对城市燃气管道架空附桥跨越位置、允许跨距进行了探讨，分析了温度变化对管道的影响，并提出管道热补偿措施，对自然补偿条件下管道采用45°弯头及90°弯头支座反力及二次应力进行了比较。
原标题：城市燃气管道架空附桥跨越的若干问题探讨
1概述
随着城市燃气事业的发展，燃气管道需要通过河流之处越来越多，常用过河方式有穿越河底、管桥跨越及附桥跨越等，其中附桥跨越的方式具有投资省、施工方便、工程周期短、便于日后维护及管理等优点，现已被各地燃气部门广泛地采用。本文根据工程设计实践，对燃气管道架空附桥跨越位置的选择、允许跨距及热补偿等进行了探讨。
GB-《城镇燃气设计规范》规定随桥敷设的燃气管道输送压力不应大于0.4MPa，目前国内大部分城市建成区采用中、低压两级系统供气，其输送压力都在0.4MPa以下，这就给燃气管道架空附桥跨越提供了必要条件。架空附桥跨越的燃气管道一般选用GB/T-《输送流体用无缝钢管》中的20号无缝钢管，其适用温度范围为-20～℃，有着良好的力学性能和焊接性能。燃气管道附桥跨越方式比较灵活，需要根据桥梁的特点进行选择，一个经济合理的技术方案主要有以下三个要素：
①跨越位置合适，方便维护管理；
②燃气管道在允许跨距范围之内；
③热补偿措施合理，管道应力工况良好，且对桥梁结构无不良影响。
2燃气管道架空附桥跨越位置的选择
燃气管道架空附桥跨越位置的选择主要根据桥梁的结构形式确定，一般来讲，有以下几种情形：
（1）利用桥侧预留支架敷设。桥梁在设计、施工时考虑了燃气管道架空敷设位置，利用桥侧预留支架敷设，可降低管道施工难度，减小或避免安装管道支架对桥梁结构的不良影响。
（2）利用桥墩牛腿敷设。燃气管道敷设于桥墩牛腿之上，管道下设管托，利用桥墩牛腿表面预埋钢板作为管托支柱，管托可设计成固定型或导向型。
（3）桥侧补设支架敷设。支架采用植筋螺栓和桥梁连接，螺栓的钻孔位置应避开桥梁预应力钢筋，以防对桥梁结构产生不利影响。此类支架一般设为导向架，当管道需要进行锚固时，应根据管道支座反力，对支架及植筋螺栓强度进行校核，以确保安全。
（4）桥梁人行道盖板下吊架敷设。吊架采用∪型钢结构，可采用角钢、槽钢或厚壁钢板拼焊而成，通常作为导向架。
在选择燃气管道架空附桥跨越的位置时，应结合桥梁的结构形式优先选择方法（1）、（2），如方法（1）、（2）条件不具备，或超出了管道的允许跨距，则应考虑方法（3）、（4）或局部采用方法（3）、（4）。
3管道的允许跨距
允许跨距是指两管架之间的最大允许间距，跨距太小意味着管架数量要增加，会增加工程投资；但如果跨距过大，又会影响到管道自身的安全性。
（1）允许跨距的确定
①强度条件
对于连续敷设、均布荷载的水平直管，支吊架强度条件最大允许跨距按式（1）计算[1]：
式（1）
式中：
Lmax——管道支架最大允许跨距，m；
q——管道单位长度计算荷载，N/m；
W——管道截面系数，cm3。
根据材料力学定义：
式（2）
式中：
Di——管道内径，cm；
D0——管道外径，cm；
Φ——管道横向焊缝系数，按手工电弧焊，取0.7；
[σ]t——钢管许用应力，MPa。
②刚度条件
管道在一定跨距下总有一定的挠度，由管道自重产生的弯曲挠度不应超过支吊架跨距的5‰，通常架空燃气管道可以不设坡度。
对于连续敷设、均布载荷的水平直管，支吊架刚度条件最大允许跨距按式（3）计算[2]：
式（3）
式中：
Lmax——管道支架最大允许跨距，m；
q——管道单位长度计算荷载，N/m；
Et——管道材料在设计温度下的弹性模量，MPa；
I——管道截面二次矩，cm4。
根据材料力学定义：
式（4）
式中：
Di——管道内径，cm；
D0——管道外径，cm。
经过计算比较，常用燃气管道管径较小，其最大允许跨距多由刚度条件控制。常用燃气管道的允许跨距见表1。
表1常用燃气管道允许跨距表
（2）增加管道跨距的常用措施
工程中由于桥梁条件的限制，往往需要增加管道跨距。增加跨距措施主要有：①加大燃气管道的管径及管壁；②在管道局部焊接加强筋板等。[3]
4温度变化对管道的影响及应对措施
（1）管段热胀冷缩量
由于温度的变化，自由运动管段将产生热胀冷缩现象，变化量计算见式（5）：
式（5）
式中：
ΔL——自由运动管段的长度变化量，m；
e——钢管的线性膨胀系数，×10-6m/（m·℃）；
ΔT——温度的变化量，℃；
l———原始管长，m。
（2）两端固定直管段单位应力及产生的力
对两端固定的管道，单位应力与温度之间的关系可用以下两式表示：
式（6）
式中：
ΔΦ——两端固定直管段单位应力，MPa；
E——弹性模量，×MPa。
由温度变化产生力的计算见式（7）：
式（7）
式中：
A——管道的截面积，m2。
按照ASMEB31.8的应力校核条件，由于温度变化引起的热膨胀应力范围不得超过管道材料标准中规定的最小屈服强度的72%，架空附桥跨越的燃气管道，若两端锚固无补偿，可以通过上式计算出管道最大允许温变化值。对于GB/T-中20号无缝钢管，最小屈服强度为MPa，计算出最大温度变化范围如下：
以上说明环境温度变化在82.6℃范围内管道自身是安全的，但由温度变化产生的轴向力会很大，管道将对其两端的固定点产生较大推力。以D×7管道为例，两端锚固无补偿，在温差为50℃的情况下，通过计算管道将会对锚固点产生.8kN的轴向推力，如此大的推力将对管道锚固方式有很高的要求，锚固不当可能会造成管道支架、桥梁结构等的破坏，是管系中的不安全因数，设计时应注意避免。
（3）管道热补偿
为了避免无补偿方式出现的较大轴向推力，附桥跨越燃气管道通常采用以下两种方式对管道进行热补偿：①改变管道走向，通常将管道设计成平面∏型或空间走向结构，利用短臂的位移来吸收热胀冷缩产生的管道变形量；②在管系中安装波纹补偿器，通过波纹管的伸缩来吸收热胀冷缩产生的管道变形量。在条件允许的情况下应优先考虑方法①。
下面以平面∏型自然补偿为例，通过应力计算软件分析管道的受力状况。附桥跨越天然气管道两侧固定，设计压力0.4MPa，设计温度70℃，选用45°及90°弯头，弯曲半径按1.5D，管道高差H=1.5m，L1=L3=3.0m，主跨L2=20.0m/30.0m，管道计算模型如图1及图2。
图中a、f点为固定点，b、c、d、e点为弯单元，计算表明管系一次单元应力工况良好，b、c、d、e点二次单元应力工况较为不利，其中b、e点为最不利点。设计温度下管系a、f固定点支座反力及b、e点二次单元应力规范应力与许用应力百分比（以下简称“百分比”）情况见表2。
表2管道固定支座反力及最不利点二次应力百分比
通过以上结果可以看出，相同L1、L2情况下，两侧固定支座反力情况采用45°弯头是采用90°弯头的1.81～2.68倍，同时最不利点二次单元应力规范应力与许用应力百分比平均高54%，考虑到管道的安全性，规范应力与许用应力百分比一般要求控制在90%以下。D×5管道采用45°弯头，主跨20.0m，总跨26.0m，已经达到管材许用应力的临界点；若采用90°弯头，主跨30.0米，总跨36.0，二次单元应力规范应力与许用应力百分比为54%，仍远低于90%的安全值，由此可见采用90°弯头支座反力及相应的二次应力工况要优于45°弯头，设计中应尽量采用90°弯头，避免采用45°弯头。随着管道管径的增大，管道支座反力会急剧增大，二次单元应力规范应力与许用应力百分比缓慢增大，此种情况可采用空间结构来增加管道的柔性，降低管道自身应力及管道支座的反力，空间走向结构应力分析本文不进行深入探讨。
当燃气管道附桥跨越跨距较大，超过了管道的自然补偿能力，可通过波纹补偿器来吸收管道的热胀冷缩量，补偿器一般选用通用型或压力平衡型，压力平衡型补偿器可以通过自身拉杆来平衡波纹管压力推力。以DN×8管道为例，设计压力0.4MPa，总跨距26.0m，温差50℃，安装时预变形处理。选用通用型波纹补偿器，管道对固定支架的轴向推力为48.0kN；如选用压力平衡型波纹补偿器，管道对固定支架的推力仅为5.2kN。使用波纹管补偿器后，管系的柔性得到了提高，尤其在不适宜设置较大锚固力固定支架的情况下，可优先考虑采用压力平衡型波纹补偿器，以消除管道内压推力对固定支架的作用。波纹管壁厚很簿，是管系中的薄弱环节，选用时应根据厂家产品手册相关要求进行设计和安装。
结语燃气管道架空附桥跨越已经成为燃气公司首选的过河方式，本文通过对燃气管道架空附桥跨越的位置、跨距、热补偿等基本问题进行了分析和研究，提出了一些值得注意的地方，特别是影响到桥梁和管道安全性方面的情况，工程实际中应注意避免。对于架空附桥跨越管道的一些特例，由于不具备普遍性，本文未作分析。
作者：中机国际工程设计研究院黄旭东汪宜文
参考文献：[1]《动力管道设计手册》编写组.动力管道设计手册[M].北京：机械工业出版社，.
[2]张雷，张诚，翟羽.液化天然气架空管道受力分析及设计方法[J].城市燃气，（7）：3~8.
[3]郭立宏.增加独立式输水管道跨距的方法[J].有色冶金设计与研究，（4）：31~33.
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