本问选自核心级期刊《油气田地面工程》 。《油气田地面工程》创刊于1978年，国际、国内连续出版物号分别为ISSN 1006-6896、cn 23-1395/TE。《油气田地面工程》由中国石油天然气集团公司主管，大庆油田有限责任公司主办，大庆油田工程有限公司(大庆油田设计院)承办，是经国家科学技术部和国家新闻出版总署批准出版的国内外公开发行的技术类石油科技期刊。
摘要：针对目前天然气应用的普及，管道穿越江、河工程也相应增多。穿越江河等水域的方式也有多种。但是，在有已建成桥梁的地区，条件允许的情况下管道随桥敷设相对于其它穿越方式，有施工难度与费用低等优点。
关键词：天然气架空管道,自然补偿
1、工程概况
随着天然气的日益普及，各城市天然气管道穿越河流已成为较为常见。其中燃气管道随桥敷设已成为常态。我院在南方某地天然气项目中，其中就运用到燃气管道随桥敷设技术。
该桥总长276.38m，管道直径为DN300。桥梁两端的管道基本对称布置，因此，可以不设固定支架，管道会对两端进行对称变形。
管道布置详见图1。
主要尺寸：AB=3660mm；
BC=15000mm；
CD=1500mm；
DE=22000mm；
EF=1000mm；
AO=2763800/2=1381900mm；
2、设计条件及支架形式
2.1设计参数
天然气重度：082kg/m3；
设计压力：0.4MPa；
最低计算温度：7°C；
最高计算温度：考虑到太阳辐射，取60°C；
2.2支架形式
N1、N2为滚动支架；
G1为固定支架；
桥上中点O为虚拟固定（计算所需），全部为轴向滑动支架。
3、管材选择
根据《城镇燃气设计规范》（GB50028-2006）6.3.10第3条第一款规定以及考虑安全，管材选用D325x8的无缝钢管，材质为20#钢。
4、荷载
管道金属重62.54kg/m，考虑超载系数1.2，计算为荷载73.6kg/m=0.722N/mm
5、管道几何特性
管道外径：D=325mm；管道内径：d=309mm；
管道负偏差：C1=1.2mm；管道腐蚀裕量C2=1mm；
管道计算厚度：δj=δn－（C1+C2）=8－（1.2+1）=5.8mm；
R=162.5mm；
考虑腐蚀裕量与负偏差后的管道内径：d’=313.4mm；
惯性矩IX=π×（D4－d4）/64=3.14×（3254－3094）/64=1000.88×105mm4；
考虑腐蚀后的惯性矩IX’=π×（D4－d’4）/64=3.14×（3254－313.44）/64
=740.6×105mm4；
管道的截面系数Z=Ix/R=1000.88×105/162.5=615926mm3；
腐蚀后的截面系数Z’=740.6×105/162.5=455754mm3；
6、应力计算
20#钢管的许用应力〔σ〕=137MPa；
20#钢管的许用弯曲应力〔σω〕=171MPa。考虑到焊缝系数0.9后应为：
〔σω〕=171×0.9=153.9MPa。
6.1环向应力σ1=PD/4/δj/0.8=0.4×309/4/5.8/0.8=6.7MPa
6.2轴向应力σ’=PD/4/δj=0.4×309/4/5.8=5.33MPa
考虑内压轴向应力后许用弯曲应力〔σω〕=1.25×（137－5.33）×0.9=148.1MPa
6.3跨距产生的应力
以G1 —N1段最大，即N1—D—E最大跨距L=22750mm(EF段可视为一个支柱)，平面转弯跨k=6.5。
σ2=ql2/k/Z’/φ=0.722×227502/6.5/455754/0.9=140.2MPa＜148.1MPa。
6.4桥上管道的轴向应力
（1）桥上全部管道采用滑动支架，详见图2（c）。管道上焊有一块钢衬托板，鞍形托座上衬有一块聚四氟乙烯衬托板，钢板与聚四氟乙烯保持滑动，摩擦系数为0.1，全部摩擦力Pm=1387.5×62.54×0.1=8677.4kg。
（2）桥上DN300管道产生的摩擦应力
σα=Pm×R×9.81/Z’=8677.4×162.5×9.81/455754=30.4MPa
未考虑中间可以抵消，即摩擦力对管道产生的轴向应力较小。
（3）跨距产生的应力
桥上管道跨距为使桥梁受力均匀，按每10米布置一个支点。
σα=ql2/12Z’=0.722×100002/12/455754=13.2MPa
合应力σΣ=30.4+13.2=43.6MPa＜〔σ〕=137×1.25=171MPa。
7、管道补偿计算
桥上管道全长2763.8m，补偿量Δl=2763800×(60－7)×1.2×10-5=1757.8mm。
考虑冷紧，冷紧系数0.63，Δl=1757.8×0.63=1107.4mm。
将总补偿量分为桥两端各自分担一半，即Δl=553.7=554mm。
7.1推力计算
解决X方向的变形由下列几种变形所决定：
由力PX产生的BC段的弯曲变形Δ1（AB段为3660mm，很短，弯曲变形可以忽略不计）。
PX=3EIXΔ1/（LBC）3==3EIXΔ1/110003=EIXΔ1/44367×107（1）
同时，对管道DE段也产生弯曲变形Δ2（CD段中反力PX与AO段的PX相等），PX=3EIXΔ2/（LDE）3=3EIXΔ1/220003=EIXΔ1/354930×107（2）
除了弯曲变形外，PX对BC段产生扭转变形，扭矩分别为PXLBC、PXLDE，其转角φE与φF（φ为弧度），变形Δ=φL（此处L为转轴的长度）。
对OABC段，MP=PXAB，BC段扭转变位（X方向）为（同时剪切模量G=0.81E，Jρ=2IX）：
Δ3=φB×BC=PXAB/G/Jρ=PX×3660×110002/0.381E/2IX
PX=0.762EIXΔ3/44286×107=EIXΔ3/58118×107（3）
对DEF段，DE为力臂，EF段扭转
Δ4=φF×EF=MFEF/GJρ=PX×22000×10002/0.381E/2IX
PX=0.762EIXΔ4/22×109=EIXΔ4/2887×107（4）
同时，Δ1+Δ2+Δ3+Δ4=ΔlX=1758.8/2=879.4mm(未考虑冷紧系数)（5）
解以上（1）~（5）方程得：
Δ1=84.8mm；Δ2=677.4mm；Δ3=111.1mm；Δ4=5.5mm；
从（4）式
PX=EIXΔ4/2887×107=2.06×105×1001.39×105×5.5/2887/107=3961N
即此力作用于固定支架G1处。
7.2应力计算
从前述变形计算看，最大补偿量在DEF，F作为固定点，最大弯矩在EF段。同时在EF段受扭转。固定支架G1既受弯矩也受扭矩的剪切应力。
7.21弯曲应力
在EF段
σω=1.5EDΔ2/（LDE）2=1.5×2.06×105×325×702.72/220002=145.8MPa
考虑冷紧，实际σω=1458.×0.63=91.86MPa＜〔σ〕=148.3MPa，通过。
7.2.2扭矩产生的剪切应力
τ在F点
τ=MF/Zρ=PXDE×162.5/2IX=3961×22000×162.5/2/7651.33×104=92.54MPa。
采用冷紧后τ=92.54×0.63=58.3MPa，通过。
8、管道的冷紧
设计在桥上A、B、C三处同时进行冷紧，冷紧值详见表—1。
冷紧数值表表 —1
施工时管道外壁温度
（°C）7101520253033.5
A冷紧值（mm）-110.3-97.8-77.0-56.2-35.4-14.60
B冷紧值（mm）-220.6-195.6-154.0-112.4-70.8-29.10
C冷紧值（mm）-110.3-97.8-77.0-56.2-35.4-14.60
施工时管道外壁温度
（°C）354045505560
A冷紧值（mm）6.227.147.968.789.5110.3
B冷紧值（mm）12.554.195.7137.4179.0220.6
C冷紧值（mm）6.227.147.968.789.5110.3
注：“ —”表示拉紧，“+”表示推离。A、B、C三点位置见图3。
结语
随桥敷设燃气管道比起管道单独穿越河流，投资节省、施工周期短且管道维护方便等优点。经过几年的运行来看，随桥敷设燃气管道是比较切实可行的。
