基于縮比模型的懸索跨越管橋結構安全性分析研究

王永振 霍思彤 曾維國 林楠 巨萌

1長慶油田分公司第一輸油處

2中國特種設備檢測研究院

管道在經過山川河流等障礙時往往采用穿越或跨越的方案，我國跨越河流的輸油管道在長距離輸油管道工程中占有一定的比例，并且管道跨越結構是長輸管道的薄弱環節，提高其可靠性意義重大。應用大型有限元分析軟件ANSYS 對懸索管橋簡化模型進行模態綜合分析將成為主流，諸多文獻應用ANSYS 針對懸索管橋結構的多種特性開展分析研究，為實際工程設計提供了指導。例如，在懸索式管橋體系中應用ANSYS 有限元結構分析方法，分析管橋主要構件的受力情況和安裝尺寸[1-2]。基于某大跨度懸索管橋設計方案，應用ANSYS 分析軟件中三維有限元模型，對靜力、模態和風振反應、清管反應等進行有限元分析[3-4]。通過分析可獲得顫振臨界風速、耦合作用下索單元剛度矩陣及極端環境下的清管過程，為管道安全運行提供理論依據[5-7]。但是，僅依靠理論計算無法得到可靠結論，需要通過縮比模型開展特定課目研究。

隨著試驗能力提高，開始開展了一些針對實際管橋的縮比力學試驗，以對不同條件下管橋實際的應力狀態變化情況進行研究[8-10]。基于全橋縮比模型的風洞試驗，給出了管橋主梁、大纜、拉索、橋塔和橋墩各構件模型的設計和制作方法，且總結了管橋氣彈模型的相似關系，得到了管橋的風致響應特征。基于管道懸索跨越縮比結構的研究，可為規范修訂和實際工程設計提供更貼近實際的理論依據。本文針對清峪河在役懸索跨越管橋進行了縮比試驗，深入開展了管橋力學性能及鋼索力學分析研究，旨在研究在役懸索跨越管橋結構的安全性，為工程中在役懸索跨越管橋的安全評價提供理論基礎。

1 懸索跨越縮比試驗

為研究不同情況下懸索跨越管橋的變形情況，建立懸索跨越試驗平臺模型，進行不同情況下管道形變模擬試驗。試驗中，分別模擬集中載荷和不同吊索破壞作用下，懸索跨越管橋形變情況，采集各試驗條件下跨越管橋應變情況。參考現有縮比模型研究方法，針對研究管道實際情況，進行模態分析以確定相應試驗條件[11-13]。

1.1 試驗平臺設計

以清峪河懸索跨越為例，根據幾何相似原理，對懸索跨越開展縮比簡化設計，具體相似性設計參數如表1～表3所示。

擬設計懸索跨越試驗平臺跨度33 m、管道內徑40 mm、塔架高2.5 m、主索直徑8 mm、吊索直徑2 mm，采用與實際懸索跨越相同的連接方式。清峪河懸索跨越中吊索67組，間距4 m。根據實際試驗需求，具體設計吊索間距為0.5 m。

表3 試驗臺鋼索計算尺寸Tab.3 Calculation size of the wire ropes in the test bed

試驗平臺連接示意圖如圖1、圖2 所示，其中懸索鋼管段為試驗測試管段，應變傳感器布置在該處進行數據采集。

圖1 試驗環道示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental loop

試驗液體水裝在儲液罐中，經離心泵流入環道入口；水先后流經節流閥1、壓力計、體積流量計、觀察段（透明管）、節流閥2 和回流水管，再到達試驗環道的儲液罐，實現水的循環。

試驗連接的實物圖如圖3 所示。試驗過程中，水由泵增壓后進入試驗環道，選取泵的揚程為20 m，額定流量為20 m3/h。試驗中可通過改變節流閥的閥位來調節流量，鋼管段由法蘭連接，回水段為輸水軟管。根據試驗研究內容，進行不同情況下懸索跨越的應變分析。

圖2 懸索管橋試驗臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of the suspension pipe bridge test bed

圖3 懸索跨越試驗裝置Fig.3 Test device of the suspension pipe bridge

1.2 數據采集

試驗測量參數主要包括：通過鋼管段水的體積流量和壓力、管道的變形、鋼絲索的拉力以及所施加的載荷。水的體積流量由LWGY型渦輪流量計計量，測量范圍2～20 m3/h，精度1級。測得流量后除以管道截面積可以得出水的流速，水的壓力由壓力計測出。

管道的變形由應變儀測出，擬在懸索鋼管段每隔2 m 貼一組應變片（每組2 片，分別布置在管道上方的軸向和橫向），測出整個管段的變形，測量誤差在2.5%以內。選用電阻應變片，應變片布片方案主要考慮測點的應力狀態、構件的受載情況和溫度補償原則。由于懸索跨越管橋主要承受拉、壓載荷，很少受到扭轉載荷的作用，所以選擇在管道上方以軸向和橫向粘貼的布片方式（圖4）。由于懸索跨越對稱性，由管道的中點開始向流動方向每隔2 m選取一組測點，共9組，18個測點。以管道中間點位為0 m，沿著流動方向為正，反方向為負，測點如圖5所示。

圖4 管道應變采集布置Fig.4 Arrangement of strain collection on the pipeline

應變片粘貼時要去除測試點的防腐層，對該處打磨清理，用工具或化學試劑清除貼片處的漆層、銹層等污垢，然后用砂輪打平，再用零號砂紙在試件表面打光，要求表面平整、無銹、無浮漿等。清理好的表面不要立刻貼片，先涂一層凡士林暫作保護，待貼片時去除。試驗過程中，集中載荷通過電子稱測量計算。

1.3 結果分析

本試驗分為10 種工況進行試驗，具體載荷工況如表4所示。

試驗時，管道內流體穩定后，流量為16.34 m3/h，壓力為0.06 MPa。

圖5 測點分布Fig.5 Distribution of the testing points

表4 模擬試驗載荷工況Tab.4 Load case of simulation test

將不同工況下傳感器采集的應變數據進行整理，得到懸索跨越在空載和正常工作工況下的應力對比圖（圖6）。可以發現管道在空載時，應力幾乎為0，主要是因為管道只受重力和吊索力作用，處于平衡狀態。在輸油正常工作工況下，內部介質重力等使管道產生變形，應力增大。由于懸索跨越建造階段，吊索保持豎直，但其張緊程度主要靠人工經驗，吊索受力程度有所不同，管道無法受力均勻，所以測量時管道應力有正負，即存在壓應變和拉應變，此為試驗誤差所致。

圖6 空載和正常工作工況下應力對比Fig.6 Comparison of strains under no-load and normal operation conditions

圖7為懸索跨越在正常工作工況與不同集中載荷工況下的應力對比圖。集中載荷的存在引起了管道形態的改變，產生了較大的應力。從圖7 可看出，管道最大應力發生在管道起點和終點處，當集中載荷在中間處，最大應力在管道內整體較小。當集中載荷作用在管橋兩側1/4 處時，管道最大局部應力較大。

圖7 正常工作工況與集中載荷工況下應力對比Fig.7 Comparison of strains under concentrated load and normal operation conditions

圖8為懸索跨越正常工作工況和吊索破壞工況試驗應力對比圖，其應力變化較小，主要原因為吊索較多，吊索張緊較松，受力較小，因而破壞后對管道工作影響不大。

2 懸索跨越鋼絲繩力學性能分析

以靖咸管道某一懸索跨越為例，進行了懸索跨越鋼絲繩力學性能分析。

圖8 正常工作工況和吊索破壞工況下應力對比Fig.8 Comparison of strains under normal operation and sling damage conditions

2.1 鋼絲繩概況

現場截取了3 條鋼絲繩，主索分別為1#、2#，吊索為3#，1#、2#鋼絲繩為6×37結構，3#鋼絲繩為6×19結構，均為纖維芯（圖9），對鋼絲繩的直徑進行3次測量，結果見表5。

圖9 鋼絲繩編號Fig.9 Numbers of the wire ropes

表5 鋼絲繩直徑測量結果Tab.5 Measurement results of the wire rope diameter

2.2 鋼絲繩拉斷試驗

參照標準GB/T 8358—2014《鋼絲繩實際破斷拉力測定方法》及GB/T 20118—2006《一般用途鋼絲繩》，鋼絲繩的拉伸試驗可在任何拉伸機上進行，拉力達到最小破斷拉力的80%時，速度放慢，直到拉斷。1#鋼絲繩拉斷力為698.4 kN，2#鋼絲繩拉斷力為688.4 kN，3#鋼絲繩拉斷力為46.3 kN。

根據標準GB/T 20118—2006，鋼絲繩的最小破斷力計算方法見式（1）。鋼絲繩測試所得到的破斷拉力大于最小破斷拉力，則該鋼絲繩為合格，反之不合格。

式中：F0為鋼絲繩最小破斷拉力，kN；K′為某一類別鋼絲繩的最小破斷拉力系數；D為鋼絲繩公稱直徑，mm；R0為鋼絲繩公稱抗拉強度，MPa。

由表5測得的直徑數據，假設鋼絲繩的公稱直徑1#、2#為35 mm，3#為10 mm，根據鋼絲繩的斷面結構，查得1#、2#、3#鋼絲繩的K′值均為0.330。

2.3 試驗結果分析

結合上述試驗數據，如果鋼絲繩牌號信息有缺失，在根據實測直徑假設公稱直徑的基礎上，可計算鋼絲繩的最小破斷力。經查閱設計資料，關于靖咸輸油線路王窯加熱站—楊山輸油站所使用的鋼絲繩有如下要求：6×37鋼絲繩應力強度1.55 kN/mm2，6×19 鋼絲繩應力強度1.40 kN/mm2，即1#、2#鋼絲繩強度為1 550 MPa，1#、2#鋼絲繩的最小破斷力經計算為626.59 kN，破斷拉力均滿足標準要求。3#鋼絲繩強度為1 400 MPa，3#鋼絲繩的最小破斷力經計算為46.2 kN，破斷拉力滿足標準要求。

3 結論

通過懸索跨越管橋縮比試驗及懸索管橋鋼索力學分析試驗，對懸索跨越管橋的結構安全性進行了試驗研究。利用縮比模型試驗方法可對在役懸索跨越管橋的力學狀態進行有效模擬，為現場懸索跨越管橋結構的檢測及安全評價提供理論指導。通過研究，得到以下結論：

（1）管道在空載時，應力幾乎為0，主要是因為管道只受重力和吊索力作用，處于平衡狀態。在輸油工況下，內部介質重力等讓管道產生變形，應力增大。

（2）管道最大應力發生在管道起點和終點處，當集中載荷在中間處時，最大應力在管道內整體較小；當集中載荷作用在管橋兩側1/4 處時，管道最大局部應力較大。

（3）論文所述懸索跨越管橋縮比試驗中，當部分吊索被破壞時，管道應力發生變化，但對管道整體結構的可靠性沒有嚴重影響。

（4）通過在役懸索管橋實際鋼索拉斷試驗可知，其表面腐蝕對鋼索內部影響較小，且對鋼索整體力學性能影響不大。

（5）現有懸索跨越結構評價方法中，對鋼索表面腐蝕評價相對保守，需要進一步深入研究以優化評價方法。