摘 要: 以某供熱工程的鋼桁架架空段為例，通過對鋼桁架架空段在設(shè)計(jì)施工中出現(xiàn)的鋼桁架布置形式、補(bǔ)償器的選型和布置形式、鋼桁架的驗(yàn)算、鋼桁橋梁的吊裝以及供熱管道的安裝等要點(diǎn)進(jìn)行羅列和總結(jié)分析，指出鋼桁架架空供熱管線的設(shè)計(jì)和施工中需要綜合考慮各類問題，以確保大管徑輸送高溫高壓供熱介質(zhì)的管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

　　關(guān)鍵詞: 供熱管道;鋼桁架;設(shè)計(jì)施工

　　冬季的霧霾問題已經(jīng)成為我國城市發(fā)展的一個(gè)重大難題，尤其是我國北方城市開始供暖后，霧霾問題更是有增無減。熱電聯(lián)產(chǎn)、長距離大管徑傳輸和集中供熱逐漸成為解決我國北方城市冬季供暖問題的方法。我國北方地區(qū)多處于山地丘陵地貌，平原較少。在長距離大管徑供熱工程中往往受到自然地理環(huán)境的影響，不得不面對山川、河流、高速公路和鐵路等客觀條件的限制。

　　在綜合考慮施工環(huán)境、施工成本和環(huán)境評價(jià)的基礎(chǔ)上，供熱工程也逐漸開始選擇遇水架橋，見山開路的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。在供熱管線的敷設(shè)中以架空敷設(shè)為主，架空管線給設(shè)計(jì)和施工工作都帶來了難度，隨之對設(shè)計(jì)和施工水平也提出了更高的要求[1 - 2]。本文以太古供熱工程架空管線為例，對架空供熱管線的設(shè)計(jì)和施工要點(diǎn)進(jìn)行探討。

　　1 工程概況

　　太古供熱工程為將古交市興能電廠的乏汽余熱進(jìn)行回收處理通過供熱管道傳輸至太原市，經(jīng)過熱泵機(jī)組的換熱，將熱量傳遞至太原市區(qū)的一項(xiàng)供熱工程。該供熱工程全長 37. 8 km，由直埋敷設(shè)段 19. 2 km 和架空敷設(shè)段18. 6 km 組成。其中，架空段分為兩部分，鋼桁架架空段全長 2. 4 km，隧道架空段全長 15. 2 km。全線包括兩個(gè)系統(tǒng)，由 2 供 2 回 4 根 DN1 400 的供熱管道組成。

　　2 鋼桁架架空段基本情況

　　鋼桁架是太古供熱工程最具代表性的單位工程，由于鋼桁架段地處汾河河谷地貌，地形復(fù)雜; 而且現(xiàn)場實(shí)地受到鐵路和高速公路的限制。在選擇施工方案時(shí)，相比較在河底直埋敷設(shè)供熱管道，施工難度較大且施工成本難以得到控制; 且需要四次跨越汾河，一次架空穿越高速，常規(guī)混凝土箱型橋梁現(xiàn)場預(yù)制沒有場地，工廠預(yù)制不具備運(yùn)輸條件，而現(xiàn)場滿樘腳手架則難以實(shí)施。綜合考慮地形地貌、施工難度和施工成本，最終經(jīng)過多次研究討論決定采用修建鋼桁架橋，在橋梁上架空敷設(shè)供熱管線[3 - 4]。鋼桁架橋既可以在空中進(jìn)行拼裝，也可以在地面上拼裝一跨后整體吊裝，這樣既滿足了施工的可行性及便捷性，又便于日后維修保養(yǎng)。

　　3 鋼桁架架空段設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　3. 1 鋼桁架布置形式

　　鋼桁架橋全長 1. 4 km，橋?qū)?12 m，高 5. 8 m。鋼桁架橋由樁基、橋墩、混凝土蓋梁、鋼結(jié)構(gòu)梁和上下腹桿組成。鋼桁架橋設(shè)計(jì)每跨長度分為 19 m，20 m，23 m，25 m，30 m和 55 m 6 種，一般每跨長度采用 25 m。鋼桁架橋的高度以水利部門提供的最大洪水位為依據(jù)，保證在最大洪水位下不淹沒橋面，且根據(jù)河谷最大沖刷深度進(jìn)行樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，保證在河水的沖擊作用下達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命。最終，鋼桁架橋的高度以保證混凝土蓋梁下沿高出河槽底部的高度為標(biāo)準(zhǔn)，一般高度為 8 m ～ 12 m，個(gè)別高度達(dá)到 16 m。

　　3. 2 補(bǔ)償器的選擇與布置形式

　　供熱管線在工作期間要經(jīng)歷升溫升壓和降溫降壓的過程，在升溫升壓期間，管道會產(chǎn)生較大的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，兩種應(yīng)力經(jīng)過疊加后傳遞給固定支架。由于鋼桁架橋的特殊形式，沒有足夠的空間來設(shè)立體積較大的固定支架來承擔(dān)供熱管線在高溫高壓的工作條件下產(chǎn)生的軸向應(yīng)力。在選擇補(bǔ)償器時(shí)，應(yīng)以盡可能減小軸向應(yīng)力為前提，同時(shí)考慮減小鋼桁架梁、混凝土蓋梁和橋墩所承受的荷載，從而考慮選擇在供熱管道運(yùn)行期間不會產(chǎn)生盲板力的方形補(bǔ)償器和內(nèi)外壓平衡式波紋管補(bǔ)償器。

　　對比兩種補(bǔ)償器，方形補(bǔ)償器在安裝時(shí)需在供熱管道中設(shè)置 90°彎頭，過多的 90°彎頭會大面積增加管道的局部阻力; 同時(shí)方形補(bǔ)償器整體尺寸較大，中間的水平臂上需設(shè)置支撐以保證供熱管網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行且不利于在鋼桁架橋梁上安裝，因此鋼桁架上供熱管道選擇布置內(nèi)外壓平衡式波紋管補(bǔ)償器。此外，在供熱管道運(yùn)行期間為盡可能地減小鋼桁架橋上固定支架的受力，采用內(nèi)外壓平衡式波紋管補(bǔ)償器對稱布置的形式，即在一個(gè)固定支架的兩側(cè)分別對稱布置一個(gè)內(nèi)外壓平衡式波紋管補(bǔ)償器。

　　3. 3 鋼桁架驗(yàn)算

　　供暖期間，管道內(nèi)介質(zhì)溫度較高，由于管道內(nèi)外溫差的作用，使得管道發(fā)生熱脹冷縮的變形，管道安裝在支架上，產(chǎn)生對支架的推力; 同時(shí)由于外界溫度的變化，鋼桁架自身也將發(fā)生一定量的形變。為了保證鋼桁架的安全穩(wěn)定，設(shè)計(jì)時(shí)將安裝在混凝土橋墩上的鋼桁架作為自由端，將連接的山體作為固定端，以承受鋼結(jié)構(gòu)支架變形產(chǎn)生的推力。因此，鋼桁架的驗(yàn)算變得尤為重要。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，該工程采用 PKPM計(jì)算軟件對鋼桁架進(jìn)行計(jì)算分析。

　　計(jì)算過程中，將鋼桁架中所有構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)均視為鉸接節(jié)點(diǎn)，根據(jù)不同荷載的組合分布形式進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對鋼桁架中受彎構(gòu)件的強(qiáng)度與穩(wěn)定性、立柱的撓度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，同時(shí)對焊縫連接進(jìn)行驗(yàn)算。對于鋼桁架的變形，根據(jù)計(jì)算公式分別計(jì)算出管道內(nèi)外溫差產(chǎn)生推力引起的桁架變形量和外界溫化發(fā)生的變形量[5]。同時(shí)，利用 MIDAS 數(shù)值模擬軟件建立模型，計(jì)算得出鋼桁架的變形量。將兩者結(jié)果進(jìn)行比較，從而對鋼桁架進(jìn)行驗(yàn)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　4 鋼桁架架空段施工要點(diǎn)

　　4. 1 鋼桁架橋梁的吊裝

　　鋼桁架橋橋高一般為 8 m ～ 12 m 且桁架間設(shè)計(jì) 4 m寬的檢修車道，且施工場地主要在汾河河道內(nèi)，施工場地狹小，不能全面進(jìn)行拼裝和吊裝。根據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)際情況，采用連續(xù)鋼桁架多跨、多工作面同時(shí)組拼，分段吊裝，空中對接安裝的施工方法。

　　首先，根據(jù)鋼桁架整體結(jié)構(gòu)劃分組裝段和吊裝段; 其次，根據(jù)吊裝順序，在橋的一側(cè)對鋼桁架橋的側(cè)弦進(jìn)行臥拼; 再次，對臥拼完成后的側(cè)弦進(jìn)行平轉(zhuǎn)立和剩余桿件的豎拼; 最后，用吊車進(jìn)行整體吊裝。側(cè)弦臥拼: 選擇合適的施工場地，用 H250 mm ×250 mm × 8 mm × 12 mm H 型鋼搭設(shè)臺架，高低差確保在5 mm 以內(nèi); 在搭設(shè)好的臺架上進(jìn)行側(cè)弦的拼裝。側(cè)弦平轉(zhuǎn)立: 臥拼完成后，利用大型吊車將兩側(cè)臥弦進(jìn)行平轉(zhuǎn)立。平轉(zhuǎn)立過程中要準(zhǔn)確定位側(cè)弦平、立面的位置。平面上根據(jù)測量定出準(zhǔn)確安放位置，并做好標(biāo)線。吊裝臥拼至合適位置后進(jìn)行下弦和上弦腹梁的安裝。

　　4. 2 供熱管道的安裝

　　鋼桁架橋上供熱管道分為兩類: 一類是帶支座( 滑動支座、導(dǎo)向支座) 的供熱管道; 另一類是不帶支座的供熱管道。帶支座的供熱管道均安裝在每個(gè)門架的內(nèi)部，不帶支座的供熱管道安裝在兩個(gè)門架之間。鋼桁架橋每一跨的長度不是固定的，但每一根供熱管道的長度是固定的 12. 5 m，同時(shí)管道中還需安裝補(bǔ)償器，這樣往往需要通過增加短節(jié)來保證管道和補(bǔ)償器的精準(zhǔn)安裝。

　　結(jié)合現(xiàn)場施工具體情況，為保證施工質(zhì)量和施工工期，將每一根軸、每一個(gè)門架、每一根供熱管道和每一個(gè)補(bǔ)償器等設(shè)施設(shè)備在電腦上進(jìn)行模擬安裝。電腦模擬結(jié)果確認(rèn)無誤后，對所有的供熱管道進(jìn)行編號，尤其對帶支座的供熱管道的安裝位置、安裝尺寸進(jìn)行進(jìn)一步的核實(shí)，保證所有的供熱管道各項(xiàng)安裝數(shù)據(jù)與電腦模擬結(jié)果保持一致。按照電腦模擬出的安裝順序，根據(jù)編號依次進(jìn)行吊裝，既利于施工質(zhì)量的控制，又助于縮短施工工期。

　　4. 3 供熱管道彎段的處理

　　供熱管道敷設(shè)過程中由于受到地形的限制，不能完全保持直線敷設(shè)。在鋼桁架的供熱管線的敷設(shè)過程中出現(xiàn)多處彎段。彎道處的供熱管道在管網(wǎng)運(yùn)行期間會產(chǎn)生垂直于管網(wǎng)軸線的應(yīng)力，該應(yīng)力將全部由鋼支架承擔(dān)，為保證管網(wǎng)安全平穩(wěn)運(yùn)行，此側(cè)向應(yīng)力必須降低至鋼支架的安全承受范圍內(nèi)。在控制軸向綜合應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力的前提下，該工程根據(jù)實(shí)際情況采用供熱管道逐步過渡的布置形式，將彎段變緩，角度變大，逐步減小側(cè)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力。

　　在大曲率彎管的兩端分別焊接 1 m 長的直短管，以便與兩側(cè)導(dǎo)向支座的 6 m直管道進(jìn)行焊接，將彎段的度數(shù)變大，將急彎過渡為緩彎，通過設(shè)置在導(dǎo)向支座上的側(cè)向擋板發(fā)揮限位的作用，逐步減少供熱管道的徑向位移和支架受力，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在供熱 管 道 彎 段 吊 裝 施 工 期 間，由 于 角 度 的 影響，吊裝的管道不能很好的水平對正，使管道呈現(xiàn)豎直方向上的起伏。在管網(wǎng)的運(yùn)行期間，供熱管道會隨著介質(zhì)的流 動 發(fā) 生 位 移，可 能 在 起 伏 處 產(chǎn) 生 應(yīng) 力 集中，焊縫受到的壓力增大，可能發(fā)生泄漏或管道偏轉(zhuǎn)等影響安全平穩(wěn)運(yùn)行的安全事故。

　　為了杜絕類似情況的發(fā)生，首 先 在 吊 裝 初 期 就 要 做 好 材 料 的 準(zhǔn) 備 工作，對彎管的安裝角度進(jìn)行標(biāo)注，安裝期間嚴(yán)格按照標(biāo)注的角度進(jìn)行統(tǒng)一安裝; 其次不能將彎管當(dāng)作死口單獨(dú)焊接，應(yīng)在彎頭兩側(cè)分別焊接若干根供熱直管，且確保供熱直管與支座連接緊密，以保證彎管處不因自重發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

　　5 結(jié)語

　　1) 長距離大管徑供熱工程，受地形、地貌、施工周期和施工成本影響較大，同時(shí)供熱管道對安裝精度要求較高，造成安裝難度較大，必須采取合理有效的設(shè)計(jì)方案和施工措施，以確保工程順利實(shí)施。2) 鋼桁架架空供熱管線的設(shè)計(jì)和施工需要綜合考慮各類問題，以確保大管徑輸送高溫高壓供熱介質(zhì)的管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

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　　作者簡介: 武 斌(1989 - )，男，工程師，從事供熱運(yùn)行管理工作武 斌