100 m跨越桁架结构设计.docxVIP

1??工程概况

某输水管线管径为DN?2?200，需跨越U字形河谷，东岸高差为32?m，西岸高差为44?m；线路横穿河面宽度约12?m，水深0.5~1.5?m，由北向南蜿蜒而下，两岸为约2.0?m厚沙壤土质的河漫滩，宽度分别约为22?m、56?m，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2.20?m，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0.1g，设计分组为第一组，抗震设防类别为乙类，基本风压为0.9?kN/m2，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4.5~3.5?m，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5?m，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6?m。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100?m，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26?m、52?m、26?m，矩形桁架截面尺寸为6?m×5?m（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GB?50017—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60?m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140?m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