机动管线悬挂穿越装置发展现状及对策研究

2013-08-08卢邦洪钱光杰韩俊威

中国储运 2013年7期

文/卢邦洪钱光杰韩俊威

机动管线在铺设过程中会遇到河流、湖泊、沟壑等障碍，机动管线悬挂穿越装置可帮助机动管线快速、顺利地通过这些特殊地段，在部队广泛应用，但使用过程中存在稳定性不足、跨距受限等问题，制约了油料保障效率的进一步提高。因此，应加强机动管线悬挂穿越装置的研究力度，提高机动管线穿越障碍的能力，从而提高油料保障能力。

1.国内外机动管线悬挂穿越装置发展现状

目前，国内外管线悬挂穿越的主要形式有梁式、拱架式、悬索式、斜拉索式、托架式、桁架式等。悬索式管桥因桥身自重轻、结构简单、展开撤收方便、受外界影响小等优点，得到广泛运用。各国部队广泛使用的悬索式管桥形式主要有单主索型、吊桥式结构和双主索型。

1.1 单主索结构

俄军机动管线悬挂穿越装置的结构形式是单主索型，该装置由悬索、御风索和拉缆、支塔、地锚等组成。图1表示单主索型结构跨中横截面的形状。整个悬空段的重量加载在主索上，管子与主索间距不等，越靠近支塔的部分吊绳长度越长，管线悬空段基本呈水平状。管子两侧有两根御风索与管线基本同高，通过御风拉链连接到管线上，限制管线的径向移动，防止管线摆动，起到御风作用。主索由支塔支撑，通过地锚固定。支塔可用废钢、报废的管子等制作，长期使用还可以浇注钢筋混凝土支塔。依悬索所受拉力大小，有8种不同规格地锚可选择。

图1 单主索结构跨中截面形状

1.2 吊桥式结构

美军悬挂穿越装置的结构相对复杂，呈吊桥式，由悬挂部分和支撑部分组成。悬挂部分由主索、横杆吊索、横杆、垫板等组成，用来悬吊管线。支撑部分由叉杆地锚、塔架、斜拉索等组成，用来支撑悬索。图2表示吊桥式结构跨中横截面的形状。主索与横杆由横杆吊索联结形成扶索，吊索下悬吊横杆，上面铺设垫板，组成吊桥式结构，管线铺设在垫板上通过悬空段。主索由塔架支撑，通过叉杆地锚固定。塔架通过四根斜拉索固定。该装置可以适应100、200、400英尺等不同跨距的铺设要求。

1.3 双主索结构

我军悬挂穿越装置是双主索V型结构，该装置基于悬索理论设计，由悬挂和支撑两大部分组成。悬挂部分由承力钢索、吊管装置和钢索支架组成，用来悬吊管线；支撑部分由塔架、地锚、钢缆调节器等组成，用来支撑和拉紧钢索，使悬挂部分牢牢固定在两岸上。图3表示双主索型结构跨中横截面的形状。悬空段的重量加载在两根承力钢索上，管子通过吊管装置悬吊在平行的两根钢索下，与悬索间距保持一致；撑杆与吊杆形成V字型的空间结构，通过三角形自身的稳定性达到御风的效果，可抗击8级大风。悬索由塔架支撑，通过地锚钢索连接到地锚并固定在两岸上。

图2 吊桥式结构跨中横截面的形状

图3 双主索结构跨中横截面的形状

通过对比可知，双主索结构比另外两种结构形式更为简单，架设速度快，由自身V型结构的三角形稳定性实现其御风效果，减少了钢丝绳的数量。单主索结构悬空段的所有重量都加载在主索上，对主索的强度要求更高；悬空段由两根御风索稳定管子，御风性、稳定性较好；管线悬空段基本水平，在塔架高出管线很多的情况下也可以保证管线不会折偏很多，更加适合大落差段的铺设。美军的吊桥式结构较为复杂、吊桥安装过程相对繁琐，但悬空段稳定性好，维修方便；俄军的单主索型塔架由斜拉索进行固定，稳定性好于前两种结构形式；另外，该装置可以适应100、200、400英尺等不同跨距的铺设要求，适用范围更广。

2.我军现役装置使用中存在的问题

经过多年的使用和发展，现役机动管线悬挂穿越装置基本达到快速、顺利通过特殊地段的要求，但使用过程中仍存在大落差段稳定性不够、跨距受限、悬索材料技术落后等问题。

2.1 大落差段稳定性不够

现役机动管线悬挂穿越装置按两岸等高设计，但有时管线需要穿跨越大落差的地段。在两岸等高的情况下，悬索曲线对称，最低点的矢度最大；在大落差段，悬索在空载时的形状即其矢度会随着两岸高差而变化，加载荷载后，悬空管段的受力也不同于两岸等高的情况。以双主索悬挂穿越装置为例，在两岸高差不是很大情况下，近似的以两岸等高的公式进行受力分析，如图4所示。

假设钢丝绳在塔架支点处所受的拉力为F，其水平方向分力为Fx，竖直方向分力为Fy，则有：

式中：q——单位长度总载荷；

l——跨距；

f——矢度。

由公式(3)可知，载荷一定，钢丝绳所受拉力的大小取决于矢度与跨距之比，在某一跨距下悬索拉力的大小取决于矢度，矢度越小，拉力越大。在大落差段，管线矢度及悬索形状发生改变，悬索在塔架支点处所受的拉力F、水平方向分力Fx都会改变，当高差超出装置设计时允许的范围后，水平分力过大会导致管线出现侧翻、倾覆等情况，存在安全隐患；若两岸落差过大，现役装置无法安装使用，迫使管线改动铺设路线。总之，在大落差段，现役装置稳定性不足问题明显。

2.2 跨距受限制

双主索悬挂穿越装置与机动管线配套使用，其设计的最大跨距为120m。假设悬索受均布荷载，计算悬索的最大拉力：

图4 双主索型悬挂穿越装置受力简图

式中：Tmax——主索最大拉力，f——矢度，q——单位长度总载荷，l——跨距， x——主索任意点相对于塔架的水平距离，y——主索任意点相对于塔架的曲线挠度， θ——主索任意点倾角，Fx——主索水平力。

由此可见，在悬索矢度不变的情况下，跨距越大，塔架和悬索所受的力越大，当跨距超过设计范围时，悬索受的力会超过其承力范围。

2.3 悬索材料技术落后

纵观各国的机动管线悬挂穿越装置，一般都是采用直径较大的钢丝绳作为承重索或者御风索，但钢丝绳的变形与受力不是成简单的正比例关系——普通钢丝绳的弹性模量小，在不同力作用下，钢丝绳的弹性模量还会改变。国内外在钢丝绳拉索设计过程中，采用修正的弹性模量来处理这一非线性变形问题，即采用代替钢丝绳弹性模量的理想弹性模量Ee，但在悬索管桥上能否用这一方法还需探讨。随着对机动管线悬挂穿越装置跨距、稳定性等要求的不断提高，中小规格的钢丝绳已经不能适应铺设要求而大规格的钢丝绳国内生产还相当困难，限制着我军机动管线悬挂装置穿跨越水平的进一步提高。

3.改进措施

3.1 加垫法

为解决现役装置在大落差情况下稳定性不够的问题，在使用时应尽量保持其两岸等高。在两岸高差不是很大的情况下，可以采用加垫法实现两岸塔架的等高。一是利用就便器材，如石块、砖头、废弃钢材等垫高海拔低的一岸的塔架，使两岸等高；二是通过灌注水泥墩加垫在塔架下面以达到装置安装使用的要求；三是在有条件的情况下，利用脚手架预先搭设安装平台，将塔架搭建在平台上实现两岸的等高。前两种方法只能在较小的范围调整塔架的高度，但安装实施简便，第三种方法可大幅度调整两岸塔架的高差但安装费时且易受外界影响。

3.2 研制新型塔架

为了能快速、顺利地通过障碍，机动管线悬挂穿越装置应能够适应各种地段的铺设。我军现役装置塔架的结构形式简单，可调整范围较小，在大落差段稳定性不够，不能很好地适应大落差段、大跨距的铺设要求。因此，应研制新型塔架以适应管线铺设的要求。新型塔架可借鉴液压式（如千斤顶）或塔吊等可调性塔架的形式，大幅增加现役悬挂穿越装置塔架的可调范围。同时，还可以借鉴美军的吊桥式结构，使用斜拉索固定塔架，提高塔架的稳定性。

3.3 使用新材料

1965年在重庆长江管道跨越工程中，建成了我国第一座大跨度悬索式管桥（管径为219mm），主索采用两根φ50.5mm的钢丝绳作为承重索。目前，钢丝绳仍是各国悬挂穿越装备主索和御风索的主要材料，从钢丝绳自身的结构特点和使用角度来看，普通钢丝绳的弹性模量较小，应力与拉力不成线性关系，已经越来越不适应大跨距的要求。热聚乙烯钢丝绳、全防护拉索等新型材料弹性模量大，可大幅增加悬索管桥的整体刚度并提高悬索管桥的整体跨距和抗风稳定性。同时新型材料的应力与拉力成线性比例，对管桥的设计和受力都很有好处。例如，苏州华能热电有限责任公司投资建设的跨越苏运河及胥江河的管桥均为悬索跨越式管桥，铺设过程中使用了新型全防护拉索，不仅缩短了工程周期，还提高了悬索管桥的整体刚度和抗风稳定性。因此，在以后的机动管线悬挂穿越装置研制过程中应广泛使用新型材料替代现有的钢丝绳，以更好地适应不同高差、不同跨距的铺设要求。