懸索跨越管橋結構的靜力及動力特性分析★

謝 丹

(撫州市國防動員事務中心,江西 撫州 344000)

在油氣長輸管道建設和水利工程中經常采用跨越管橋結構[1-4]。跨越管橋與懸索結合使用,可以充分發揮其結構優勢,跨徑增大、造型優美、節約造價等優點凸顯,使其在工程設計中廣泛運用[5-8]。咸陽至寶雞天然氣輸送管道工程中多處使用懸索跨越管橋結構,本文以渭惠渠跨越段中采用的懸索跨越管橋為工程實例,運用ANSYS軟件建立了該懸索跨越管橋結構的三維有限元分析模型,通過對該結構進行三種工況下的靜力性能分析,獲得變形和應力分布情況,研究結構受力和變形的安全性,為同類結構的設計提供參考。通過動力特性分析得到懸索跨越管橋結構的各階自振頻率和振型,為下步進行動力響應分析奠定基礎。

1 工程參數

該懸索跨越管橋工程實例中豎向管道兩端之間的跨度為62 m,其中主塔之間的跨度為56 m,主塔高度為7 m,工程實景見圖1。

主塔采用鋼框架結構,鋼框架的立柱和橫梁均采用圓鋼管,立柱尺寸為φ219 mm×6 mm,橫梁尺寸為φ159 mm×6 mm。天然氣輸送管道采用圓鋼管,尺寸為φ720 mm×12 mm。主塔之間懸索失高3.5 m,采用鋼絞線,主塔之間的懸索尺寸為φ350 mm。兩邊拉鎖與水平面成45°,均采用鋼絞線,尺寸為φ300 mm。吊索間距為5.6 m,均采用鋼絞線,尺寸為φ50 mm。懸索、拉鎖及吊索的極限強度均為1 720 MPa。兩吊索之間設置橫梁支撐管道,橫梁采用槽鋼,型號為16a。鋼管及槽鋼屈服強度標準值均為Q235,彈性模量均為2.06×108MPa,密度均為7.9×103kg/m3。懸索跨越管橋結構的剖面圖見圖2。

2 三維有限元模型建立

為了簡化計算,忽略影響計算結果的次要因素,采用以下基本假定:1)假設管道全跨的彎曲剛度和單位長度質量為恒定值;2)吊索軸向變形相對較小,忽略吊索的軸向拉長,即不考慮主索和管道的相對垂直位移[9-12]。

運用ANSYS軟件建立了該懸索跨越管橋結構的三維有限元分析模型。管道、立柱、橫梁均采用ANSYS軟件中的Beam189單元建立,Beam189單元可充分體現鋼梁、鋼柱的受力和變形特征[13-17]。吊索和懸索均采用Link10單元建立,Link10單元模擬索的性能,只可承受拉力,不可承受壓力。該有限元模型共劃分89個單元,包含157個節點。4個立柱與地面約束采用固結,兩邊拉鎖與地面約束也采用固結。吊桿與底部槽鋼橫梁進行自由度耦合,兩者共同變形。懸索管橋的三維有限元模型見圖3。

3 靜力作用分析

本文主要計算以下三種工況下的受力性能:

工況一:預應力+重力。

工況二:預應力+重力+檢修荷載。

工況三:預應力+重力+風荷載。

預應力通過設置索的初應變來施加,預應力取350 MPa,對應主索的初應變為1.67×10-3;重力通過設置各構件的密度和重力加速度來施加,正常工作時考慮管道內充滿天燃氣,天燃氣的重力通過質量單元施加到各個管道節點上;檢修荷載包括工人、焊機等設備自重,約為5 kN,作用在跨中時為最不利的情況;根據該懸索跨越管道所處地理位置,基本風壓取為0.35 kN/m2。

通過有限元軟件進行靜力作用分析,得到三種工況下懸索跨越管橋結構跨中管道節點的最大位移值和主塔塔頂最大位移值,并根據相應最大位移值計算出最大撓跨比和最大層間位移角,計算結果如表1所示。

表1 懸索跨越管橋結構的最大位移

從表1可以看出:

1)工況三(預應力+重力+風荷載)作用下的跨中位移和塔頂位移最大,工況二(預應力+重力+檢修荷載)作用下其次,工況一(預應力+重力)作用下的位移最小;2)三種工況作用下管道的最大撓跨比為1/586,小于規范限值1/200,滿足《公路懸索橋設計規范》[18]規定限值要求。該撓跨比能夠滿足管道正常使用要求,確保管道在傳輸天燃氣的過程中不會因為管道發生較大變形,導致管道開裂,引發燃氣泄露,造成安全事故;3)三種工況作用下主塔的最大位層間移角為1/909,小于規范限值1/300,滿足《建筑抗震設計規范》[19]的要求。

通過有限元軟件進行靜力作用分析,得到三種工況作用下管道和主塔的應力云圖及主索和邊索的軸向應力云圖,如圖4—圖6所示。其中,索為桿單元,只有軸向應力,而管道和主塔為梁單元,有三個方向的應力,本文提取了等效應力。從圖中可以看出:1)管道的最大應力出現在跨中位置,主塔的最大應力出現在立柱與地面連接處;2)邊鎖的軸向應力值大于主鎖,主鎖兩側的軸向應力大于跨中部位的軸向應力。

提取各單元的應力最大值如表2所示。從表2可以看出:1)管道的最大應力在工況二(預應力+重力+檢修荷載)取得,最大值為52.6 MPa,主塔的最大應力在工況三(預應力+重力+風荷載)取得,最大值為122.0 MPa,兩者均小于鋼材屈服強度235 MPa,滿足鋼材的強度要求;2)主索的最大應力在工況二(預應力+重力+檢修荷載)取得,值為390.0 MPa,邊索的最大應力在工況三(預應力+重力+風荷載)取得,值為354 MPa,兩者均小于鋼絞線的極限強度1 720 MPa,滿足鋼絞線強度要求。該結構強度滿足安全要求。

表2 結構的最大應力值

4 動力特性分析

采用分塊Lanczos法對ANSYS建立的懸索跨越管橋結構進行了模態分析[20],提取了計算結果中的前四階振型,如圖7所示。第一階振型為一個正旋半波橫向彎曲振動,第二階振型為一個正旋半波豎向彎曲振動,第三階振型為兩個正旋半波橫向彎曲振動,第四階振型為兩個正旋半波豎向彎曲振動,第五階振型為扭轉振動。根據結構的各階振型,在低頻振動時,其振型主要表現為管道的橫向和豎向彎曲振動,當外界激振頻率較高時,管道的振型還伴隨有扭轉振動。

提取前十階頻率,如表3所示。從表3計算結果可以看出,懸索跨越管橋結構是一種低頻率振動結構,主要是因其結構跨度大、整體剛度小導致。

表3 懸索跨越管橋結構的固有振動頻率

5 結論

本文運用ANSYS軟件建立了懸索跨越管橋結構工程實例的三維有限元分析模型,通過靜力和動力特性分析可以看出:

1)位移控制工況為工況三(預應力+重力+風荷載)作用工況,管道和主索強度控制工況為工況二(預應力+重力+檢修荷載)作用工況,主塔和邊索強度控制工況為工況三(預應力+重力+風荷載)作用工況;2)三種靜力工況下管道的最大撓跨比均滿足《公路懸索橋設計規范》限值1/200要求,滿足管道正常使用要求;3)三種靜力工況下主塔最大層間位移角值均滿足《建筑抗震設計規范》限值1/300要求;4)三種靜力工況下管道、主塔和懸索的材料強度均滿足強度條件要求,在靜力作用下該懸索跨越管橋結構是安全的;5)通過動力特性分析得到懸索跨越管橋結構的各階自振頻率和振型,為下步進行動力響應分析奠定基礎。