新建高速铁路工程是指运营速度达到250km/h以上的铁路系统, 伴随着高铁建设的蓬勃发展, 越来越多的新建高铁车站及区间选择设置在地下, 如于家堡枢纽、长春吉林城际龙嘉站、广深港高铁狮子洋隧道等。目前处在建设阶段的青岛胶东国际机场枢纽工程也是采用地下高铁站房及地下区间形式。

　　 当列车高速通过时, 其表面一定距离的空气将随列车一起流动, 称之为列车风。而在地下车站正线区间运行时, 列车风对周围的气动力一般比地上明线过站时的气动力高1个量级以上。同时地下车站正线区间与地上站或山岭隧道不同, 沿轨行区两侧设置有消火栓给水管道和重力、压力排水管道, 给排水管道通过管道支架固定在结构侧壁上。

　　 本文以青岛胶东机场枢纽高铁地下正线区间给排水管道支架锚栓设计、验算为例, 在青岛新机场列车风专项研究的基础上, 提出考虑风荷载下管道支架及锚栓强度验算方法和加强管道固定提高运营安全措施, 供其他地下高铁项目设计参考。

　　 在青岛新机场下方建设有济青高铁、青岛地铁8号线和市域快线, 其交叉关系如图1所示。高铁车站及区间正线过车时速达250km/h。

　　 高铁地下车站及区间设置有消火栓系统, 通过地下一层消防泵房供水加压, 车站及区间设置消火栓, 正线区间轨行区两侧采用DN150消防管网, 轨行区消火栓只设栓口不设消火栓箱^[1]。

　　 由于车站及两侧轨道区间采用平坡, 根据道床排水沟放坡能力地下二层废水泵房共需设置14座泵站。具体废水泵站位置示意见图2。

　　 在两侧轨道区间各设有2处排水泵站, 排水泵站扬水管沿结构侧壁敷设至车站排风井排出室外。

　　 在车站两端区间均为正线区间, 高铁列车最高以250km/h的速度通过。该处典型的结构横断面及管道布置示意如图3所示。

　　 管道支架是支撑并固定管道的结构, 通过锚栓连接固定到结构侧壁上。进行管道支架的受力分析, 是校核锚栓承受能力, 保证管道固定牢固的基础。管道支架所受荷载主要包括垂直荷载和水平荷载。

　　 区间管道为明装, 垂直荷载为管道、管内水及保温层重力荷载。水平荷载包括横向和纵向两个方向, 正线区间计算管道支架水平荷载时需考虑列车风引起的水平荷载。

　　 管道支架的荷载计算跟管道支架的布置间距有关。之前国内地铁区间管道设计常采用每3 m设1个管支架, 从规范角度并无不妥, 但国内生产的管道单根长一般为6m, 这就造成施工中往往将管支架设于管道1/3处, 在接口两旁不设管支架, 不利控制管接口的变形^[2]。本项目正线区间给排水管道支架布置如图4所示^[3]。

　　 中间支架布置间距不超过2 m, 并在管道接口两侧不超过300mm设置接口支架, 在管道转弯处及垂直安装管段处设置加强型接口支架。

　　 下面以布置间距2 m的水平安装直管段DN200保温管中间固定支架为例进行管道支架设计验算。

　　 参考图集《室内管道支架及吊架》 (03S402) , 管道质量按DN200钢管2 m长度段管道自重、满管水重、60mm厚度保温层重及以上3项之和10%的附加质量计算^[4]。

　　 查表得管道及保温管质量M_管=77.53kg/m, 管内水质量M_水=ρ_水πr²=31.4kg/m, 故管道质量M₀=1.1× (M管+M水) =120kg/m, 每个管道支架承受2m管道质量, 即M=2 M₀=240kg。

　　 管道间距的标准垂直荷载G_标=Mg=2 352N, 管道支架垂直荷载考虑制造、安装等因素, 采用管道支架标准荷载乘1.35的荷载分项系数, 故垂直荷载G=1.35G标=3 176N。

　　 图集《室内管道支架及吊架》 (03S402) 关于水平荷载计算中已说明未考虑风荷载, 为针对安装在室内普通直管段的管道支架计算取值方法。因此对安装在高速列车区间侧壁上的管道还需要考虑最不利条件下列车风对管道支架横向水平荷载的影响。

　　 根据《高速铁路设计规范》 (TB 10621-2014) 8.4.7条规范要求:“隧道内附属构筑物设计应考虑高速列车通过隧道时所产生的压力变化和列车风对附属构筑物结构及安装件的附加受力影响, 设计时应按照最不利情况组合考虑。”该条文解释给出了单洞双线92 m², 250km/h会车情况下, 正峰值压强为3.5kPa, 负峰值压强为-5.4kPa^[5]。

　　 青岛新机场列车风专项研究报告对本工程列车会车时压力变化进行了软件模拟分析, 给出了2车以350km/h时速和250km/h时速会车时, 交会点处的压力变化时程曲线, 如图5所示。

　　 根据模拟计算350km/h下的正压峰值和负压峰值分别为1 796.5Pa和-4 417.5Pa, 250km/h下的正压峰值和负压峰值分别为1 092.5Pa和-2 511.4Pa, 均小于规范所给数值, 故可按照规范中最不利组合情况考虑, 取负峰值压强为-5.4kPa进行计算^[6]。

　　 管道所受横向水平风荷载ω_管道计算见式 (1) ^[7]:

　　 式中ω₀———基本风压, 高铁区间基本风压按高铁规范规定最不利值-5.4kPa;

　　 L———管道跨度, 即两支架间距, 取最大2 m间距;

　　 μ_s1———风荷载体型系数, 管道取0.6;

　　 D———保温后管径, 按保温层厚度60 mm, 管径200mm, 共320mm=0.32m。

　　 计算得高铁隧道管道风荷载在正负风压下, 分别为压向隧道外侧的1 344 N和吸向隧道内侧的2 074N。

　　 支架所受横向水平风荷载计算见式 (2) :

　　 式中μ_s1———风荷载体型系数, 支架取1.3;

　　 S_横———支架横向迎风面面积, 设计所用支架横向迎风面面积为3 031mm²。

　　 计算得ω_支架横=110 N。则横向水平荷载ω=ω管道+ω支架横=2 184N。

　　 参考图集《室内管道支架及吊架》总说明中, 管道水平荷载按垂直荷载的0.3倍计算, 即P_管=953N。

　　 在列车风荷载下对支架形成的纵向荷载见式 (3) :

　　 式中S_纵———支架纵向迎风面面积, 校核设计所用支架纵向迎风面面积为53 750mm²。

　　 地下高铁区间设计管道支架拟采用H型钢, 材质为Q235, HW125*125型, 支架型钢截面如图6所示。

　　 支架长L=0.43 m, 锚栓采用M16模扩底锚栓, 锚固深度100mm。支架设计大样如图7所示。

　　 判定支架在工作中是否安全的衡量标准是支架的许用应力。许用应力是考虑各种影响因素后经适当修正的材料的失效应力除以安全系数, 支架工作时所受到的工作应力不应超过对应的许用应力。

　　 支架末端的拉伸应力σ_拉伸见式 (4) :

　　 式中A———型钢截面积, 查得该型钢参数为30.31cm²;

　　 ω———支架所受横向拉伸水平荷载。

　　 支架末端的弯曲应力σ_弯曲见式 (5) :

　　 式中M_x———沿x轴弯矩, M_x=GL=1 366N·m;

　　 M_y———沿y轴弯矩, M_y=PL=573N·m;

　　 W_x———对x轴净截面模量, 查得该型钢参数为136cm³;

　　 W_y———对y轴净截面模量, 查得该型钢参数为47cm³。

　　 计算固定端最大剪力见式 (6) :

　　 式中S_x———半截面的面积距;

　　 I_x———惯性矩, 查得该型钢I_x:S_x=10.8;

　　 t₁———查得该型钢参数为6.5mm。

　　 计算得τ=50N/mm²。

　　 根据《管道值吊架第1部分:技术规范》 (GB/T17116.1-1997) 规定该型号型钢对应的在-20~20℃之间的拉伸许用应力[σ_拉伸]和弯曲许用应力[σ_弯曲]为83 MPa, 剪切许用应力[τ_max]为66.4MPa。则σ拉伸<[σ拉伸], σ弯曲<[σ弯曲], τ<[τ]。

　　 组合应力校核:σ_拉伸/[σ_拉伸]+σ_弯曲/[σ_弯曲]≤1.0。

　　 设计支架强度可以满足要求^[8,9]。

　　 锚栓验算公式较多, 计算较为复杂, 建议可借助专业锚栓设计软件, 通过输入设计所采用的钢板和锚栓, 及支架受力分析计算得到的支架所受各方向荷载、弯矩等参数, 即可生成锚栓计算书并验算所需锚栓是否满足设计需求, 模型如图8所示。

　　 利用软件验算最不利锚栓抗拉承载力及抗剪承载力结果分别见表1、表2。

　　 可见验算项目荷载均不大于锚栓承载能力。

　　 且拉剪组合验算β_N^1.5+β_V^1.5=0.19^1.5+0.025^1.5<1, 满足要求。

　　 高铁地下正线区间给排水管道支架及锚栓设计需要进行受力分析及验算, 本文只针对水平管道中间支架介绍了验算过程, 在如管道阀门处、管道转弯处及竖向管道的支架设计中建议参考本文所介绍的方法, 进行更加深入的核算研究。

　　 除核算支架及锚栓强度满足要求以外, 鉴于高铁地下正线区间检修不便、环境潮湿、事故危险性高的特点, 建议还需采取以下措施, 保障管道支架及锚栓结构安全。

　　 (1) 锚栓钢材材质为不低于《混凝土结构加固设计规范》 (GB 50367-2013) 中的规定的8.8级钢^[10], 表面采用粉末渗锌外加封闭保护层防腐, 要求渗层厚度不小于50μm, 支架上采用的16钢筋的管箍和所有螺母的防腐要求同上。

　　 (2) 管道与管卡支架连接采用螺栓8.8级, 防松动措施采用双螺母, 要求施工时拧紧螺母的扭紧力矩不小于60N·m。

　　 (3) 管道支架需定期检修, 对松动的螺栓、管道紧固件及保温层不锈钢板咬合连接处等应及时拧紧并修复, 构件的防腐需定期检查, 若出现防腐层有锈蚀现象, 应及时修补。