遇欣 王喜亭

摘要：水管桥，也叫做水道桥或水路桥，以跨越河流和山谷运送水为目的所设置的桥梁，其用途包括：输送上水（自来水）、工业用水、农业用水、下水（污水）等。本文中将对于水管桥的配置计划以及水管桥的配置细节进行描述，并配合日本补刚型水管桥的设计流程加以说明。希望给予我国桥梁设计者和建设者以借鉴，对今后的水管桥设计提供一定的技术支持与设计参考。

关键词：水管桥；补刚型水管桥；环形支持构造；桁架形式

当输水管道遇到河流、山谷时，要管道跨越山谷或河流提供对策时，在现地没有公路桥或铁路桥的情况下，一般大多选择采用建造水管桥作为解决对策。相较于在地下埋设管线，水管桥无论在施工难度、工程造价方面都具有先天优势。当然水管桥也因为裸露在外，会受到空气，雨水的侵蚀。所以，在水管桥建成后对于水管桥的防蚀防锈以及定期维护也是很重要一环。

近年来我国经济的高速增长，西部大开发也是我国的一项基本政策，有鉴于我国西部一些地区多山的地貌形态，笔者认为对于水管桥的设计建造需求有可能上升。

1用语的定义

（1）水管桥：按种类可分为独立水管桥、添架水管桥。

（2）独立水管桥：指专为输水配线而设置建造的水管桥，按构造形式又可分为直通型水管桥、补刚型水管桥、添架专用桥。

（3）添架水管桥：指添架在既有的道路桥上来实现输水功能的水管桥。

（4）补刚型水管桥：指三角形的桁架构造形式水管桥。用比较细的管材在水管桥中，作为上弦材，下弦材一般采用中小口径通水管材，从而有效利用通水管的特性。

（5）環形支持构造：水管桥上对于水管的支撑支撑构造。

（6）桁架形式：一种由杆件彼此在两端用铰链连接而成的结构。

2调查与计划

2.1调查

（1）输水配线计划

输水配线计划，一般来说我们通过结合规划路线选项，选用较为经济的路线来确定水管桥的大略规划路线。除了需要对桥梁的架设用地及施工时对公共交通的影响程度进行一般性调查之外、还需要对以下Ⅱ项目中的各项调查结果综合考虑来决定最佳，最有利的架设位置。除此之外，通过计算确定输水管的管径、流速、管内压，也能得到水管桥设计的必要条件。

（2）地形的踏勘、测量

在架设位置的周围进行现场地形的调查。测量，是根据水管桥的规模，以暂定的测量基准点在架设地点附近进行测量。据此绘制对设计和架设十分重要的平面图和纵断图。

（3）地质调查

对地盘的性质、构成、地下水位、地盘耐力进行调查，确定下部构造的位置、桥梁基础工程以及施工方法选定，并在此基础上来决定桥长和跨径。此外，还应该根据地盘调查的结果、地盘的固有周期进行耐震设计。

（4）气象调查

对桥梁架设地域的风速、降雨、积雪、气温等进行调查，并据此选定设计条件、材料选定、施工方法及施工时间。

（5）河川概况调查

在对河流的流量、流速、水位、流向、航行船只、漂浮物状况及水利设施做充分调查后，得到决定跨径和下部构造位置、高度、形式的重要参考条件。同时，在设计的也必须严格遵守国家有关河流管理的相关法律法规。

（6）桥梁架设地域固有问题及其他

调查架设地点附近的道路状况、地震、地盘错动、发生洪水的概率和规模等，作为桥梁计划的参考条件。

2.2计划

在水管桥的计划阶段必须要对之前的调查事项进行周密的考量和研讨。再对架桥位置、桥长、跨径分割、采用形式及设计、部件运输、架设、保障等各事项的充分考量的基础之上，订定出在施工造价的经济性上、安全性上、美观性上为最优的设计方案。

3水管桥的构造形式

（1）独立水管桥

构造形式：直通型水管桥、补刚水管桥

补刚水管桥：①法兰补刚式②桁架式（四角桁架，三角桁架）③固定拱式④拱补刚式（板桩横档，洛泽，尼尔森）⑤斜拉桥式

（2）添架水管桥

在既有公路桥，铁路桥桁内或桁外设置支持梁，添架水管的方法就是添架水管桥的形式。

（3）形式选定

根据现地调查得出的条件结合以上构造形式特点，选择水管桥形式。

4载荷的考虑

水管桥的载荷分为主要载荷和次要载荷。主要载荷其中又有，管内压（静水压）、钢材自重、水重、积雪载荷。其中水重的算出原则上应该假想成管内是满水的情况，根据输水要求的不同也可以采用半充水状态的水重进行计算。在流体是水以外的情况下，必须通过流体的单位体积重量计算得出。

次要荷重包括风载荷、温度变化量、地震载荷、通行载荷、外部压以及水的冲击载荷。

同时选择其中最不利的载荷要素，进行叠加载荷计算也是需要着重考虑的。例如：Ⅰ.主要载荷、Ⅱ.主要载荷+温度变化影响、Ⅲ.主要载荷+主要载荷+温度变化影响+地震载荷等情况。

5钢材材料

由于日本的JIS标准与我国GB标准不同，在这里暂不详细说明。原则上应该采用与我国实际情况相符合的符合国家标准的钢材材料进行建造。

6许容应力度

许容応力度的包括主要部材，补刚材的许容应力度、接合用钢材的许容应力度的、焊接部的许容応力度以及许容应力度的增补。以上要素需要根据设置水道桥的实际情况，参考「日」《水管桥设计基准》一书得出。

7挠度的容许值

虽然作用于水管桥的载荷，除了其自重和管内水重之外的类似于钢制公路桥，铁路桥上由于车辆通行或行人通行所产生的活载荷基本可以忽略不计。但是，为了确保由变形产生的二次应力不对水管桥的安全性造成威胁，保证水管桥的全体刚性，我们就要设定其挠度的许容值。许容值的确定公式如下。直通型水管桥L/350、法兰补刚形式L/350、桁架形式L/500、拱补刚形式L/500、斜拉桥形式L/400。L为跨径长（m）。

8部件及构造、焊接部的关联事项

需要考虑和设计的事项包括，钢材的最小板厚，是否采用补刚材，格点部的分歧连接及其构造，单一钢管部件，有效压弯长，部件的细长比，反挠度计算，焊接接口的设计，高力螺栓及摩擦连接的设计，螺栓中心距离，螺栓中心距边距离和螺栓接合面的处理等。以及当水管桥采用吊桥或斜拉桥的形式时，缆线类型的选择、缆线杨氏模量的选择、缆线的许容值选用、缆线的固定及防腐蚀处理。除此之外，有可能在使用到的构造还包括，伸缩可挠管、空气阀门、检查升降孔、通路、防攀越栅栏、落梁防止构造。都需要设计者根据水管桥设计的实际情况进行设置。

9支撑部件

支撑部件的形式分为：环形支持构造形式以及鞍座支持构造形式，其二者存在很大的差别。环形支持支撑是将环形支撑直接与钢管部件焊接，以起到补强和支撑的作用；鞍座支持支撑是将钢管部件置于其上起到支撑作用的。独立水管桥一般采用环形支撑；而添架水管桥一般采用鞍座支持支撑。

由于支撑承载了把上部工构造载荷传递到下部构造的重要功能，是桥梁构造中非常重要的部分。因此，设计时需要考虑设计荷载、移动量、转动量及转动方向、摩擦系数、支撑的特性。同时也需要在保证支撑的耐用性和经济性的方针下进行详细设计。

10水管桥的设计流程

一、研讨项目：对应力度，压弯长，挠度，倾倒的安全性验证以及上部构造反力的概算。二、应力度验证：圆周方向应力度，管轴方向应力度，轴向力及产生弯矩部材，剪断应力度，合生应力度。三、对压弯长照查计算。四、对挠度照查计算。五、对倾倒的照查计算。六、上部构造反力的算出。七、支撑部设计：环形支持构造设计或者鞍座支持构造设计。

结束语

综上所述，水管桥相较于公路桥、铁路桥的结构相对简单，设计与施工周期也都相对较短。随着我国经济的继续不断推进，相信水管桥的建设在桥梁建设中也是不可缺少的一部分。因此，对于水管桥设计的研究和学习，也是道桥工程中重要的一环。

参考文献

[1]WSP水管桥设计基准（改正4版）.日本水道钢管协会，H11.

[2]道路桥示方书同解说，I共通篇[R].东京：日本道路协会，2012.

（作者单位：大连日中技研有限公司）