陳宇紅 鄒紹維

中國石化銷售有限公司華南分公司

摘 要： 通過蓋板涵和箱涵的計(jì)算方法比較，可以便捷的選出結(jié)構(gòu)種類和結(jié)構(gòu)模式。結(jié)合佛開高速公路擴(kuò)建對成品油管道安全性的影響進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，采取蓋板涵等保護(hù)措施以保證管道安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞： 高速公路；輸油管道；相遇；保護(hù)方式；計(jì)算方法

珠三角成品油管道鶴山—江門段建于2005年，沿佛開高速公路兩側(cè)伴行敷設(shè)。管徑為一般地段φ 406.4×7.1 mm、穿越地段φ 406.4×9.5 mm，設(shè)計(jì)壓力均為10.0 MPa，管道材質(zhì)為L415，螺旋縫埋弧焊鋼管，采用加強(qiáng)級雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末（加強(qiáng)級DPS）外防腐層加強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，運(yùn)行壓力7.0 MPa，管道沿線有一條12芯光纜伴行敷設(shè)。因高速公路在原址擴(kuò)建，造成輸油管道與高速公路安全距離不足和被占壓，需采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

1 輸油管道保護(hù)類型

蓋板涵和箱涵是輸油管線穿越道路時的常用保護(hù)方式（圖 1）。其優(yōu)缺點(diǎn)對比如下。

圖 1  蓋板涵和箱涵示意圖

（1）蓋板涵內(nèi)可先填土再蓋蓋板，能防止氣體集聚；而箱涵內(nèi)部難以填充密實(shí)，需在兩端另設(shè)露出地面的通氣管，既不美觀也容易被破壞（圖 2）。

圖 2  蓋板涵和箱涵的優(yōu)缺點(diǎn)示意

（2）蓋板涵是靜定結(jié)構(gòu)，適宜于地基承載力較好的地方；箱涵是多次超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，適宜于地基承載力較弱處。

（3）箱涵造價比蓋板涵高。

（4）蓋板涵屬于簡支結(jié)構(gòu)，蓋板不與邊墻或基座剛接；箱涵屬于剛性結(jié)構(gòu)，與蓋板涵的配筋差別較大，更加復(fù)雜且要求更高。

（5）蓋板涵最大跨徑一般為6 m；箱涵可以做到很大跨徑，例如管道穿越鐵路整體頂推。

（6）蓋板涵可以預(yù)制蓋板進(jìn)行安裝，施工簡單，箱涵適合整體預(yù)制，整體現(xiàn)澆和頂進(jìn)，施工工藝復(fù)雜。

2 蓋板涵計(jì)算

根據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》 (JTG D61―2005)中7.0.6關(guān)于涵洞結(jié)構(gòu)的計(jì)算假定：蓋板按兩端簡支的板計(jì)算，可不考慮涵臺傳來的水平力。

2.1 計(jì)算資料

需要設(shè)定如下參數(shù)：汽車荷載等級、凈跨徑L0（m）、計(jì)算跨徑L （m）、蓋板厚d （m）、蓋板寬b（m）、砼強(qiáng)度等級、受力主筋、鋼筋間距（m）、鋼筋軸心抗壓強(qiáng)度fsd （MPa）、路面結(jié)構(gòu)層和填土平均容重γ 2(t)、安全結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ 0、環(huán)境類別、單側(cè)擱置長度（m）、填土高H （m）、凈保護(hù)層厚度c （m）、砼軸心抗壓強(qiáng)度fcd （MPa）、砼軸心抗拉強(qiáng)度ftd （MPa）、鋼筋總面積As (m2)、蓋板容重γ 1(t)。

2.2 外力計(jì)算

（1）永久作用

豎向土壓力q =K·γ2·H·b ，

蓋板自重g =γ1·d·b/100 。

（2）由車輛荷載引起的垂直壓力（可變作用）

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》 (JTG D60―2004)中4.3.4規(guī)定：計(jì)算涵洞頂上車輛荷載引起的豎向土壓力時，車輪按其著地面積的邊緣向下做30°角分布。當(dāng)幾個車輪的壓力擴(kuò)散線相重疊時，擴(kuò)散面積以最外面的擴(kuò)散線為準(zhǔn)。又據(jù)4.3.1關(guān)于車輛荷載的規(guī)定：

車輛荷載順板跨長La = 1.6+2·H ·tan30°，

車輛荷載垂直板跨長Lb =5+2·H ·tan30°，

假設(shè)車輪重為P ，則車輪重壓強(qiáng)p 為

p =P/（La·Lb）

2.3 內(nèi)力計(jì)算及荷載組合

（1）由永久作用引起的內(nèi)力

跨中彎矩M1 =(q+g)·L2 /8，

邊墻內(nèi)側(cè)邊緣處剪力V1 =(q+g)·L0 /2。

（2）由車輛荷載引起的內(nèi)力

跨中彎矩M2 =p·L2·b /8，

邊墻內(nèi)側(cè)邊緣處剪力V2 =p·L0·b /2。

（3）作用效應(yīng)組合

JTG D60―2004中4.1.6關(guān)于作用效應(yīng)組合的規(guī)定：

跨中彎矩γ0Md =0.9(1.2M1+1.4M2)，

邊墻內(nèi)側(cè)邊緣處剪力γ0Vd =0.9(1.2V1 +1.4V2 )。

2.4 持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

截面有效高度h0 = (d -c -2.2/2)/100。

（1）砼受壓區(qū)高度

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》 (JTG D62―2004)中5.2.1關(guān)于相對界限受壓區(qū)高度ξb 的規(guī)定: HRB335鋼筋的相對界限受壓區(qū)高度 x≤ξb· h0 。

x =fsd·As/fcd/b

（2）最小配筋率

JTG D62―2004中9.1.12關(guān)于受彎構(gòu)件最小配筋百分率規(guī)定:

ρ =100×As/b/d ，不小于45 ftd/fsd ，同時不小于0.2

（3）正截面抗彎承載力驗(yàn)算

JTG D62―2004中5.2.2關(guān)于受彎構(gòu)件正截面抗彎

承載力計(jì)算規(guī)定:

fcd×b×x(h0-x/2) ≥γ0Md

（4）斜截面抗剪承載力驗(yàn)算

JTG D62―2004中5.2.9關(guān)于抗剪截面驗(yàn)算規(guī)定:

0.51×10-3×fcu ， k 0.5×b×h0 ≥γ0Vd

JTG D62-2004中5.2.10關(guān)于受彎構(gòu)件斜截面抗剪承載力驗(yàn)算規(guī)定：對于板式受彎構(gòu)件，公式可乘以1.25提高系數(shù)，即

1.25×0.5×10-3×α 2×ftd×b×h0 ≥γ0Vd

可不進(jìn)行斜截面抗剪承載力的驗(yàn)算，只需按照

JTG D62―2004中9.3.13構(gòu)造要求配置箍筋。

（5）裂縫寬度計(jì)算

JTG D62―2004 中6.4關(guān)于裂縫寬度驗(yàn)算規(guī)定: 環(huán)境類別為II類環(huán)境，對于鋼筋混凝土構(gòu)件，最大裂縫寬度不應(yīng)超過0.20 mm。

作用短期效應(yīng)組合Ms =1.0M1 +0.7M2 ，

作用長期效應(yīng)組合 Ml =1.0M1 +0.4M2 ，

受拉鋼筋的應(yīng)力(受彎構(gòu)件) σss =Ms/0.87/As/h0，

鋼筋表面形狀系數(shù)C1 ，

作用長期效應(yīng)影響系數(shù) C2 =1+0.5Ml/Ms ，

受力性質(zhì)系數(shù)C3 ，

裂縫寬度：

W f k =C 1 ×C 2 ×C 3 ×σ s s ×(3 0 +d )/ E s /(0.28 +10×ρ ) ≤0.20 mm

滿足規(guī)范要求。

3 箱涵計(jì)算

3.1 計(jì)算資料

需要設(shè)定如下參數(shù)：涵洞設(shè)計(jì)安全結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0 、設(shè)計(jì)荷載等級、布載寬度d0 （m）、

板頂填土高度h0 （m）、土容重γ1 （t）、土的內(nèi)摩擦角α0 （°）、蓋板單側(cè)擱置長度L0 （m）、凈跨徑L1 （m）、計(jì)算跨徑L （m）、涵洞斜交角度α （°）、正標(biāo)準(zhǔn)跨徑L2 （m）、板間接縫長度L3 （m）、橫向鋼筋等級、單側(cè)基礎(chǔ)襟邊總寬b0（m）、洞身長度L4 （m）、蓋板厚度 d （m）、蓋板寬度b （m）。

3.2 恒載內(nèi)力計(jì)算

q 土 =K （系數(shù)） × 土容重× 填土高度，

q 自 = 蓋板容重 × 蓋板厚度 ，

恒載產(chǎn)生的支座剪力V 恒=(q土+q自)×凈跨徑/ 2，

恒載產(chǎn)生的跨中彎矩M 恒=1 / 8 × (q 土 +q 自) ×計(jì)算跨徑/2 。

3.3 荷載計(jì)算

用動態(tài)規(guī)劃法求得設(shè)計(jì)荷載作用下蓋板上產(chǎn)生的最大彎矩和剪力。

最大彎矩M 設(shè)=M 設(shè)×(1+U )=18.30564×(1+ 0)，

最大剪力V 設(shè)=V 設(shè)×(1 +U )=17.14492×(1+ 0)。

3.4 荷載組合

（1）承載能力極限狀態(tài)效應(yīng)組合

Md = 1.2 × M 恒 + 1.4 ×M 設(shè) ，

V 支= 1.2 ×V 恒 + 1.4 ×V 設(shè)。

（2）正常使用極限狀態(tài)效應(yīng)組合

正常使用極限狀態(tài)效應(yīng)組合 短期組合 Msd = M恒 + 0.7 ×M 設(shè) ，

正常使用極限狀態(tài)效應(yīng)組合 長期組合 Mld = M恒 + 0.4 ×M 設(shè) 。

3.5 構(gòu)件計(jì)算

（1）正截面強(qiáng)度計(jì)算

按JTG D62―2004 5.2.2-1和5.2.2-2公式，計(jì)算最小鋼筋截面積As。

由 r0 ×Md< =fcd ×b×x× (h0 -x/2) ，可得x，

由fsd ×As = fcd ×b ×x ，可得As ，

x = 107.9388 <= ξb × h0 ，截面受壓高度符合要求。

根據(jù)需要受拉鋼筋的最小截面積 As ，在涵洞中設(shè)計(jì)的受拉鋼筋的截面積 Ar ，實(shí)際鋼筋截面積 Ar ≥最小鋼筋截面積 As ， 正截面強(qiáng)度滿足要求。

（2）斜截面強(qiáng)度計(jì)算

由JTG D62―2004中 5.2.9計(jì)算：

0.51 × 10-3×sqr(fck) ×b×h0 >r0×Vd

截面尺寸滿足要求。

由JTG D62―2004中5.2.10計(jì)算：

1.25 × 0.5 × 10-3 × a2 ×ftd× b ×h0 < r0×Vd

需進(jìn)行斜截面抗剪承載力驗(yàn)算。

a1 ×a2 × a3 ×0.45 × 10-3 × b × h0 × sqr [(2 +0.6 × P ) × sqr(fck) ×psv × fsv ] =Vcs > r0 ×Vd

斜截面承載力足夠。

3.6 裂縫驗(yàn)算

δss =Msl / (0.87 ×As ×h0 )

Wtk = c1 × c2 × c3×

(δss / Es ) × [(30 + d ) /(0.28 + 10×p )] < 0.2 mm

符合JTG D62―2004 中6.4.2規(guī)定。

3.7涵臺計(jì)算

設(shè)計(jì)荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算，計(jì)算水平土壓力產(chǎn)生的彎矩，涵臺基礎(chǔ)距路面高度H ，破壞棱體長L ，荷載布置寬度為19 m,布載長度為5.5 m,等代土層為4.5 m，則

λ = Tan (45 -Parm .土的內(nèi)摩擦角 / 2) /2

涵臺剪力 Qa =土容重×(蓋板厚度+蓋板距路面高度+等代土層)×λ，

涵臺剪力Qb =土容重×H +等代土層)×λ，

涵臺高度 h1，

支座處的反力：

Ra = (2 ×Qa + Qb) ×h1 / 6 = 72.20216kN,

Rb = (Qa + 2 × Qb) × h1/ 6

最大彎矩發(fā)生位置 Xmax ，最大彎矩 Mmax ，計(jì)算垂直力產(chǎn)生的彎矩與剪力。

蓋板及其之上填土壓力 P1 =填土高×(標(biāo)準(zhǔn)跨徑/2)×土容重+蓋板厚度×標(biāo)準(zhǔn)跨徑/2×蓋板容重 ，涵臺頂部的填土壓力 P2 =填土高×(臺頂寬-蓋板擱置長度)×土容重 ，

涵臺臺帽上部壓力 P3 =蓋板厚度×(臺頂寬-蓋板擱置長度)×涵臺容重 ，

涵臺壓力P4 汽=臺頂寬× Xmax 汽×涵臺容重，

通過上述計(jì)算，得出總剪力 P 、總彎矩 M 、組合總彎矩Mj 、 總剪力Nj 。

4 實(shí)例驗(yàn)證

佛開高速擴(kuò)建項(xiàng)目位置處，汽車荷載等級最高為汽車―20級，凈跨徑L0 =8 m，計(jì)算跨徑L =10 m，蓋板厚d =0.05 m，蓋板寬b =0.3 m，砼強(qiáng)度等級為三級、鋼筋間距為0.4 m，鋼筋軸心抗壓強(qiáng)度fsd =4.2 MPa，路面結(jié)構(gòu)層和填土平均容重γ 2=2，安全結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ 0=3，環(huán)境類別為二類，單側(cè)擱置長度為0.6 m，填土高 H =1.2 m，凈保護(hù)層厚度c =0.5 m，砼軸心抗壓強(qiáng)度 fcd =3.4 MPa，砼軸心抗拉強(qiáng)度ftd =5.8 MPa，鋼筋總面積As =3.3 m2 ，蓋板容重γ 1=1.3 t。

經(jīng)計(jì)算裂縫寬度Wfk =0.56 mm，不滿足Wfk ≤0.20 mm的條件。斜截面抗剪承載力為3.2 MPa，而實(shí)際剪切應(yīng)力的計(jì)算值為3.6 MPa，不滿足安全要求。因此，佛開高速擴(kuò)建項(xiàng)目實(shí)施后，無法保障石油管道的安全，需要增加保護(hù)措施。

5 保護(hù)措施

經(jīng)現(xiàn)場踏勘，并依據(jù)佛開高速擴(kuò)建項(xiàng)目涉石油管道統(tǒng)計(jì)表進(jìn)行現(xiàn)場排查后，輸油管道與高速公路相對位置不足需要采取的保護(hù)措施見表 1。

6 結(jié)束語

對輸油管道采取就地保護(hù)的方式，避免了額外征租地和工程時間過長的問題，可有效避免輸油管道受到外力的影響造成管道變形、破裂等危害。在管道同高速公路相遇中，需要根據(jù)地質(zhì)條件，公路要求等，合理選擇保護(hù)形式。通過蓋板涵和箱涵的計(jì)算方法比較，可以便捷的選出結(jié)構(gòu)種類和結(jié)構(gòu)模式，如有更加精確的計(jì)算模型或公式，望能深入探討。

作者：陳宇紅， 1969年生，本科學(xué)歷，現(xiàn)任中國石化銷售有限公司華南分公司茂名管理處處長，主要從事成品油管道儲運(yùn)的生產(chǎn)安全管理、外管道運(yùn)營管理、儲罐建設(shè)、管道改擴(kuò)建等工作。