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【摘要】论述了中压燃气管道在随桥跨越中采用不同自然补偿形式的适应性问题。重点介绍了基于现场情况多种形式结合进行自然补偿的实际案例，，并采用CAESARⅡ应力分析软件进行模拟计算。
【关键词】自然补偿；随桥跨越；CAESARⅡ模拟；应力
1、概述
中压燃气管采用自然补偿方式跨越河流具有施工成本低，施工简单，周期短，后期维护检修方便等诸多优点，在城市燃气建设中广泛使用。随桥跨越最重要的问题是补偿管道热胀冷缩引起的变形。本文基于工程实例对几种管道自然补偿方式的应用进行比较，并对不同补偿形式的应用优缺点进行归纳。
2、工程实例
某中压燃气管道需跨越某河流，水面宽约1500m，桥梁投影全长约2770m，河道具有通航要求，航运繁忙，不允许采用开挖穿越。该处地处河海交界地带，地质特征以冲积流沙为主，采用定向钻穿越造价高昂。设计中压天然气管径为DN300，拟采用随桥跨越的设计方案。管道选材为D325×8无缝钢管，按照《城镇燃气设计规范》的要求进行各项保护，并按照自然补偿的方案解决管道的热胀冷缩问题。桥形见下图。
2.1管道补偿量
设计最高温度60℃，设计最低温度7℃。
管道最大伸长量：Δ=Lα（t2-t1）=2760000x1.2x10-5x（60-7） ≈1760mm
两端对称布置，理论闭口温度为33.5℃（或采取冷紧施工）。由于桥梁较长，存在上下坡和转弯，受温度、风向等影响，各点的温度情况不一致，推荐闭口温度在27 ～40℃之间，考虑一定余量按照27℃计算，管道补偿量为Δ=Lα（t2-t1）≈1100mm。则各端的补偿量为550mm；（即A点的位移量为550mm）。
2.2现场自然补偿空间
桥梁两侧由于建构筑物限制，没有较多空间进行自然补偿，桥台地面距离管道高差3.6m，桥台下方有4m×24m（轴向×横向）的长方形区域可供利用，管道在两副桥梁中间敷设。此外，该桥梁管理部门不允许在桥梁上设置固定支架。
2.3自然补偿方式选择
管道常见的自然补偿的方式有平面自然补偿和空间自然补偿两种。其中平面补偿方式有“L型直角自然补偿”、“Z形自然补偿”，三种常见的自然补偿方案一般根据现场桥梁结构和空间限制进行灵活选择。
（1）L形直角自然补偿
该类自然补偿方案采用形成补偿短臂l，通过其变形实现自然补偿。
短臂补偿长度超过桥台下可利用空间，采用L形直角自然补偿不适用于本项目。
（2）按照Z形折角弯自然补偿
该类自然补偿采用竖向短臂l吸收变形进行补偿，管道布置见图3。
基于Z形自然补偿所需的短臂长度为20.2m，管道从距离地面高度20m处下桥布置困难。不适用于本项目。
（3）采用空间自然补偿
该类自然补偿形式是利用空间结构的L、Z形补偿形式相结合，利用一定长度的管段变形实现补偿。根据空间补偿校核公式计算本项目需要的管道总长度如下：
计算出L=2852m，两端空间管道补偿臂长平均分配为46m。超过桥台下空间长度总和，不适用于本项目。
（4）基于应力计算的管道自然补偿
按照充分利用桥台下空间进行自然补偿的原则，设计根据桥台下桥梁结构，充分利用位置空间，进行了基于应力计算的复合形式自然补偿结构，通过应力计算要求固定点满足应力和扭矩的要求。F点设置固定墩（入地），CD中点和B点设置滚动支座。
其补偿段的管道布置见图。
1）管道的最大跨距计算：
大于桥下横向最大24m的作业空间，便于支架设置。
根据管道形变所受的应力和补偿臂吸收管段胀冷缩变形。计算出各管段形变量为：
AB段：1.7mm；BC段：47.1mm；DE段：376.9mm；AB段对BC段的扭转变形61.7；EF段对DE段的扭转变形67.5。
根据管段的形变量，计算出最大管段的弹性力为DE管段，其弹性力为：
根据铰的理论，900弯头处跨距应力s2，膨胀应力σ3在DC段的跨中，即22m处的中点：
2.4CAESARⅡ软件模拟校核
建立CAESAR模型时，将桥梁模型简化为水平且两侧对称。桥台下管道布置见图4。模拟结果见图5：
位移最大点位A，位移量为510mm；最大形变管段为DE，形变量为270mm，应力最大点为E；形变最大点为D，与应急计算结果基本吻合。管系最大节点应力占许用应力的51%，应力较小。
CAESAR模拟形变量与计算形变量不一致的主要原因是计算时选取的管道线型膨胀系数不一致，CAESARⅡ中管道线型膨胀量在0～60℃时的线性膨胀量是变量，且取值略小所致。
3、结束语
（1）由以上计案例得出，平面自然补偿结构简单，补偿臂长相对较小，适合桥梁不大，变形位置布置充裕同时管道布置在桥梁两侧的情况；空间自然补偿方式计算出来的补偿臂长度较长，大于L形和Z形平面补偿变形臂长的长度，而且当补偿臂长度超过管道允许跨距后，约束的方式、约束的摩擦系数等对补偿臂的结构形式和形变有较大影响，适合较大型桥梁跨越补偿采用。
（2）采用应力计算和CAESAR模拟，能计算出节点的形变和应力，并通过计算过程中的形变和应力情况来调整管道材料、壁厚、弯头、补偿臂布置形式等方法来改善系统的受力状况。
参考文献
[1]施振球.《动力管道设计手册》.北京：机械工业出版社，2006
[2]唐永进.压力管道应力分析.北京：中国石化出版社，2003
[3]CAESARⅡ-管道应力分析计算软件.北京：北京艾思弗软件公司，2010
作者简介
周勤进（1982- ），男，湖北天门人，工程师，注册设备工程师（动力），本科，研究方向：燃气管道输配、储运设计研究。
【关键词】自然补偿；随桥跨越；CAESARⅡ模拟；应力
1、概述
中压燃气管采用自然补偿方式跨越河流具有施工成本低，施工简单，周期短，后期维护检修方便等诸多优点，在城市燃气建设中广泛使用。随桥跨越最重要的问题是补偿管道热胀冷缩引起的变形。本文基于工程实例对几种管道自然补偿方式的应用进行比较，并对不同补偿形式的应用优缺点进行归纳。
2、工程实例
某中压燃气管道需跨越某河流，水面宽约1500m，桥梁投影全长约2770m，河道具有通航要求，航运繁忙，不允许采用开挖穿越。该处地处河海交界地带，地质特征以冲积流沙为主，采用定向钻穿越造价高昂。设计中压天然气管径为DN300，拟采用随桥跨越的设计方案。管道选材为D325×8无缝钢管，按照《城镇燃气设计规范》的要求进行各项保护，并按照自然补偿的方案解决管道的热胀冷缩问题。桥形见下图。
2.1管道补偿量
设计最高温度60℃，设计最低温度7℃。
管道最大伸长量：Δ=Lα（t2-t1）=2760000x1.2x10-5x（60-7） ≈1760mm
两端对称布置，理论闭口温度为33.5℃（或采取冷紧施工）。由于桥梁较长，存在上下坡和转弯，受温度、风向等影响，各点的温度情况不一致，推荐闭口温度在27 ～40℃之间，考虑一定余量按照27℃计算，管道补偿量为Δ=Lα（t2-t1）≈1100mm。则各端的补偿量为550mm；（即A点的位移量为550mm）。
2.2现场自然补偿空间
桥梁两侧由于建构筑物限制，没有较多空间进行自然补偿，桥台地面距离管道高差3.6m，桥台下方有4m×24m（轴向×横向）的长方形区域可供利用，管道在两副桥梁中间敷设。此外，该桥梁管理部门不允许在桥梁上设置固定支架。
2.3自然补偿方式选择
管道常见的自然补偿的方式有平面自然补偿和空间自然补偿两种。其中平面补偿方式有“L型直角自然补偿”、“Z形自然补偿”，三种常见的自然补偿方案一般根据现场桥梁结构和空间限制进行灵活选择。
（1）L形直角自然补偿
该类自然补偿方案采用形成补偿短臂l，通过其变形实现自然补偿。
短臂补偿长度超过桥台下可利用空间，采用L形直角自然补偿不适用于本项目。
（2）按照Z形折角弯自然补偿
该类自然补偿采用竖向短臂l吸收变形进行补偿，管道布置见图3。
基于Z形自然补偿所需的短臂长度为20.2m，管道从距离地面高度20m处下桥布置困难。不适用于本项目。
（3）采用空间自然补偿
该类自然补偿形式是利用空间结构的L、Z形补偿形式相结合，利用一定长度的管段变形实现补偿。根据空间补偿校核公式计算本项目需要的管道总长度如下：
计算出L=2852m，两端空间管道补偿臂长平均分配为46m。超过桥台下空间长度总和，不适用于本项目。
（4）基于应力计算的管道自然补偿
按照充分利用桥台下空间进行自然补偿的原则，设计根据桥台下桥梁结构，充分利用位置空间，进行了基于应力计算的复合形式自然补偿结构，通过应力计算要求固定点满足应力和扭矩的要求。F点设置固定墩（入地），CD中点和B点设置滚动支座。
其补偿段的管道布置见图。
1）管道的最大跨距计算：
大于桥下横向最大24m的作业空间，便于支架设置。
根据管道形变所受的应力和补偿臂吸收管段胀冷缩变形。计算出各管段形变量为：
AB段：1.7mm；BC段：47.1mm；DE段：376.9mm；AB段对BC段的扭转变形61.7；EF段对DE段的扭转变形67.5。
根据管段的形变量，计算出最大管段的弹性力为DE管段，其弹性力为：
根据铰的理论，900弯头处跨距应力s2，膨胀应力σ3在DC段的跨中，即22m处的中点：
2.4CAESARⅡ软件模拟校核
建立CAESAR模型时，将桥梁模型简化为水平且两侧对称。桥台下管道布置见图4。模拟结果见图5：
位移最大点位A，位移量为510mm；最大形变管段为DE，形变量为270mm，应力最大点为E；形变最大点为D，与应急计算结果基本吻合。管系最大节点应力占许用应力的51%，应力较小。
CAESAR模拟形变量与计算形变量不一致的主要原因是计算时选取的管道线型膨胀系数不一致，CAESARⅡ中管道线型膨胀量在0～60℃时的线性膨胀量是变量，且取值略小所致。
3、结束语
（1）由以上计案例得出，平面自然补偿结构简单，补偿臂长相对较小，适合桥梁不大，变形位置布置充裕同时管道布置在桥梁两侧的情况；空间自然补偿方式计算出来的补偿臂长度较长，大于L形和Z形平面补偿变形臂长的长度，而且当补偿臂长度超过管道允许跨距后，约束的方式、约束的摩擦系数等对补偿臂的结构形式和形变有较大影响，适合较大型桥梁跨越补偿采用。
（2）采用应力计算和CAESAR模拟，能计算出节点的形变和应力，并通过计算过程中的形变和应力情况来调整管道材料、壁厚、弯头、补偿臂布置形式等方法来改善系统的受力状况。
参考文献
[1]施振球.《动力管道设计手册》.北京：机械工业出版社，2006
[2]唐永进.压力管道应力分析.北京：中国石化出版社，2003
[3]CAESARⅡ-管道应力分析计算软件.北京：北京艾思弗软件公司，2010
作者简介
周勤进（1982- ），男，湖北天门人，工程师，注册设备工程师（动力），本科，研究方向：燃气管道输配、储运设计研究。