 0A30 － 03
第 33 卷 第 9 期
2． 2 设计参数和敷设方式的确定 ① 管道最高工作压力为 0． 4 MPa，但计算中
应取管道强度试验压力 0． 6 MPa。 ② 管道计算温差： 管道为常温运行，环境温差
考虑最不利的情况，采用历年极端最高气温 40． 4 ℃ 和历年极端最低气温 － 8． 5 ℃ 。管道安装在人行道 下面的箱涵内，设计要求安装温度为 15 ℃ ，设计中 计算温差取 40 ℃ 。
考虑到燃气介质的危险等级，避免管道内介质 压力造成的不平衡内压推力，设计采用压力平衡式 优质不锈钢波纹管补偿器［3］。
对于桥梁的简支结构部分和悬吊结构部分，根 据各自的特点，兼顾工程的安全性和经济性，采用 3 种型式补偿器相结合的补偿方式： 第一种为复式双 层配套片状波纹管补偿器，波纹管外有可使波纹管 轴向移动的外套筒，既是保护装置，又保持了它的稳 定性，显著增加了稳定状态下的有效波纹长度，能补 偿较大的轴向和径向位移，这种补偿器主要安装于 桥梁的主桥和引桥结合部位； 第二种为复式片状波 纹补偿器，这种补偿器主要安装于桥梁的主桥部分， 是解决管道与桥梁因温度作用和桥梁在外部荷载作 用下变形耦合所导致的管道三维度变形的补偿问题 的有效措施； 第三种为缸套型轴向波纹补偿器，这种 补偿器主要安装于桥梁的引桥部位。
管道采用架空敷设由于热胀冷缩会产生热位 移。计算取管材的线膨胀系 数 为 12 × 10 － 6 ℃ － 1 ；
管道运行时的温差为 40 ℃ ； 计算管段的总长度为 1 324． 84 m，管道产生的总热位移为 635． 9 mm，需 采用多个补偿器才能补偿这么大的热位移。
大桥 出 现 频 率 较 高 的 前 三 阶 振 形 的 频 率 （ FＲEQ） 分别为 0． 206 338、0． 296 408 和 0． 412 321。 前三阶振形的破坏性最大。
② 要求天然气管道所有焊缝均进行 100% 超 声波探伤和 100% 射线探伤复验。
③ 在人行道箱涵内安装补偿器的位置两侧合 适范围内设置可燃气体泄漏检测系统。
④ 燃气管道采用环氧粉末喷涂防腐，防腐等 级为加强级或特加强级。
⑤ 在大桥两侧适当位置设置截断阀，阀门采 用进口优质燃气闸阀。桥梁两侧设置阀室，阀门设 在阀室内，并设置气液联动自动关闭装置，能根据报 警信号及时关闭。在大桥两端管道出人行道后埋地 敷设，在埋地管道适当位置设置固定墩，并在固定墩 外侧设置绝缘接头，以避免阴极保护对桥上架空管 道产生影响。
计单位提供。根据提供的相关资料，该大桥的引桥、 主桥的运动动态分析结果如下： 引桥最大竖向位移 为 28 mm，主桥最大竖向位移为 180 mm。主桥横向 位移，设计时主要考虑地震荷载和风荷载。根据同 济大学土木工程防灾国家重点实验室《结构抗震性 能研究报告》： 对应于 100 年 2% 超越概率下的横向 + 竖向输入时，主跨梁跨中最大横向位移为 119． 3 mm，边梁 （ 主 桥 与 引 桥 接 合 处） 最 大 横 向 位 移 为 21． 6 mm； 根据湖南大学风工程试验研究中心《抗风 性能研究报告》： 在风力（ 设计风速为 23． 64 m / s） 作 用下桥面系跨中最大横向位移为 410 mm，边梁最大 横向位移为 43 mm。引桥每二个人行道伸缩缝之间 桥体最大变形量为 120 mm，主桥每二个人行道伸缩 缝之间桥体最大变形量为 180 mm。
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8、管段 23 的流量逐渐减小，说明主供气路线开始发 参考文献：
生偏移。
［1］ 万宝清． PVC － U、PE80、PE100 三种给水管材在工程
对图 8 数据进行分析得： 在界定管网气源点最
动方向，进行管道位移量合成计算。本例中主桥两 端管道的位移较复杂（ 见表 1） ，选用的是复式双层 配套片状波纹补偿器，径向补偿能力为 60 mm，轴向 补偿能力为 130 mm； 主桥和引桥上的补偿器只考虑 轴向补偿量，分别选用复式片状波纹补偿器和缸套 型轴向波纹补偿器，计算的最大轴向位移量为 212 mm，选型时考虑的补偿能力为计算位移的 1． 2 倍。