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算方法比較，可以便捷的選出結構種類和結構模式。結合佛開高速公路擴建對成品油管道安全性的影響進行實例計算，采取蓋板涵等保護措施以保證管道安全運行。

關鍵詞： 高速公路；輸油管道；相遇；保護方式；計算方法

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伴行敷設。管徑為一般地段φ 406.4×7.1 mm、穿越地段φ 406.4×9.5 mm，設計壓力均為10.0 MPa，管道材質為L415，螺旋縫埋弧焊鋼管，采用加強級雙層熔結環氧粉末（加強級DPS）外防腐層加強制電流陰極保護，運行壓力7.0 MPa，管道沿線有一條12芯光纜伴行敷設。因高速公路在原址擴建，造成輸油管道與高速公路安全距離不足和被占壓，需采取相應的保護措施。

1 輸油管道保護類型

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

圖 1  蓋板涵和箱涵示意圖

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

圖 2  蓋板涵和箱涵的優缺點示意

（2）蓋板涵是靜定結構，適宜于地基承載力較好的地方；箱涵是多次超靜定結構，結構穩定性好，適宜于地基承載力較弱處。

（3）箱涵造價比蓋板涵高。

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

（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）蓋板涵可以預制蓋板進行安裝，施工簡單，箱涵適合整體預制，整體現澆和頂進，施工工藝復雜。

2 蓋板涵計算

根據《公路圬工橋涵設計規范》 (JTG D61―2005)中7.0.6關于涵洞結構的計算假定：蓋板按兩端簡支的板計算，可不考慮涵臺傳來的水平力。

2.1 計算資料

需要設定如下參數：汽車荷載等級、凈跨徑L0（m）、計算跨徑L （m）、蓋板厚d （m）、蓋板寬b（m）、砼強度等級、受力主筋、鋼筋間距（m）、鋼筋軸心抗壓強度fsd （MPa）、路面結構層和填土平均容重γ 2(t)、安全結構重要性系數γ 0、環境類別、單側擱置長度（m）、填土高H （m）、凈保護層厚度c （m）、砼軸心抗壓強度fcd （MPa）、砼軸心抗拉強度ftd （MPa）、鋼筋總面積As (m2)、蓋板容重γ 1(t)。

2.2 外力計算

（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《公路橋涵設計通用規范》 (JTG D60―2004)中4.3.4規定：計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。當幾個車輪的壓力擴散線相重疊時，擴散面積以最外面的擴散線為準。又據4.3.1關于車輛荷載的規定：

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°，

假設車輪重為P ，則車輪重壓強p 為

p =P/（La·Lb）

2.3 內力計算及荷載組合

（1）由永久作用引起的內力

跨中彎矩M1 =(q+g)·L2 /8，

邊墻內側邊緣處剪力V1 =(q+g)·L0 /2。

（2）由車輛荷載引起的內力

跨中彎矩M2 =p·L2·b /8，

邊墻內側邊緣處剪力V2 =p·L0·b /2。

（3）作用效應組合

JTG D60―2004中4.1.6關于作用效應組合的規定：

跨中彎矩γ0Md =0.9(1.2M1+1.4M2)，

邊墻內側邊緣處剪力γ0Vd =0.9(1.2V1 +1.4V2 )。

2.4 持久狀況承載能力極限狀態計算

截面有效高度h0 = (d -c -2.2/2)/100。

（1）砼受壓區高度

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》 (JTG D62―2004)中5.2.1關于相對界限受壓區高度ξb 的規定: HRB335鋼筋的相對界限受壓區高度 x≤ξb· h0 。

x =fsd·As/fcd/b

（2）最小配筋率

JTG D62―2004中9.1.12關于受彎構件最小配筋百分率規定:

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算

JTG D62―2004中5.2.2關于受彎構件正截面抗彎

承載力計算規定:

fcd×b×x(h0-x/2) ≥γ0Md

（4）斜截面抗剪承載力驗算

JTG D62―2004中5.2.9關于抗剪截面驗算規定:

0.51×10-3×fcu ， k 0.5×b×h0 ≥γ0Vd

JTG D62-2004中5.2.10關于受彎構件斜截面抗剪承載力驗算規定：對于板式受彎構件，公式可乘以1.25提高系數，即

1.25×0.5×10-3×α 2×ftd×b×h0 ≥γ0Vd

可不進行斜截面抗剪承載力的驗算，只需按照

JTG D62―2004中9.3.13構造要求配置箍筋。

（5）裂縫寬度計算

JTG D62―2004 中6.4關于裂縫寬度驗算規定: 環境類別為II類環境，對于鋼筋混凝土構件，最大裂縫寬度不應超過0.20 mm。

作用短期效應組合Ms =1.0M1 +0.7M2 ，

作用長期效應組合 Ml =1.0M1 +0.4M2 ，

受拉鋼筋的應力(受彎構件) σss =Ms/0.87/As/h0，

鋼筋表面形狀系數C1 ，

作用長期效應影響系數 C2 =1+0.5Ml/Ms ，

受力性質系數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

滿足規范要求。

3 箱涵計算

3.1 計算資料

需要設定如下參數：涵洞設計安全結構重要性系數γ0 、設計荷載等級、布載寬度d0 （m）、

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

3.2 恒載內力計算

q 土 =K （系數） × 土容重× 填土高度，

q 自 = 蓋板容重 × 蓋板厚度 ，

恒載產生的支座剪力V 恒=(q土+q自)×凈跨徑/ 2，

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

3.3 荷載計算

用動態規劃法求得設計荷載作用下蓋板上產生的最大彎矩和剪力。

最大彎矩M 設=M 設×(1+U )=18.30564×(1+ 0)，

最大剪力V 設=V 設×(1 +U )=17.14492×(1+ 0)。

3.4 荷載組合

（1）承載能力極限狀態效應組合

Md = 1.2 × M 恒 + 1.4 ×M 設 ，

V 支= 1.2 ×V 恒 + 1.4 ×V 設。

（2）正常使用極限狀態效應組合

正常使用極限狀態效應組合 短期組合 Msd = M恒 + 0.7 ×M 設 ，

正常使用極限狀態效應組合 長期組合 Mld = M恒 + 0.4 ×M 設 。

3.5 構件計算

（1）正截面強度計算

按JTG D62―2004 5.2.2-1和5.2.2-2公式，計算最小鋼筋截面積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。

根據需要受拉鋼筋的最小截面積 As ，在涵洞中設計的受拉鋼筋的截面積 Ar ，實際鋼筋截面積 Ar ≥最小鋼筋截面積 As ， 正截面強度滿足要求。

（2）斜截面強度計算

由JTG D62―2004中 5.2.9計算：

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計算：

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

需進行斜截面抗剪承載力驗算。

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規定。

3.7涵臺計算

設計荷載作用下的內力計算，計算水平土壓力產生的彎矩，涵臺基礎距路面高度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

最大彎矩發生位置 Xmax ，最大彎矩 Mmax ，計算垂直力產生的彎矩與剪力。

蓋板及其之上填土壓力 P1 =填土高×(標準跨徑/2)×土容重+蓋板厚度×標準跨徑/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，

通過上述計算，得出總剪力 P 、總彎矩 M 、組合總彎矩Mj 、 總剪力Nj 。

4 實例驗證

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

經計算裂縫寬度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，而實際剪切應力的計算值為3.6 MPa，不滿足安全要求。因此，佛開高速擴建項目實施后，無法保障石油管道的安全，需要增加保護措施。

5 保護措施

經現場踏勘，并依據佛開高速擴建項目涉石油管道統計表進行現場排查后，輸油管道與高速公路相對位置不足需要采取的保護措施見表 1。

6 結束語

對輸油管道采取就地保護的方式，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，需要根據地質條件，公路要求等，合理選擇保護形式。通過蓋板涵和箱涵的計算方法比較，可以便捷的選出結構種類和結構模式，如有更加精確的計算模型或公式，望能深入探討。

作者：陳宇紅， 1969年生，本科學歷，現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的生產安全管理、外管道運營管理、儲罐建設、管道改擴建等工作。