清管過程中懸索管橋的動態(tài)載荷分析

錢東輝，邱忠華

（中國石油天然氣管道局管道投產(chǎn)運(yùn)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(guī)格為D 820 mm×11 mm；1978年，前蘇聯(lián)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(dāng)時(shí)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(jié)構(gòu)。

強(qiáng)烈的載荷作用對懸索管橋的危害性極大，易引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、破壞，導(dǎo)致整個(gè)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(xué)性能進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。懸索結(jié)構(gòu)分析理論主要分為連續(xù)化理論和離散化理論，連續(xù)化理論又包括彈性理論和撓度理論[1-3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元分析理論的發(fā)展，逐漸形成了離散化理論，其中以非線性有限元理論應(yīng)用最為廣泛，是目前已有的懸索管橋結(jié)構(gòu)分析理論中較為精確的[4-5]。近些年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對不同類型的懸索管橋進(jìn)行了深入的靜、動力學(xué)研究。馮兆祥對江陰大橋進(jìn)行了靜載實(shí)驗(yàn)分析，獲得了大橋的靜、動力學(xué)特性參數(shù)[6]；H T Chan等人建立了大跨徑高預(yù)應(yīng)力橋梁的有限元模型，并分析了其動力學(xué)特性[7]；郭薇薇等人對風(fēng)荷載作用下大跨度懸索管橋的動力響應(yīng)及列車運(yùn)行安全性進(jìn)行了分析[8]；趙金廣等人應(yīng)用ANSYS軟件建立了懸索管橋的精確力學(xué)模型，進(jìn)行了動載響應(yīng)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(jìn)行了詳細(xì)的動力分析，探討了結(jié)構(gòu)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(xué)有限元模型，采用ABAQUS軟件計(jì)算橋上管道充滿液體及清管器推動液體通過跨越結(jié)構(gòu)時(shí)懸索管橋的應(yīng)力及應(yīng)變等數(shù)據(jù)，獲得了野三河懸索管橋的動態(tài)特性參數(shù)，評估了清管器清管時(shí)該懸索管橋的安全性。

1 野三河懸索管橋結(jié)構(gòu)參數(shù)

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(cè)。野三河懸索跨越主孔跨徑為240 m，兩側(cè)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(guī)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(shè)置一個(gè)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(fēng)穩(wěn)定性，于橋面兩側(cè)分別設(shè)置1根φ 100 mm風(fēng)纜主索，通過間隔5 m、直徑φ 26 mm鋼芯鋼絲繩風(fēng)纜拉索與主梁連接。風(fēng)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(fēng)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(shí)的載荷、撓度和主纜水平拉力；

H0——恒載q及活載p0（x）產(chǎn)生的主索中的總水平拉力；

y——主纜豎向位移。

隨時(shí)間t變化的動力荷載p（x，t）所產(chǎn)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(shí)，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(xiàng)，得懸索管橋豎向振動方程為：

式中m——單位橋長的質(zhì)量；

β——阻尼對數(shù)衰減率。

式中l(wèi)——懸索管橋長度；

Δl——懸索管橋長度微元。

實(shí)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(xiàng)將簡化為線性項(xiàng)，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(shí)管橋的受力情況進(jìn)行分析。

3.1 計(jì)算模型的建立

根據(jù)野三河懸索管橋的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)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(jié)點(diǎn)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(jì)算模型如圖2所示。

圖2 野三河懸索管橋簡化計(jì)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(fēng)纜索與風(fēng)拉索以及風(fēng)拉索與主梁之間均為鉸接，主梁和風(fēng)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(gè)懸索管橋分為12段，分別采用12個(gè)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(yè)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(diǎn)的表示已經(jīng)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(tài)響應(yīng)

泡沫清管器質(zhì)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(shí)的工況。懸索管橋的動態(tài)響應(yīng)如下：

4.1 懸索管橋的應(yīng)力變化

當(dāng)清管器通過管橋中間 （節(jié)點(diǎn)71處，為主梁中點(diǎn)）時(shí)，懸索管橋有最大應(yīng)力 （見圖4），最大應(yīng)力出現(xiàn)在主纜上，為277 MPa；風(fēng)纜索及風(fēng)拉索、主梁上應(yīng)力均小于100 MPa。主纜鋼絲繩的抗拉強(qiáng)度為1 410 MPa，安全系數(shù)取3.5，則許用應(yīng)力為402.86 MPa。由此可見，采用泡沫清管器清管時(shí)最大應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

圖4 懸索管橋應(yīng)力分布/MPa

4.2 懸索管橋的動態(tài)位移

懸索管橋在液體充注管道及清管器推動液體過橋時(shí)產(chǎn)生變形，主梁中點(diǎn) （節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)71垂向位移隨時(shí)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(jié)束語

本文以野三河懸索管橋?yàn)槔瑧?yīng)用ABAQUS軟件分析了泡沫清管器清管作業(yè)時(shí)懸索管橋的動態(tài)特性。模擬計(jì)算表明，當(dāng)泡沫清管器通過懸索管橋中點(diǎn)時(shí)，懸索管橋最大垂向位移為100.8 mm，變形很??；懸索管橋最大應(yīng)力出現(xiàn)在主纜兩端，為277 MPa，遠(yuǎn)小于主纜的許用應(yīng)力 （402.86 MPa），說明在清管過程中主纜是安全的。

[1] 郭永強(qiáng)，崔遠(yuǎn).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(shù)值模擬[J].石油學(xué)報(bào)，2004，25（2）：103-107.

[3]羅喜恒，肖汝誠，項(xiàng)海帆.基于精確解析解的索單元[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，33（4）:445-450.

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

[5]郭棋武.大跨斜拉橋的非線性及可靠性分析[D].長沙：湖南大學(xué)，2007.4-11.

[6]吉林，馮兆祥.江陰大橋動靜載試驗(yàn)與分析 [J].華東公路，2001，（1）:37-38.

[7]H T Chan，L Cuo，Z X Li.Finite element modeling for fatigue stressanalysis of large suspension bridges[J].Journal of sound and vibration，2003，（26）:443-464.

[8]郭薇薇，夏禾，徐幼麟.風(fēng)荷載作用下大跨度懸索橋的動力響應(yīng)及列車運(yùn)行安全分析[J].工程力學(xué)，2006，23（2）:103-110.

[9]趙金廣，錢怡，王文英.基于ANSYS的懸索橋動載響應(yīng)分析[J].路基工程， 2008，（5）:36-37.

[10]錢煒，劉鵬.柔性懸索橋動力特性分析[J].浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2009，21（2）:89-92.