基于ANSYS的輸油管道數值分析

信志濤 趙玲 吳明

摘 要：懸索式跨越是長距離油氣輸送的常見形式之一。利用ANSYS有限元仿真分析軟件對混凝土式管道懸索跨越結構進行地震分析。通過對結構的模態分析，獲得混凝土式管道懸索跨越結構前十階固有頻率和振型圖。在模態分析的基礎上，利用時程分析法，對混凝土式管道懸索跨越結構進行了地震反應下的動力響應分析，得到在地震載荷作用下，混凝土式管道懸索跨越結構的位移變化。分析表明，混凝土式管道懸索跨越是一種低頻柔性結構，對地震反應敏感。

關 鍵 詞：懸索結構；模態分析；時程分析；地震反應分析

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1814-03

Abstract： Suspended structure of pipeline is one of oil transportation pipeline forms. Seismic analysis of the structure was carried out by ANSYS. The first ten order frequency and vibration model were obtained by model analysis. The seismic dynamic analysis of suspended pipeline concrete structure was carried out by time-procedure analysis， and displacement change was also obtained. The result shows the suspended pipeline is a kind of flexible structure.

Key words： suspended structure； model analysis； time-procedure analysis； seismic analysis

石油天然氣是我國重要的能源基礎，管橋系統是大中型輸油管道重要的支撐結構，在石油天然氣的輸送過程中扮演著至關重要的作用[1]。管道跨越支撐結構有很多種，在大跨度的輸油輸氣管線中主要以懸索結構和斜拉結構為主。我國是一個地震多發的國家，強烈的地震會對整個輸油，輸氣管線系統帶來絕大的危害，輕則引起管線支撐結構的失穩，局部變形。重則引起管線支撐結構的破壞，甚至坍塌，給國家和人民帶來巨大的損失。

懸索結構是以懸索線纜為主要承重機構的管道支撐結構之一[2]，其主要包含線纜、塔，加勁梁，吊索，固定錨等。混凝土懸索結構因其自身重量大，線纜結構剛度大，在相同跨距的管道支撐結構體系中，對于相同載荷作用下，其變形會比其他管道支撐結構小。混凝土懸索結構的整體抗彎，抗扭轉慣性矩大，其抗風和抗震效果也比其他支撐結構要好。

1 管道懸索結構有限元方法和建模

1.1 管道懸索結構非線性原理

管道懸索結構因其具有大位移，小應變的結構變形特點[3]，因此管道懸索結構是一種典型的柔性結構。管道懸索結構是形變仍然在材料的彈性變形范圍內，其應力與應變仍然滿足庫克定律。但是其應力與位移的關系是非線性的，包括幾何非線性和物理非線性[4]。管道懸索結構的幾何主要變現在線纜的幾何非線性上。結構中橋塔和加勁梁的軸向應力和彎矩的相互作用，結構的大位移效應。另一方面，管道支撐結構的剛度受結構面應力的影響非常大，面應力與管道懸索結構的橫向剛度之間的耦合，表現出另一種非線性形式，即應力剛化。

1.2 1.2有限元建模

某管道懸索結構采用剛勁混凝土加勁梁結構體系，主塔使用標號30混凝土，橫向橋采用型塔結構，索塔間的中心距為120，索塔總高為54 m。預制構件長度為4 m，等于吊索間距。錨錠采用組合式結構體系，下部由9根150 cm的挖孔灌注樁為基礎。主纜采用GB362-64標注鍍鋅鋼絲繩，直徑79 mm，索面中距10.8 m，主纜垂跨比f/L=1/8.全橋共有吊索52對，吊索采用鍍鋅鋼絲繩，直徑39 mm，表面涂防銹漆。

管道懸索支撐結構系統是一個復雜的結構形式，每一部分都有完全不同的屬性和作用，因此在有限元分析過程中，需要采用不同的單元類型。在此模型中，對于懸索，基塔，加勁梁，等分別采用了三維桿單元，三維彈性梁單元以及板殼單元。

由于此結構屬于桿系與梁系系統，所以采用定義每個節點的位置以及單元的連接，采用直接生成法生成此結構的有限元模型，見圖1。

（1）邊界條件

實際工程中的管道懸索支撐結構的邊界條件是相對復雜的，在有限元分析過程中，主要通過固接，鉸接，彈簧等實現。在本論文討論的有限元模型中，塔橋與基礎固接，主纜兩端分別與錨碇固接，加勁梁和縱梁連續地通過塔橋，在橋的左右兩側分別與塔橋鉸接。

（2）懸索跨越結構靜態分析

由上述分析可知，管道懸索跨越結構屬于小應變，大位移結構，對于此種柔性結構需要考慮結構的幾何非線性的特點，懸索跨越結構的形狀與作用在此結構上的外載與內部應力息息相關，以非線性方式相互作用滿足結構的穩定與平衡。因此，為了使得結構具有一定的剛度，就需要對其施加一定的預應力，來確保結構的初始平衡狀態。

在ANSYS中，本文通過通用后處理程序POST1的PLOT圖形顯示和LIST數據列表來計算與觀察結果。當舒適應變為左右時候，整個結構的撓度最小，也就是結構的彎曲程度最小，此時結構的跨中位置最大撓度值為0.001 804 m。

上述已經確認初始應變為，然后對其進行模態分析，可得到管道懸索跨越結構各階振動頻率見表1。

從表中計算結果可以發現，管道懸索支撐結構是一種低頻率的振動結構，這是由結構本身大跨度，大柔性和低阻尼的性質決定的。振型圖如圖2到圖5所示。

根據ANSYS 計算出的各階振型可知，低頻率振動時，結構主要表現在橫向彎曲振動；隨著振動頻率的提高，管道懸索結構的振型表現為豎向彎曲振動；隨著頻率的逐漸提高，結構的表現形式不僅為豎向彎曲振動，同時伴有扭轉振動。因此可知，不同的振動頻率對于結構的影響是不同的。

2 管道懸索跨越結構地震時程分析

本文分析的時程曲線采用加速時程曲線[6]，如圖所示，地震波持續10 s，單位為國際單位，地震曲線如圖6所示。

在ANSYS地震時程分析中，由于要考慮整個模型自重的影響，這樣采用連續求解法來處理非線性時程分析中的恒載。這樣得到管道支撐結構加勁梁對稱位置中點節點的位移時程反應曲線如下圖7示。

從圖中我們可以看出，管道懸索跨越結構隨著地震波的持續呈現劇烈上下位移運動。從圖中可以看出，當地震持續到1.2 s時，此節點最大Y軸負向位移為-4.0 cm當地震持續到7.4 s時此節點最大Y軸正向位移為4.32 cm。因此在管道. 懸索跨越結構設計中，應把該部位結構進行重點設計。

3 結 論

（1）管道懸索跨越結構是一種低頻率柔性跨越結構，其基礎頻率為0.539 04，因此地震反應非常敏感。

（2）對于這種高柔性管道懸索跨越結構，其地震反應的大小，起決定性的因素為輸入地震波的頻譜特征，其低頻成分越高，結構反應越加劇烈。

參考文獻：

[1] 署恒木，鄧翊華，閻慶華. 懸索管道跨越結構靜動態有限元仿真[J]. 佳木斯大學學報： 自然科學版，2009，27（3）：330-333.

[2] 王世圣，張宏. 大跨度懸索橋管橋風振響應分析[J]. 油氣儲運，2003，22（1）：27-29.

[3] 左雷彬，馬紅昕，鐵明亮，等. 油氣管道斜拉索跨越設計[J]. 油氣儲運，2015，34（9）：1010-1014.

[4] 鄧翊華. 大跨度懸索式管橋靜動態分析[J]. 油氣儲運，2010，29（5）：342-345.

[5] 鄧翊華. 野三河大型懸索跨越結構的受力分析及優化計算[D]. 中國石油大學（華東），2009.

[6] 高建，王德國，何仁洋，等. 基于 ANSYS 的懸索跨越管道地震時程響應分析[J]. 西南石油大學學報（自然科學版），2010，32（1）：155-159.