基于ANSYS的輸油管道數(shù)值分析

信志濤 趙玲 吳明

摘 要：懸索式跨越是長距離油氣輸送的常見形式之一。利用ANSYS有限元仿真分析軟件對混凝土式管道懸索跨越結(jié)構(gòu)進行地震分析。通過對結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，獲得混凝土式管道懸索跨越結(jié)構(gòu)前十階固有頻率和振型圖。在模態(tài)分析的基礎上，利用時程分析法，對混凝土式管道懸索跨越結(jié)構(gòu)進行了地震反應下的動力響應分析，得到在地震載荷作用下，混凝土式管道懸索跨越結(jié)構(gòu)的位移變化。分析表明，混凝土式管道懸索跨越是一種低頻柔性結(jié)構(gòu)，對地震反應敏感。

關 鍵 詞：懸索結(jié)構(gòu)；模態(tài)分析；時程分析；地震反應分析

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1814-03

Abstract： Suspended structure of pipeline is one of oil transportation pipeline forms. Seismic analysis of the structure was carried out by ANSYS. The first ten order frequency and vibration model were obtained by model analysis. The seismic dynamic analysis of suspended pipeline concrete structure was carried out by time-procedure analysis， and displacement change was also obtained. The result shows the suspended pipeline is a kind of flexible structure.

Key words： suspended structure； model analysis； time-procedure analysis； seismic analysis

石油天然氣是我國重要的能源基礎，管橋系統(tǒng)是大中型輸油管道重要的支撐結(jié)構(gòu)，在石油天然氣的輸送過程中扮演著至關重要的作用[1]。管道跨越支撐結(jié)構(gòu)有很多種，在大跨度的輸油輸氣管線中主要以懸索結(jié)構(gòu)和斜拉結(jié)構(gòu)為主。我國是一個地震多發(fā)的國家，強烈的地震會對整個輸油，輸氣管線系統(tǒng)帶來絕大的危害，輕則引起管線支撐結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，局部變形。重則引起管線支撐結(jié)構(gòu)的破壞，甚至坍塌，給國家和人民帶來巨大的損失。

懸索結(jié)構(gòu)是以懸索線纜為主要承重機構(gòu)的管道支撐結(jié)構(gòu)之一[2]，其主要包含線纜、塔，加勁梁，吊索，固定錨等?；炷翍宜鹘Y(jié)構(gòu)因其自身重量大，線纜結(jié)構(gòu)剛度大，在相同跨距的管道支撐結(jié)構(gòu)體系中，對于相同載荷作用下，其變形會比其他管道支撐結(jié)構(gòu)小?；炷翍宜鹘Y(jié)構(gòu)的整體抗彎，抗扭轉(zhuǎn)慣性矩大，其抗風和抗震效果也比其他支撐結(jié)構(gòu)要好。

1 管道懸索結(jié)構(gòu)有限元方法和建模

1.1 管道懸索結(jié)構(gòu)非線性原理

管道懸索結(jié)構(gòu)因其具有大位移，小應變的結(jié)構(gòu)變形特點[3]，因此管道懸索結(jié)構(gòu)是一種典型的柔性結(jié)構(gòu)。管道懸索結(jié)構(gòu)是形變?nèi)匀辉诓牧系膹椥宰冃畏秶鷥?nèi)，其應力與應變?nèi)匀粷M足庫克定律。但是其應力與位移的關系是非線性的，包括幾何非線性和物理非線性[4]。管道懸索結(jié)構(gòu)的幾何主要變現(xiàn)在線纜的幾何非線性上。結(jié)構(gòu)中橋塔和加勁梁的軸向應力和彎矩的相互作用，結(jié)構(gòu)的大位移效應。另一方面，管道支撐結(jié)構(gòu)的剛度受結(jié)構(gòu)面應力的影響非常大，面應力與管道懸索結(jié)構(gòu)的橫向剛度之間的耦合，表現(xiàn)出另一種非線性形式，即應力剛化。

1.2 1.2有限元建模

某管道懸索結(jié)構(gòu)采用剛勁混凝土加勁梁結(jié)構(gòu)體系，主塔使用標號30混凝土，橫向橋采用型塔結(jié)構(gòu)，索塔間的中心距為120，索塔總高為54 m。預制構(gòu)件長度為4 m，等于吊索間距。錨錠采用組合式結(jié)構(gòu)體系，下部由9根150 cm的挖孔灌注樁為基礎。主纜采用GB362-64標注鍍鋅鋼絲繩，直徑79 mm，索面中距10.8 m，主纜垂跨比f/L=1/8.全橋共有吊索52對，吊索采用鍍鋅鋼絲繩，直徑39 mm，表面涂防銹漆。

管道懸索支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是一個復雜的結(jié)構(gòu)形式，每一部分都有完全不同的屬性和作用，因此在有限元分析過程中，需要采用不同的單元類型。在此模型中，對于懸索，基塔，加勁梁，等分別采用了三維桿單元，三維彈性梁單元以及板殼單元。

由于此結(jié)構(gòu)屬于桿系與梁系系統(tǒng)，所以采用定義每個節(jié)點的位置以及單元的連接，采用直接生成法生成此結(jié)構(gòu)的有限元模型，見圖1。

（1）邊界條件

實際工程中的管道懸索支撐結(jié)構(gòu)的邊界條件是相對復雜的，在有限元分析過程中，主要通過固接，鉸接，彈簧等實現(xiàn)。在本論文討論的有限元模型中，塔橋與基礎固接，主纜兩端分別與錨碇固接，加勁梁和縱梁連續(xù)地通過塔橋，在橋的左右兩側(cè)分別與塔橋鉸接。

（2）懸索跨越結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析

由上述分析可知，管道懸索跨越結(jié)構(gòu)屬于小應變，大位移結(jié)構(gòu)，對于此種柔性結(jié)構(gòu)需要考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性的特點，懸索跨越結(jié)構(gòu)的形狀與作用在此結(jié)構(gòu)上的外載與內(nèi)部應力息息相關，以非線性方式相互作用滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與平衡。因此，為了使得結(jié)構(gòu)具有一定的剛度，就需要對其施加一定的預應力，來確保結(jié)構(gòu)的初始平衡狀態(tài)。

在ANSYS中，本文通過通用后處理程序POST1的PLOT圖形顯示和LIST數(shù)據(jù)列表來計算與觀察結(jié)果。當舒適應變?yōu)樽笥視r候，整個結(jié)構(gòu)的撓度最小，也就是結(jié)構(gòu)的彎曲程度最小，此時結(jié)構(gòu)的跨中位置最大撓度值為0.001 804 m。

上述已經(jīng)確認初始應變?yōu)?，然后對其進行模態(tài)分析，可得到管道懸索跨越結(jié)構(gòu)各階振動頻率見表1。

從表中計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，管道懸索支撐結(jié)構(gòu)是一種低頻率的振動結(jié)構(gòu)，這是由結(jié)構(gòu)本身大跨度，大柔性和低阻尼的性質(zhì)決定的。振型圖如圖2到圖5所示。

根據(jù)ANSYS 計算出的各階振型可知，低頻率振動時，結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)在橫向彎曲振動；隨著振動頻率的提高，管道懸索結(jié)構(gòu)的振型表現(xiàn)為豎向彎曲振動；隨著頻率的逐漸提高，結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式不僅為豎向彎曲振動，同時伴有扭轉(zhuǎn)振動。因此可知，不同的振動頻率對于結(jié)構(gòu)的影響是不同的。

2 管道懸索跨越結(jié)構(gòu)地震時程分析

本文分析的時程曲線采用加速時程曲線[6]，如圖所示，地震波持續(xù)10 s，單位為國際單位，地震曲線如圖6所示。

在ANSYS地震時程分析中，由于要考慮整個模型自重的影響，這樣采用連續(xù)求解法來處理非線性時程分析中的恒載。這樣得到管道支撐結(jié)構(gòu)加勁梁對稱位置中點節(jié)點的位移時程反應曲線如下圖7示。

從圖中我們可以看出，管道懸索跨越結(jié)構(gòu)隨著地震波的持續(xù)呈現(xiàn)劇烈上下位移運動。從圖中可以看出，當?shù)卣鸪掷m(xù)到1.2 s時，此節(jié)點最大Y軸負向位移為-4.0 cm當?shù)卣鸪掷m(xù)到7.4 s時此節(jié)點最大Y軸正向位移為4.32 cm。因此在管道. 懸索跨越結(jié)構(gòu)設計中，應把該部位結(jié)構(gòu)進行重點設計。

3 結(jié) 論

（1）管道懸索跨越結(jié)構(gòu)是一種低頻率柔性跨越結(jié)構(gòu)，其基礎頻率為0.539 04，因此地震反應非常敏感。

（2）對于這種高柔性管道懸索跨越結(jié)構(gòu)，其地震反應的大小，起決定性的因素為輸入地震波的頻譜特征，其低頻成分越高，結(jié)構(gòu)反應越加劇烈。

參考文獻：

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