某100m跨越桁架结构设计

1 工程概况

某输水管线管径为 DN 2200，需跨越U字形河谷，东岸高差为32m，西岸高差为44m；线路横穿河面宽度约12m，水深0.5~1.5m，由北向南蜿蜒而下，两岸为约2.0m厚沙壤土质的河漫滩，宽度分别约为22m、56m，其上是茂密的胡杨林，河漫滩向外是砂岩质山坡，东侧较陡，最大坡度为63°，百年一遇洪水的最大冲刷深度为2.20m，主要地层分布为角砾、砾岩、砂岩，项目建设周边环境如图1所示。

 

图1 项目建设环境

由于河谷两岸高差较大，管线穿越拟采用2种方案进行对比，具体如下。

方案一采用桁架架空管线敷设方案，此方案对现有河床影响小，对河道环境影响小，可以设置检修通道，方便管线检修，但钢结构工程量大，需高空作业，造价稍高，建成后管理难度大，需定期对钢结构进行防腐维护。

方案二采用大开挖直埋方式通过河谷，采用围堰或开挖排水沟形式，此方案土石方开挖量大，对环境破坏面积相对较大，树木移植数量多，需等待枯水期，施工不可控因素多，办理审批手续时间较长，影响项目投产时间。经综合论证，项目最终采用桁架架空跨越方式，布置示意如图2所示。

 

图2 跨越桁架效果

2 结构设计分析

项目设计抗震设防烈度为7度，基本加速度为0.1 g ，设计分组为第一组，抗震设防类别为乙类，基本风压为0.9kN/m ² ，采用同济大学开发的3D3S钢结构–空间结构设计软件进行空间矩形管桁架结构体系分析计算。

2.1 结构选型

项目为大跨度跨越结构，选用空间矩形钢管桁架结构，采用下弦支撑。根据JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》，立体桁架的高度可取跨度的1/12~1/16，本工程理论高度在4.5~3.5m，考虑本工程为重要的输水工程，管线直径较大，永久荷载较大，同时考虑项目地基本风压大，每年都有12级以上的大风天气，因此桁架高度取5m，同时桁架下弦宽度需考虑管线布置要求及管线两侧人员检修尺寸，截面宽度取6m。通过几种结构方案进行对比，具体见表1。

表1 结构选型对比

 

通过表1对比可知，在同等设计条件下，圆形钢管截面比矩形钢管截面用钢量稍大。

根据研究可知，圆形钢管与矩形钢管相比，小尺寸的钢管制作安装方便，造型可塑性强；圆管的外表面积较小，涂抹油漆、防腐、防火涂料的成本相对较低；但圆管之间多使用相贯连接，对机械加工的要求很高，多钢管相交的节点加工与放样复杂，大直径圆管的工厂加工难度大。跨宽比对矩形截面空间钢管桁架的整体稳定性有较大影响，随着跨宽比的增大，桁架整体稳定承载力减小；水平支撑刚度对矩形截面空间钢管桁架的整体稳定性较小。焊接方管桁架对材料的利用更充分，受力更合理、杆件数量少、制造加工简单、结构形式美观。

考虑项目所在地基本风压较大，钢管桁架需要承受一定的侧向风荷载作用，为确保钢管桁架的稳定性，本项目选用具有更大侧向刚度和更好整体稳定性的矩形钢管桁架结构。

2.2 结构设计

项目位于河道上方，整个跨越长度为100m，为降低截面高度，结合历史水文资料，在河道两岸中间位置增加2处竖向支座，结构为3跨连续跨越，跨度分别为26m、52m、26m，矩形桁架截面尺寸为6m×5m（宽×高），其承重主要由钢桁架上下弦杆、水平及竖向支撑体系组成，支撑于钢筋混凝土柱墩上，桁架上、下弦杆选用焊接矩形钢管。在支座处增加了纵向十字支撑，桁架设置纵向垂直支撑，以保证桁架的几何稳定，上下弦水平支撑承担了纵向的水平荷载。桁架横断面示意如图3所示。

 

图3 桁架横断面示意

根据GB50017—2017《钢结构设计标准》，当工作温度不高于–20℃时，Q235、Q345钢应不低于D级，因此本项目选用低合金高强度钢Q355–D。

根据钢管节点的构造要求，结构设计保证弦杆外径大于腹杆外径，弦杆壁厚大于腹杆壁厚，上下弦杆与水平腹杆及竖向腹杆之间夹角均大于30°，为保证矩形管截面的封闭性，所有管端口处均加端板焊接。

2.3 设计荷载取值及工况组合

设计荷载是结构分析的重要依据，取值的合理准确将直接影响结构的安全性和经济性。本项目的设计荷载包括结构自重、管线自重、充水荷载、维修通道可变荷载、雪荷载、风荷载、地震作用和温度作用等。

2.3.1 地震作用

抗震设防烈度7度；设计基本地震加速度0.10 g ；设计地震分组第三组；场地土类别为II类。

2.3.2 温度作用

根据研究结论跨度对于钢桁架温度效应的影响是十分显著的。结构跨度在60m及以下时，温度应力占材料强度设计值的30%左右，当结构跨度达到140m时，钢桁架构件温度应力占到设计强度的70%，此时温度作用引起的结构响应必须引起足够重视。

由于项目所在地昼夜和季节性温差较大，气温变化引起的结构整体温度变化影响不容忽视，考虑本地区季节性温差，计算温度取±37℃。

2.3.3 荷载工况组合

根据GB50009—2012《建筑结构荷载规范》及GB55001—2021《工程结构通用规范》的要求，结构应力计算分析及稳定验算主要考虑表2所列荷载组合工况。

表2 荷载组合工况

 

2.4 结构模型的模态振型特性

根据计算分析模型进行规范检验，检验结果表明，结构能够满足承载力计算要求，图4为模型总体应力比分布图。结构模态按动力参与系数超90%分析，计算前9个振型，第一、第二、第三阶振型为竖向挠曲振动，第四阶振型为水平面内弯曲振动，低阶振型对结构的振动影响大，其动态特性也反映了结构的固有特性。

 

图4 桁架杆件应力比分布

项目的设计难点之一是输水管线支承在桁架之上，在桁架结构产生变形时，管道与桁架会一起变形。由于管道的变形会产生弯曲应力，变形超过一定限值后，会对管道产生安全隐患，因此，桁架在正常使用状况下的挠度控制是设计的关键。

根据CECS214—2006《自承式给水钢管跨越结构设计规程》规定，管道允许挠度值为 L /250，通过计算，桁架的最大挠度值为63.7mm，小于管道允许挠度值 L /250=208mm，挠度验算满足要求。

2.5 支座设计

本项目跨越墩台按52 m＋2×26m三跨设置，大跨度桁架与墩台柱顶的支座连接，在竖向荷载作用下主桁架对柱顶的水平推力在柱脚处产生很大的弯矩，考虑温度作用时，这种影响更加明显。

在温度影响下，桁架会产生较大推力，为了减小主桁架对柱顶的水平推力，采用了可滑动支座作为边界条件，螺栓均开长圆孔，以释放水平推力产生的 变形。

考虑管道本身的温度作用明显，管线每6.5m设置1道滑动支座，管线与支座间设置聚乙烯滑动绝缘垫，以降低滑动摩擦系数。

2.6 节点设计

计算模型中，桁架各杆件轴心线均交于一点，当支管与主管的连接存在偏心且不超过–0.55≤ e / h ≤0.25时，对于受拉主管可忽略因偏心而引起附加弯矩的影响，仍按轴心受拉构件计算。但对于受压主管，必须考虑附加弯矩的影响，主管属于压弯构件，附加弯矩为Δ M =Δ N × e ，其中Δ N 为节点两侧主管轴力的差值， e 为偏心距， h 为主管截面高度。

根据GB?50017—2017《钢结构设计标准》要求，钢管直接焊接节点的构造应满足主管的外部尺寸不应小于支管的外部尺寸，主管的壁厚不应小于支管的壁厚，在支管与主管的连接处不得将支管插入主管内；主管与支管或支管轴线间的夹角不小于300°。

项目钢管焊接为全熔透焊，要求焊接质量等级为一级焊缝，满足GB50661—2011《钢结构焊接规范》、GB50205—2020《钢结构工程施工质量验收标准》的相关要求。

2.7 基础及短柱设计

跨越支座基础采用理正计算软件，取跨越支座的最不利荷载组合，采用现浇钢筋混凝土独立基础形式，基础短柱顶部设拉梁。由于立柱位于河岸两侧，根据河道水位资料，可以不考虑河道冲刷作用。

根据实际土层分布，为保证基础位于卵石层，并考虑边坡稳定，基础埋深加大为6.0m，单个独立基础尺寸为4.0m×4.0m，共8个，基础短柱截面为1.2m×1.2m，均采用C40级混凝土、HRB400级钢筋浇筑，基础埋地部分涂抹环氧沥青防腐涂层。

基础短柱顶部设8M30螺栓与跨越连接固定，并设置抗剪键，抵抗支座处的剪力，基础螺栓材质为Q355–D，满足使用环境温度要求。

2.8 结构防腐蚀设计

本项目为室外露天结构，下部为河流，环境较为复杂，为保证钢构件在低温状态下的受力性能，选用Q355–D钢材；为满足抗腐蚀要求，按GB/T 50046—2018《工业建筑防腐蚀设计标准》要求，防腐涂层厚度为350μm，设计防腐使用年限不小于15年，涂层与钢铁基层的附着力宜不低于5MPa，并定期进行检查和维护。

同时，按JGJ/T 251—2011《建筑钢结构防腐蚀技术规程》要求，桁架的重要钢构件和闭口截面杆件的焊缝应采用连续焊缝，角焊缝的焊脚尺寸不小于8mm，加劲肋的切角应满足排水、施工维修要求。

要求钢结构在除锈处理前，应清除焊渣、毛刺和飞溅等附着物，并清除基体表面可见的油脂和其他污物，表面清理后不得用手触摸，表面处理和涂抹防腐蚀材料之间的时间间隔不宜超过4?h。涂装前，如发现钢结构表面被污染或返锈，应重新清理至原要求的表面清洁度等级。

2.9 桁架施工

项目施工方案主要有2种：一种为分段预制、空中拼装，需要起重机配合作业，在吊装作业过程中，安全风险大，现场为河滩，施工车辆行走不便，且吊装过程中结构受力与实际不一致，需单独核算；另一种为散装拼装法。单构件工厂预制，现场拼装，安全风险低，但需要搭设脚手架施工作业面，项目施工周期较长。

由于现场施工时河道为枯水期，具备作业条件，因此采用了第二种施工方案。

3 结束语

通过分析表明，跨越结构跨中和支座处最大应力出现的频率较高，对设计起控制作用，因此应在桁架承受较大荷载的支座处杆件纵向进行加强，增加纵向十字支撑。

钢管相较于其他截面型钢有较好的抗压、弯、扭受力性能和连接节点，可减轻结构自重，在承载力相同的情况下，钢管截面的开口表面积较小，可有效减少构件防腐涂层的涂抹难度和费用；矩形钢管桁架有便于工厂加工、制作的优势，特别是针对沙漠、戈壁等野外地区具有一定的技术经济优势。

同时，由于本项目设计周期短，结构形式为等截面矩形钢管桁架，未根据结构受力变化调整截面高度，未充分发挥钢结构承载能力，后期项目需进一步优化和完善，在保证结构受力满足要求的前提下做到经济适用。目前本项目已投入使用，且使用状况良好。