龍河跨越懸索管道橋安全性檢測與評估

植海剛,王坤

1.國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司 (北京 100088)

2.中石化重慶天然氣管道有限責任公司 (重慶 408000)

0 引言

運輸管道通過河流和山谷，往往采用架空敷設(shè)的形式，懸索管道橋是一種用來承載石油管道、天然氣管道、水管道等其他管道以跨越河流、峽谷等天然障礙或人工障礙的特殊懸索橋[1-2]。

目前國內(nèi)大跨徑懸索橋大多采用雙塔三跨或單跨的形式，隨著跨徑的增大，主塔、主纜和錨碇的規(guī)模增加，各項拉應(yīng)力和負載形式也迅速增加，工程的安全性顯得尤為重要[3-5]。龍河懸索跨越管道橋于2015年竣工投運，全長311.7 m。懸索跨越結(jié)構(gòu)相對地面管道更易遭自然因素作用的破壞，且一旦破壞修復(fù)難度很大，造成的次生災(zāi)害非常嚴重，在短時間內(nèi)難以恢復(fù)。隨著工況下的外部載荷改變，橋體的受力以及形變情況都將隨之改變。龍河懸索橋已投運使用4年，對于橋梁的安全性檢測以及工況下橋梁狀況的模擬，判斷是否符合標準非常重要[6]。

為此，本文介紹了龍河懸索管道橋的部分檢測內(nèi)容并利用有限元軟件Midas/Civil對龍河大跨度鋼結(jié)構(gòu)懸索橋和雙纜結(jié)構(gòu)體系下靜力學特性進行分析，總結(jié)懸索橋的靜力學特點，分析其具體的承載能力，為工程應(yīng)用提供借鑒。

1 工程概況

龍河懸索結(jié)構(gòu)主纜主跨跨度200 m，主纜邊跨跨度西岸51.6 m，東岸60.1 m，主矢跨比為1/10，風索矢跨比為1/14。兩根主纜采用熱擠聚乙烯平行鋼絲索，主纜索由283根直徑為5 mm環(huán)氧涂層高強鋼絲組成，風纜索由151根直徑5 mm的環(huán)氧涂層高強鋼絲組成，均采用外擠雙層PE防腐。橋面上按5 m間距設(shè)置吊索和風纜拉索，吊索型號為5×13（Φ 22 mm），風拉索型號為5×7（Φ15 mm），均采用單層PE防護。兩岸橋墩處分別設(shè)置鋼橋塔，采用四柱式空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)，塔腳采用鉸支座，橋塔高26 m。橋面采用單層型鋼組合結(jié)構(gòu)，橋面寬2.6 m，兩側(cè)分別設(shè)置0.8 m寬檢修道。懸索錨固于橋面吊架上，每隔5 m設(shè)置一個錨固點。橋面上設(shè)置的天然氣管道設(shè)計壓力10 MPa，管道采用D1016×27 mm直縫埋弧焊鋼管。圖1為龍河跨越懸索橋的工程實際圖。

圖1 龍河跨越懸索橋

2 橋梁安全性檢測

對于大跨越懸索管道橋，結(jié)構(gòu)的部分破壞都將對橋梁產(chǎn)生巨大的危害，因此需要定期對橋梁進行安全性檢測?，F(xiàn)行規(guī)范下安全性檢測內(nèi)容主要包括索力檢測、外觀檢查、混凝土無損檢測、鋼結(jié)構(gòu)無損檢測、涂層劣化檢測以及線形檢測。此部分主要分析橋面的線形檢測以及吊索的索力測試結(jié)果。

2.1 橋面線形檢測

全橋線形檢測是一項重要檢測內(nèi)容。橋梁結(jié)構(gòu)體從成橋竣工到進入運營使用階段后，隨著服役時間的增長，結(jié)構(gòu)線形相比成橋狀態(tài)時會發(fā)生一定的變化。橋面的線形變化能夠反應(yīng)出橋面內(nèi)力變化以及剛度狀況，同時可對橋梁的其他危害產(chǎn)生一定的影響。通常結(jié)構(gòu)線形保持良好，可表征橋梁運行狀況基本良好。

要獲取全橋線形，必須測量整個橋軸線上不同位置處的高程變化。橋面的線形測量采用徠卡NA2自動安平精密水準儀和徠卡TCR1201+R400高精度自動全站儀進行測量。分別在跨越兩岸設(shè)兩測站，在一側(cè)架設(shè)儀器，以另一側(cè)為后視點；測點布置在拉風纜橋面銷軸處，測點布置如圖2所示。單側(cè)橋面共設(shè)置39個測量點。

根據(jù)橋下河流的流動方向可以將懸索管道橋的橋面兩側(cè)方向分為上下游方向，如果上下游兩側(cè)的橋面在相同里程處的高程差距較大或者線形不夠流暢，都有可能使橋梁產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)，從而造成安全性危害。根據(jù)上述方法可以得到如圖3所示的橋面線形測量結(jié)果。從本次橋面實際測量的數(shù)據(jù)結(jié)果圖可知，橋面的實測線形整體流暢，未發(fā)生較大的沉陷、變位，扣除測量誤差等因素的影響，可認為該橋面線形良好。同時上下游兩側(cè)橋面的線形基本一致，相同里程處測點實測高程基本重合，表明上下游主纜受力均勻，與設(shè)計的高程基本相同，說明投運之后仍然有良好的安全性能。

2.2 吊索索力測試

懸索橋的吊索上端通過索夾與主纜相連，下端的錨固在加勁梁上，是聯(lián)系加勁梁和主纜的紐帶。確定懸索橋吊索內(nèi)恒載索力的大小，是確定加勁梁與主纜成橋狀態(tài)真實索形及內(nèi)力的關(guān)鍵因素，因此對于測量吊索中的實際索力尤為重要。

圖2 橋面線行測點布置

圖3 上下游主梁實測高程

對于索力測量常采用頻譜分析法，這種方法利用臨時緊固在索上的高靈敏度傳感器拾取構(gòu)件在環(huán)境激振下的脈動信號，經(jīng)過濾波、放大、譜分析，根據(jù)頻譜圖確定自振頻率，進而求得吊索的索力。分析大橋的實際受力測試結(jié)果，此方法的測試精度可控制在±5%之內(nèi)[7]。索力的計算公式如下：

式中：T表示吊索的索力，kN；W表示單位索長的重量，kg/m；fn表示索的第n階自振頻率，Hz；L表示索的計算長度，m；n表示索自振頻率階數(shù)；g表示重力加速度，m/s2；f表示索自振基頻，Hz。

針對龍河懸索管道橋采用CRAS動態(tài)信號采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行分析處理。經(jīng)分析，得到了圖4所示的東西兩岸吊索索力測試結(jié)果。根據(jù)圖4中數(shù)據(jù)，吊索索力上、下游分布不均勻，相差較大，差值在0～5%之間的占吊索總數(shù)的35.1%；差值在5%～10%之間的占吊索總數(shù)的32.1%；差值在10%～15%之間的占吊索總數(shù)的19.2%；差值在15%～20%之間的占吊索總數(shù)的7.7%；差值百分比超過20%的占吊索總數(shù)的5.1%。吊索實測安全系數(shù)均大于10.0，超過設(shè)計要求4.0，仍然能夠很好地運行使用。

圖4 吊索索力測試結(jié)果

3 龍河懸索跨越管道橋有限元分析

橋梁在投運狀態(tài)下，荷載的變化會對懸索管道橋的撓度以及強度產(chǎn)生影響。由于撓度是評價橋梁健康狀況的重要參數(shù)，而分析橋梁的強度是工程人員進行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、了解結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)以及保證結(jié)構(gòu)安全的一個重要環(huán)節(jié)。因此有必要通過有限元分析軟件進行橋梁的的撓度和強度模擬計算從而判斷安全性。

3.1 不同工況下荷載參數(shù)分析

荷載主要考慮橋上的恒定荷載以及外部施加的可變荷載。

恒定荷載分為一期荷載以及二期荷載。一期荷載包括鋼桁梁及拼接板、扶手、吊索索夾、風拉索索夾的自重，二期荷載即輸氣管道的自重。龍河懸索橋的恒定荷載見表1。

表1 恒定荷載

可變荷載主要包括檢修荷載、冰雪荷載、裹冰荷載、風荷載以及溫度荷載。下面主要分析3種工況下的成橋階段荷載組合：①工況一，永久荷載+氣體介質(zhì)荷載+檢修荷載+使用階段風荷載+溫度荷載；②工況二，永久荷載+氣體介質(zhì)荷載+冰雪荷載+使用階段風荷載+溫度荷載；③工況三，永久荷載+氣體介質(zhì)荷載+裹冰荷載+使用階段風荷載+溫度荷載。

檢修荷載為1.2 kN/m2，冰雪荷載為0.2 kN/m2，裹冰荷載根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》得出，本設(shè)計的基準風速為30.1 m/s。對于溫度荷載來說，其設(shè)計基準溫度20℃，極端最高氣溫43.5℃，升溫23.5℃，極端最低氣溫-2.5℃，降溫-22.5℃。溫度的變化對荷載有一定的影響，所以在進行工況計算時需要分別在工況下考慮升溫和降溫兩種情況。

3.2 參數(shù)選取及模型的建立

依據(jù)設(shè)計圖紙，計算參數(shù)采用施工及制造單位提供的參數(shù)及設(shè)計圖紙上提供的參數(shù)，見表2。

采用Midas/Civil有限元計算軟件進行全橋空間計算，全橋被離散為910個單元，設(shè)定有1 461個梁單元，204個索單元；橋塔主梁采用梁單元，主纜及吊桿采用拉索單元，考慮索的非線性作用；橋塔承臺底固端約束，塔梁鉸接，橫橋向約束。計算模型如圖5所示。

表2 懸索橋主要構(gòu)件參數(shù)

圖5 龍河跨越管道橋200 m懸索計算模型

3.3 強度檢算結(jié)果

將以上分析的荷載數(shù)值施加在懸索跨越管道的有限元模型上，根據(jù)模擬軟件的檢算數(shù)據(jù)，得出該懸索橋成橋階段各個構(gòu)件的最大受力檢算結(jié)果，見表3。其中主纜受到最大應(yīng)力的工況受力如圖6所示。

表3 結(jié)構(gòu)最大受力檢算結(jié)果（工況一）

對于橋梁的應(yīng)力安全性分析，常引入安全系數(shù)。安全系數(shù)的大小是極限應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值，工程認定當安全系數(shù)大于1時結(jié)構(gòu)具有較好的安全性。本橋的主塔以及主梁采用熱軋無縫鋼管桁架式結(jié)構(gòu)，鋼材為Q345C，根據(jù)GB 50017—2017[8]規(guī)定該結(jié)構(gòu)的容許強度為210 MPa，其索系結(jié)構(gòu)的鋼絲標準抗拉強度不小于1 670 MPa。由表3中的有限元分析結(jié)果，將結(jié)構(gòu)最大受力結(jié)果與相應(yīng)結(jié)構(gòu)材料的容許強度對比得到，在3種工況下，主纜最大應(yīng)力為297 MPa，安全系數(shù)為5.6；吊索最大應(yīng)力為119 MPa，安全系數(shù)為14.0；風纜索最大應(yīng)力為176 MPa，安全系數(shù)為9.5；風拉索最大拉力為148 MPa，安全系數(shù)為11.3。通過計算所得到的安全系數(shù)均大于1，材料安全。主塔和主梁的最大拉應(yīng)力為106 MPa，最大壓應(yīng)力為-135 MPa，均小于210 MPa的容許應(yīng)力，計算的安全系數(shù)均大于1。因此從強度驗算結(jié)果可知，龍河跨越懸索橋成橋階段各結(jié)構(gòu)強度驗算均滿足設(shè)計要求。

圖6 受到最大應(yīng)力的工況受力圖

針對該塔頂偏位對主塔受力進行檢算，檢算荷載為：50 mm塔頂偏位（通過水平荷載模擬）+主纜傳遞至塔頂?shù)暮爿d豎向壓力。主塔應(yīng)力計算結(jié)果為：最大拉應(yīng)力37 MPa，壓應(yīng)力為107 MPa，小于材料210 MPa的容許應(yīng)力；安全系數(shù)為2.0，大于1；彈性穩(wěn)定系數(shù)為8.0，大于4.0。主塔在該工況下，受力滿足設(shè)計要求。

3.4 撓度檢算結(jié)果

龍河跨越懸索橋成橋階段的結(jié)構(gòu)位移總體檢算結(jié)果見表4。圖7(a)和(b)顯示了主梁中跨在豎直方向的最大以及最小形變圖。根據(jù)GB/T 50459—2017[9]要求，懸索跨越管道位移校核以跨中撓度最大值作為對比參數(shù)。規(guī)范要求，在永久荷載和可變荷載標準作用下，剛性跨越主梁跨中不應(yīng)大于受彎構(gòu)件跨度的1/400，鋼塔架、桅桿式鋼塔架平面外方向的最大位移不應(yīng)大于塔架高度的1/200。主梁工況下最大豎向位移為-431 mm（工況一、升溫），最小豎向位移為-91 mm（工況一、降溫），撓跨比為431/200 000≈1/464＜1/400，豎向剛度滿足規(guī)范要求；主梁最大橫向位移為379 mm（工況三、升溫），比例為379/200 000≈1/528＜1/400，橫向剛度滿足規(guī)范要求；索塔最大縱向位移為46 mm（向邊跨，工況一、升溫），比例為46/26 000≈1/565＜1/200。根據(jù)以上檢算得到的數(shù)據(jù)，可以認定龍河懸索橋在各工況下的撓度均能夠滿足設(shè)計要求，懸索橋可以在各工況下良好使用。

表4 結(jié)構(gòu)位移檢算結(jié)果 mm

圖7 工況下主梁中跨豎向形變位移圖

4 結(jié)論

1）對龍河懸索管道橋進行了線形測試以及吊索索力檢測，得到橋面的上下游線型流暢且基本重合，吊索上下游索力變化范圍滿足設(shè)計安全性標準，檢測構(gòu)件安全性能良好。

2）根據(jù)有限元模擬分析龍河懸索管道橋的應(yīng)力以及撓度數(shù)值，與工程規(guī)范進行比對后均能夠滿足設(shè)計要求，說明大橋的規(guī)格合乎標準，能夠在上述工況條件下安全運行。成橋狀態(tài)下懸索跨越管道仿真模型能夠準確反映現(xiàn)場實際跨越結(jié)構(gòu)受力情況，并能夠用于后續(xù)受力分析。

3）通過實際檢測及軟件模擬判斷該懸索橋的規(guī)范性，為同類型懸索橋的規(guī)范性驗證提供參考。