天然气管道随桥敷设
摘要：针对目前天然气应用的普及，管道穿越江、河工程也相应增多。穿越江河等水域的方式也有多种。但是，在有已建成桥梁的地区，条件允许的情况下管道随桥敷设相对于其它穿越方式，有施工难度与费用低等优点。
1、工程概况
随着天然气的日益普及，各城市天然气管道穿越河流已成为较为常见。其中燃气管道随桥敷设已成为常态。我院在南方某地天然气项目中，其中就运用到燃气管道随桥敷设技术。
该桥总长276.38m，管道直径为DN300。桥梁两端的管道基本对称布置，因此，可以不设固定支架，管道会对两端进行对称变形。
管道布置详见图1。
主要尺寸：AB=3660mm；
BC=15000mm；
CD=1500mm；
DE=22000mm；
EF=1000mm；
AO=2763800/2=1381900mm；
2、设计条件及支架形式
2.1设计参数
天然气重度：082kg/m3；
设计压力：0.4MPa；
最低计算温度：7°C；
最高计算温度：考虑到太阳辐射，取60°C；
2.2支架形式
N1、N2为滚动支架；
G1为固定支架；
桥上中点O为虚拟固定（计算所需），全部为轴向滑动支架。
3、管材选择
根据《城镇燃气设计规范》（GB50028-2006）6.3.10第3条第一款规定以及考虑安全，管材选用D325x8的无缝钢管，材质为20#钢。
4、荷载
管道金属重62.54kg/m，考虑超载系数1.2，计算为荷载73.6kg/m=0.722N/mm
5、管道几何特性
管道外径：D=325mm；管道内径：d=309mm；
管道负偏差：C1=1.2mm；管道腐蚀裕量C2=1mm；
管道计算厚度：δj=δn－（C1+C2）=8－（1.2+1）=5.8mm；
R=162.5mm；
考虑腐蚀裕量与负偏差后的管道内径：d’=313.4mm；
惯性矩IX=π×（D4－d4）/64=3.14×（3254－3094）/64=1000.88×105mm4；
考虑腐蚀后的惯性矩IX’=π×（D4－d’4）/64=3.14×（3254－313.44）/64
=740.6×105mm4；
管道的截面系数Z=Ix/R=1000.88×105/162.5=615926mm3；
腐蚀后的截面系数Z’=740.6×105/162.5=455754mm3；
6、应力计算
20#钢管的许用应力〔σ〕=137MPa；
20#钢管的许用弯曲应力〔σω〕=171MPa。考虑到焊缝系数0.9后应为：
〔σω〕=171×0.9=153.9MPa。
6.1环向应力σ1=PD/4/δj/0.8=0.4×309/4/5.8/0.8=6.7MPa
6.2轴向应力σ’=PD/4/δj=0.4×309/4/5.8=5.33MPa
考虑内压轴向应力后许用弯曲应力〔σω〕=1.25×（137－5.33）×0.9=148.1MPa
6.3跨距产生的应力
以G1 —N1段最大，即N1—D—E最大跨距L=22750mm(EF段可视为一个支柱)，平面转弯跨k=6.5。
σ2=ql2/k/Z’/φ=0.722×227502/6.5/455754/0.9=140.2MPa＜148.1MPa。
6.4桥上管道的轴向应力
（1）桥上全部管道采用滑动支架，详见图2（c）。管道上焊有一块钢衬托板，鞍形托座上衬有一块聚四氟乙烯衬托板，钢板与聚四氟乙烯保持滑动，摩擦系数为0.1，全部摩擦力Pm=1387.5×62.54×0.1=8677.4kg。
（2）桥上DN300管道产生的摩擦应力
σα=Pm×R×9.81/Z’=8677.4×162.5×9.81/455754=30.4MPa
未考虑中间可以抵消，即摩擦力对管道产生的轴向应力较小。
（3）跨距产生的应力
桥上管道跨距为使桥梁受力均匀，按每10米布置一个支点。
σα=ql2/12Z’=0.722×100002/12/455754=13.2MPa
合应力σΣ=30.4+13.2=43.6MPa＜〔σ〕=137×1.25=171MPa。
7、管道补偿计算
桥上管道全长2763.8m，补偿量Δl=2763800×(60－7)×1.2×10-5=1757.8mm。
考虑冷紧，冷紧系数0.63，Δl=1757.8×0.63=1107.4mm。
将总补偿量分为桥两端各自分担一半，即Δl=553.7=554mm。
7.1推力计算
解决X方向的变形由下列几种变形所决定：
由力PX产生的BC段的弯曲变形Δ1（AB段为3660mm，很短，弯曲变形可以忽略不计）。
PX=3EIXΔ1/（LBC）3==3EIXΔ1/110003=EIXΔ1/44367×107（1）
同时，对管道DE段也产生弯曲变形Δ2（CD段中反力PX与AO段的PX相等），PX=3EIXΔ2/（LDE）3=3EIXΔ1/220003=EIXΔ1/354930×107（2）
除了弯曲变形外，PX对BC段产生扭转变形，扭矩分别为PXLBC、PXLDE，其转角φE与φF（φ为弧度），变形Δ=φL（此处L为转轴的长度）。
对OABC段，MP=PXAB，BC段扭转变位（X方向）为（同时剪切模量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）
对DEF段，DE为力臂，EF段扭转
Δ4=φF×EF=MFEF/GJρ=PX×22000×10002/0.381E/2IX
PX=0.762EIXΔ4/22×109=EIXΔ4/2887×107（4）
同时，Δ1+Δ2+Δ3+Δ4=ΔlX=1758.8/2=879.4mm(未考虑冷紧系数)（5）
解以上（1）~（5）方程得：
Δ1=84.8mm；Δ2=677.4mm；Δ3=111.1mm；Δ4=5.5mm；
从（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处。
7.2应力计算
从前述变形计算看，最大补偿量在DEF，F作为固定点，最大弯矩在EF段。同时在EF段受扭转。固定支架G1既受弯矩也受扭矩的剪切应力。
7.21弯曲应力
在EF段
σω=1.5EDΔ2/（LDE）2=1.5×2.06×105×325×702.72/220002=145.8MPa
考虑冷紧，实际σω=1458.×0.63=91.86MPa＜〔σ〕=148.3MPa，通过。
7.2.2扭矩产生的剪切应力
τ在F点
τ=MF/Zρ=PXDE×162.5/2IX=3961×22000×162.5/2/7651.33×104=92.54MPa。
采用冷紧后τ=92.54×0.63=58.3MPa，通过。
8、管道的冷紧
设计在桥上A、B、C三处同时进行冷紧，冷紧值详见表—1。
冷紧数值表表 —1
施工时管道外壁温度
（°C）7101520253033.5
A冷紧值（mm）-110.3-97.8-77.0-56.2-35.4-14.60
B冷紧值（mm）-220.6-195.6-154.0-112.4-70.8-29.10
C冷紧值（mm）-110.3-97.8-77.0-56.2-35.4-14.60
施工时管道外壁温度
（°C）354045505560
A冷紧值（mm）6.227.147.968.789.5110.3
B冷紧值（mm）12.554.195.7137.4179.0220.6
C冷紧值（mm）6.227.147.968.789.5110.3
注：“ —”表示拉紧，“+”表示推离。A、B、C三点位置见图3。
结语
随桥敷设燃气管道比起管道单独穿越河流，投资节省、施工周期短且管道维护方便等优点。经过几年的运行来看，随桥敷设燃气管道是比较切实可行的。
