清管過程中懸索管橋的動態載荷分析

錢東輝，邱忠華

（中國石油天然氣管道局管道投產運行公司，河北廊坊 065001）

0 引言

國外懸索跨越管橋起步較早，如1962年美國密蘇里河跨越，跨度625 m，懸吊兩根D 750 mm的輸氣管道；土庫曼斯坦輸油管道跨越阿姆河的懸索管橋，管橋主跨660 m，管道規格為D 820 mm×11 mm；1978年，前蘇聯的陶里亞蒂至奧德薩氨氣輸送管道，懸索管橋跨度720 m，管徑D 530 mm，為當時的懸索管橋跨越工程之最。近年來，我國在黃河、長江等河流上建起了多座管道懸索跨越結構。

強烈的載荷作用對懸索管橋的危害性極大，易引起結構失穩、破壞，導致整個懸索管橋坍塌，甚至危及相連管道的安全。因此，有必要對懸索管橋力學性能進行理論和實驗研究。懸索結構分析理論主要分為連續化理論和離散化理論，連續化理論又包括彈性理論和撓度理論[1-3]。隨著計算機技術和有限元分析理論的發展，逐漸形成了離散化理論，其中以非線性有限元理論應用最為廣泛，是目前已有的懸索管橋結構分析理論中較為精確的[4-5]。近些年來，國內外許多學者對不同類型的懸索管橋進行了深入的靜、動力學研究。馮兆祥對江陰大橋進行了靜載實驗分析，獲得了大橋的靜、動力學特性參數[6]；H T Chan等人建立了大跨徑高預應力橋梁的有限元模型，并分析了其動力學特性[7]；郭薇薇等人對風荷載作用下大跨度懸索管橋的動力響應及列車運行安全性進行了分析[8]；趙金廣等人應用ANSYS軟件建立了懸索管橋的精確力學模型，進行了動載響應分析[9]；錢煒等人采用非線性的有限元理論，對柔性懸索管橋進行了詳細的動力分析，探討了結構的動力特征值問題[10]。

本文建立了野三河懸索管橋的動力學有限元模型，采用ABAQUS軟件計算橋上管道充滿液體及清管器推動液體通過跨越結構時懸索管橋的應力及應變等數據，獲得了野三河懸索管橋的動態特性參數，評估了清管器清管時該懸索管橋的安全性。

1 野三河懸索管橋結構參數

野三河懸索跨越工程場地位于湖北省恩施市建始縣與巴東縣交界處，在318國道野三河大橋東側。野三河懸索跨越主孔跨徑為240 m，兩側錨跨分別為58 m （西北岸）和34 m （東南岸）。主纜矢跨比1/10，雙根天然氣管道與線路中線平行且對稱布置 （管道規格為D1016 mm×21 mm）。橋面寬4.5 m，主纜中距4 m。沿主纜跨度方向每隔5 m設置一個吊索，單根吊索采用鋼芯鋼絲繩，上端通過索夾與主纜連接，下端通過吊耳與中橫梁 （承重橫梁）相連。為保證橋梁橫向的抗風穩定性，于橋面兩側分別設置1根φ 100 mm風纜主索，通過間隔5 m、直徑φ 26 mm鋼芯鋼絲繩風纜拉索與主梁連接。風纜主索跨度220 m，矢跨比1/11，沿平面呈25°傾角，兩端分別錨固于風纜錨固墩上。懸索管橋總體布置如圖1所示。

圖1 懸索管橋總體布局/m

2 懸索管橋的動力分析方程

懸索管橋的靜力平衡方程為：

式中EI——懸索管橋剛度；

H——主纜在載荷作用下的水平力；

p0、η0、Hp0——分別為靜力平衡時的載荷、撓度和主纜水平拉力；

H0——恒載q及活載p0（x）產生的主索中的總水平拉力；

y——主纜豎向位移。

隨時間t變化的動力荷載p（x，t）所產生的振動撓度和主索水平拉力分別為η（x，t）和Hp（t），且

因此，如果p0=0即為懸索管橋自重作用下的空載情況，Hp0=0。

振動時，加勁梁的動力平衡方程為：

減去式 （1）描述的靜力方程，并略去高階微量Hp0η"和Hpη"項，得懸索管橋豎向振動方程為：

式中m——單位橋長的質量；

β——阻尼對數衰減率。

式中l——懸索管橋長度；

Δl——懸索管橋長度微元。

實際上，Hp（t）的變化是很微小的，可以近似忽略，故取

這樣，非線性項將簡化為線性項，振動方程（4）就簡化為線性方程

3 野三河懸索管橋有限元模型

下面對清管器通過野三河懸索管橋管道時管橋的受力情況進行分析。

3.1 計算模型的建立

根據野三河懸索管橋的結構參數，采用ABAQUS有限元軟件進行建模。懸索管橋主要由主梁、2根主纜、94根吊索組成，主纜、吊索采用T3D2單元 （空間2節點桁架單元），主梁采用B31單元 （三維線性梁單元）。野三河懸索管橋簡化計算模型如圖2所示。

圖2 野三河懸索管橋簡化計算模型

各部件材料屬性如表1所示。

表1 懸索管橋各部件材料屬性

3.2 邊界條件及載荷的施加

主纜與每根吊索之間、吊索與主梁之間、風纜索與風拉索以及風拉索與主梁之間均為鉸接，主梁和風纜索端部固定，主纜兩端x、y、z三軸平動固定。管道自重簡化為均布力。

采用變載荷施加的方法，將整個懸索管橋分為12段，分別采用12個分析步，后一步比前一步載荷遞加 （或遞減）模擬橋上管道逐段充液、清管器推動液柱清管的作業過程，具體施加步驟如表2所示。

表2 變載荷施加步驟

變載荷施加過程如圖3所示。圖中主梁上帶紅色點的表示已經施加載荷部位。

圖3 變載荷施加

4 泡沫清管器清管過橋的動態響應

泡沫清管器質量為54.8 kg，以移動載荷方式施加，分析泡沫清管器清除管段積水時的工況。懸索管橋的動態響應如下：

4.1 懸索管橋的應力變化

當清管器通過管橋中間 （節點71處，為主梁中點）時，懸索管橋有最大應力 （見圖4），最大應力出現在主纜上，為277 MPa；風纜索及風拉索、主梁上應力均小于100 MPa。主纜鋼絲繩的抗拉強度為1 410 MPa，安全系數取3.5，則許用應力為402.86 MPa。由此可見，采用泡沫清管器清管時最大應力在許用應力范圍內。

圖4 懸索管橋應力分布/MPa

4.2 懸索管橋的動態位移

懸索管橋在液體充注管道及清管器推動液體過橋時產生變形，主梁中點 （節點71處）變形最大，其位移曲線如圖5所示。

圖5 懸索管橋主梁上節點71垂向位移隨時間變化曲線

清管器推動液體過橋的過程中，橋主梁的最大垂向位移約為100.8 mm，變形很小。

5 結束語

本文以野三河懸索管橋為例，應用ABAQUS軟件分析了泡沫清管器清管作業時懸索管橋的動態特性。模擬計算表明，當泡沫清管器通過懸索管橋中點時，懸索管橋最大垂向位移為100.8 mm，變形很??；懸索管橋最大應力出現在主纜兩端，為277 MPa，遠小于主纜的許用應力 （402.86 MPa），說明在清管過程中主纜是安全的。

[1] 郭永強，崔遠.懸索橋的初步分析[J].中外公路，2005，25（2）:54-60.

[2]丁浩，李玉星，馮叔初.水平氣液混輸管路清管操作的數值模擬[J].石油學報，2004，25（2）：103-107.

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[4]陳同彥，賈春磊.ANSYS程序有限元結構分析方法在懸索式管橋體系中的應用[J].石油工程建設，2005，31（2）:25-26.

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