普光氣田后河懸索跨越索力荷載試驗檢測技術(shù)

楊發(fā)平 劉方檢 龐 斌 劉二喜

中國石化中原油田普光分公司 采氣廠 （四川 達(dá)州 636156）

中國石化普光氣田主體酸氣管線的P201-P301后河跨越始建于2007年8月，采用懸索跨越結(jié)構(gòu)，東岸副跨跨越簡易碎石路，后河是一常年性河流，河谷不對稱。跨越場地處屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，地區(qū)小氣候差異較大，雨量充沛。地面海拔300～900m，相對高差20～200m，地形及地質(zhì)條件非常復(fù)雜。普光氣田H2S摩爾含量平均14.61%，屬于超高含H2S氣田，而且CO2含量也很高，達(dá)到了9.21%；地層水主要為硫酸鈉型，總礦化度在7×104mg/L左右。

近5年的使用可能導(dǎo)致懸索結(jié)構(gòu)腐蝕和疲勞的累積，特別是2010年7月18日發(fā)生的特大洪災(zāi)可能使得懸索橋有不同程度的損傷，比如主索松弛、吊索應(yīng)力過大的不均勻變化等[1]，可能影響懸索橋和酸氣管線的安全運(yùn)行。為保障懸索結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀況良好,確保酸氣管線的安全運(yùn)行，參照SY/T 6068-2008《油氣管道架空部分及附屬設(shè)施維護(hù)保養(yǎng)規(guī)程》[2]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程對其實施檢測與評價，及時發(fā)現(xiàn)隱患，提高管道運(yùn)行的安全可靠性，延長管道的使用壽命。

1 頻率法索力測量原理

索力和索的參數(shù)有一定的關(guān)系，通過測量索的振動頻率就可以計算出它的索力[3]。

利用弦振動理論可得到索力與其自振頻率之間的關(guān)系。在考慮抗彎剛度的情況下，索的動力平衡微分方程為:

w為單位長度索重；g為重力加速度；y為垂直于斜拉索長度方向的坐標(biāo)；E1為索的抗彎剛度；T為索的張力；t為時間。

邊界為鉸支約束時:

L為索長，fn為索的第n階自振頻率，n為振動階數(shù)。若不考慮抗彎剛度的影響，則可得簡化的索力為:

對于某一確定的索，式（3）中的 w、L、g為已知值，如果能精確測定，并確定相應(yīng)的n值，便可求得索力T。在環(huán)境隨機(jī)激勵下，索總會以某幾階自振頻率混合振動，故工程現(xiàn)場測試常采用如下流程:加速度傳感器、電荷放大器、信號分析儀、計算機(jī)計算。加速度傳感器將索振動加速度信號轉(zhuǎn)換成電信號；電荷放大器將電荷信號放大并將噪聲濾去；信號分析儀通過快速傅里葉變換得出功率譜圖；人工將各階頻率輸入計算機(jī)中，通過計算機(jī)事先編好的索力計算程序得出索力。

2 索力檢測與調(diào)整

P201-P301后河跨越結(jié)構(gòu)主跨跨度為175.0m，主索垂度20.0m，橋面設(shè)1m預(yù)起拱，西南岸邊跨跨度27.5m，東岸邊跨跨度44.5m，東岸副跨30m。橋面結(jié)構(gòu)采用薄腹空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)，橋面結(jié)構(gòu)寬約2.5m，高約0.5m，管道通過橋面上的滾動支座擱置在橋面結(jié)構(gòu)上弦面的兩側(cè)。兩岸各設(shè)鋼塔架一座，塔架高度約為25m，采用四柱式錐形鋼塔架。兩岸塔基礎(chǔ)、主索錨固墩、風(fēng)索錨固墩周圍采用鋼絲網(wǎng)圍墻防護(hù)。

2.1 索系設(shè)計

設(shè)計、施工按照有關(guān)規(guī)定[4]，設(shè)計主索型號為PES5-139（JT/6-94），主索錨的錨具可按鋼纜索的型號配用相應(yīng)的類型，即:設(shè)計主索型號為PES5-139（JT/6-94），主索錨頭采用 PESM5-139，直徑 78mm；設(shè)計風(fēng)索型號為:PES5-37，直徑45mm。主索吊索、風(fēng)索拉索均采用Φ16-1670單股鍍鋅鋼絲繩，鋼絲繩兩端采用熱鑄錨頭連接。鋼絲繩采用熱擠聚乙烯防腐，防腐層厚度為5mm。通過專門設(shè)計的夾片與主索、風(fēng)索連接。夾片與主索、風(fēng)索連接時，均在張拉至設(shè)計拉力時進(jìn)行施工。

2.2 主索索力測量

主索共分為3段，主跨區(qū)和東、西兩岸的邊跨區(qū)，主跨區(qū)主索與2個主塔相連，邊跨區(qū)主索兩端分別與主塔和主索錨固墩相連。由于主跨區(qū)主索上連接有吊索無法進(jìn)行測量，因此，利用結(jié)構(gòu)受力平衡的原則，通過測量西側(cè)邊跨處于自由狀態(tài)的主索索力計算出主跨區(qū)主索的索力。主索索力是通過測量其振動頻率，結(jié)合主索的相關(guān)參數(shù)計算得到。主索型號為 PES5-139（JT/6-94），直徑 78mm，主索設(shè)計拉力1473kN。

圖1為主索的振動時域信號，圖2為主索的振動頻域信號。表1為主索索力測量表。

表1給出了主索索力測量結(jié)果。參照GB/T 18365-2001《斜拉橋熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索技術(shù)條件》[5]，主索考慮安全系數(shù)后允許的索力為1823kN,設(shè)計值為1473kN，實測值為1323.5kN和1515.9kN，與設(shè)計值比較接近，與允許值有較大的差值，因此，主索索力有一定的富余。

2.3 吊索索力測量

吊索上部與主索相連，下部與鋼桁架連接，采用Ф16-1670單股鍍鋅鋼絲繩，鋼絲繩兩端采用熱鑄錨頭連接。鋼絲繩采用熱擠聚乙烯防腐，防腐層厚度為5mm。通過專用夾片與主索、風(fēng)索連接。吊索不但傳承著鋼桁架和輸氣管道的重量，而且起著調(diào)節(jié)鋼桁架線型的作用。

表1 主索索力測量表

表2 索力調(diào)整

由于吊索的基頻較低，索力測量采用中國地震局工程力學(xué)所生產(chǎn)的超低頻傳感器，傳感器產(chǎn)生的振動信號通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄，利用專門的頻譜分析軟件通過譜分析得到吊索的振動頻率，結(jié)合拉索的相關(guān)參數(shù)通過計算得到吊索的拉力。

由于吊索屬于柔性構(gòu)件，可以通過環(huán)境激勵或者人工激勵使吊索產(chǎn)生振動，本次測量采用人工激勵方式使吊索產(chǎn)生較大的振動，以便于得到較好的振動信號，減小噪聲干擾，提高測量精度。求得各吊索索力見圖3和圖4。

由圖3、圖4可知，南側(cè)、北側(cè)索力走勢基本一致，且大小差別很小。吊索的索力分布不均，最小為5.22kN，最大索力為38.50kN，參考Ф16鋼絲繩的最小破壞應(yīng)力為156kN，吊索的索力均具有較大的安全儲備。

2.4 風(fēng)索索力測量

主風(fēng)索及風(fēng)系索在南、北兩側(cè)對稱分布，主風(fēng)索兩端固定在風(fēng)索錨固墩上，風(fēng)系索兩端分別與主風(fēng)索和鋼桁架相連。主風(fēng)索設(shè)計風(fēng)索型號為:PES5-37，直徑45mm。主風(fēng)索設(shè)計拉力為250kN。風(fēng)系索采用Ф16-1670單股鍍鋅鋼絲繩，鋼絲繩兩端采用熱鑄錨頭連接。鋼絲繩采用熱擠聚乙烯防腐，防腐層厚度為5mm。求得各風(fēng)索索力見圖5和圖6。

對比圖5、圖6，可以看出對稱風(fēng)索的變化規(guī)律不如吊索的變化規(guī)律規(guī)整，但其值的大小變化不大，風(fēng)索的剛度更小，主風(fēng)索及風(fēng)系索的作用是減小鋼桁架的振動和橫向移動，風(fēng)索可看做一個儲備力，在遇到強(qiáng)風(fēng)作用時可很大程度地抑制鋼桁架的運(yùn)動，保證輸氣管道的安全工作。

2.5 索力優(yōu)化

針對吊索和風(fēng)索索力的測量和現(xiàn)場目測結(jié)果，選擇對松弛明顯的吊索北-36、吊索南-36、風(fēng)索北-9、風(fēng)索北-21、風(fēng)索南-7、風(fēng)索南-10、風(fēng)索南-26 進(jìn)行調(diào)整緊固。表2給出了具體的索力調(diào)整值。通過調(diào)整后，索力均有所增加，吊索和風(fēng)索的松弛現(xiàn)象明顯改觀，使得P201-P301后河跨越吊索系和風(fēng)索系的索力分布趨于均勻。

3 結(jié)論

通過對懸索工程的全面檢測可以得出如下結(jié)論:

（1）跨越工程總體情況良好，處于一個較好的工作狀態(tài)。

（2）主纜索力與設(shè)計索力基本吻合，北側(cè)索力稍低于設(shè)計值，南側(cè)索力稍高于設(shè)計值。

（3）吊索索力分布基本均勻，東塔兩側(cè)南、北側(cè)吊索索力較小，而且均有較大的富余。

（4）風(fēng)纜索力分布不均，而且索力普遍較小。

索力測量是索橋等檢測工作的關(guān)鍵工作，而通過隨機(jī)振動的頻率分析檢測索力是一種簡便有效的方法，檢測速度快、儀器可重復(fù)使用，可供同類結(jié)構(gòu)工程檢測索力借鑒。在需要高精度測算索力時，要考慮索的剛度、垂度和兩端固定方式及阻尼器的介入影響[6]，其振動頻率方法的簡易工程實踐操作需要進(jìn)一步論證。

[1]楊健,董振平,南航,等.鋼桁架懸索橋檢測與評估[J].公路,2010(2):8-13.

[2]SY/T 6068-2002.油氣管道架空部分及附屬設(shè)施維護(hù)保養(yǎng)規(guī)程[S].

[3]宋一凡.公路橋梁結(jié)構(gòu)動力學(xué)[M].北京:人民交通出版社,2001.

[4]趙小磊,李國普.懸索橋動力特性分析[J].科技信息,2010,(17):900-901.

[5]GB/T 18365-2001斜拉橋熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索技術(shù)條件[S].

[6]林順洪.中（下）承式拱橋吊索（桿）系靜張力有限元分析[D].重慶:重慶大學(xué),2002.