清管过程中悬索管桥的动态载荷分析

钱东辉，邱忠华

（中国石油天然气管道局管道投产运行公司，河北廊坊 065001）

0 引言

国外悬索跨越管桥起步较早，如1962年美国密苏里河跨越，跨度625 m，悬吊两根D 750 mm的输气管道；土库曼斯坦输油管道跨越阿姆河的悬索管桥，管桥主跨660 m，管道规格为D 820 mm×11 mm；1978年，前苏联的陶里亚蒂至奥德萨氨气输送管道，悬索管桥跨度720 m，管径D 530 mm，为当时的悬索管桥跨越工程之最。近年来，我国在黄河、长江等河流上建起了多座管道悬索跨越结构。

强烈的载荷作用对悬索管桥的危害性极大，易引起结构失稳、破坏，导致整个悬索管桥坍塌，甚至危及相连管道的安全。因此，有必要对悬索管桥力学性能进行理论和实验研究。悬索结构分析理论主要分为连续化理论和离散化理论，连续化理论又包括弹性理论和挠度理论[1-3]。随着计算机技术和有限元分析理论的发展，逐渐形成了离散化理论，其中以非线性有限元理论应用最为广泛，是目前已有的悬索管桥结构分析理论中较为精确的[4-5]。近些年来，国内外许多学者对不同类型的悬索管桥进行了深入的静、动力学研究。冯兆祥对江阴大桥进行了静载实验分析，获得了大桥的静、动力学特性参数[6]；H T Chan等人建立了大跨径高预应力桥梁的有限元模型，并分析了其动力学特性[7]；郭薇薇等人对风荷载作用下大跨度悬索管桥的动力响应及列车运行安全性进行了分析[8]；赵金广等人应用ANSYS软件建立了悬索管桥的精确力学模型，进行了动载响应分析[9]；钱炜等人采用非线性的有限元理论，对柔性悬索管桥进行了详细的动力分析，探讨了结构的动力特征值问题[10]。

本文建立了野三河悬索管桥的动力学有限元模型，采用ABAQUS软件计算桥上管道充满液体及清管器推动液体通过跨越结构时悬索管桥的应力及应变等数据，获得了野三河悬索管桥的动态特性参数，评估了清管器清管时该悬索管桥的安全性。

1 野三河悬索管桥结构参数

野三河悬索跨越工程场地位于湖北省恩施市建始县与巴东县交界处，在318国道野三河大桥东侧。野三河悬索跨越主孔跨径为240 m，两侧锚跨分别为58 m （西北岸）和34 m （东南岸）。主缆矢跨比1/10，双根天然气管道与线路中线平行且对称布置 （管道规格为D1016 mm×21 mm）。桥面宽4.5 m，主缆中距4 m。沿主缆跨度方向每隔5 m设置一个吊索，单根吊索采用钢芯钢丝绳，上端通过索夹与主缆连接，下端通过吊耳与中横梁 （承重横梁）相连。为保证桥梁横向的抗风稳定性，于桥面两侧分别设置1根φ 100 mm风缆主索，通过间隔5 m、直径φ 26 mm钢芯钢丝绳风缆拉索与主梁连接。风缆主索跨度220 m，矢跨比1/11，沿平面呈25°倾角，两端分别锚固于风缆锚固墩上。悬索管桥总体布置如图1所示。

图1 悬索管桥总体布局/m

2 悬索管桥的动力分析方程

悬索管桥的静力平衡方程为：

式中EI——悬索管桥刚度；

H——主缆在载荷作用下的水平力；

p0、η0、Hp0——分别为静力平衡时的载荷、挠度和主缆水平拉力；

H0——恒载q及活载p0（x）产生的主索中的总水平拉力；

y——主缆竖向位移。

随时间t变化的动力荷载p（x，t）所产生的振动挠度和主索水平拉力分别为η（x，t）和Hp（t），且

因此，如果p0=0即为悬索管桥自重作用下的空载情况，Hp0=0。

振动时，加劲梁的动力平衡方程为：

减去式 （1）描述的静力方程，并略去高阶微量Hp0η"和Hpη"项，得悬索管桥竖向振动方程为：

式中m——单位桥长的质量；

β——阻尼对数衰减率。

式中l——悬索管桥长度；

Δl——悬索管桥长度微元。

实际上，Hp（t）的变化是很微小的，可以近似忽略，故取

这样，非线性项将简化为线性项，振动方程（4）就简化为线性方程

3 野三河悬索管桥有限元模型

下面对清管器通过野三河悬索管桥管道时管桥的受力情况进行分析。

3.1 计算模型的建立

根据野三河悬索管桥的结构参数，采用ABAQUS有限元软件进行建模。悬索管桥主要由主梁、2根主缆、94根吊索组成，主缆、吊索采用T3D2单元 （空间2节点桁架单元），主梁采用B31单元 （三维线性梁单元）。野三河悬索管桥简化计算模型如图2所示。

图2 野三河悬索管桥简化计算模型

各部件材料属性如表1所示。

表1 悬索管桥各部件材料属性

3.2 边界条件及载荷的施加

主缆与每根吊索之间、吊索与主梁之间、风缆索与风拉索以及风拉索与主梁之间均为铰接，主梁和风缆索端部固定，主缆两端x、y、z三轴平动固定。管道自重简化为均布力。

采用变载荷施加的方法，将整个悬索管桥分为12段，分别采用12个分析步，后一步比前一步载荷递加 （或递减）模拟桥上管道逐段充液、清管器推动液柱清管的作业过程，具体施加步骤如表2所示。

表2 变载荷施加步骤

变载荷施加过程如图3所示。图中主梁上带红色点的表示已经施加载荷部位。

图3 变载荷施加

4 泡沫清管器清管过桥的动态响应

泡沫清管器质量为54.8 kg，以移动载荷方式施加，分析泡沫清管器清除管段积水时的工况。悬索管桥的动态响应如下：

4.1 悬索管桥的应力变化

当清管器通过管桥中间 （节点71处，为主梁中点）时，悬索管桥有最大应力 （见图4），最大应力出现在主缆上，为277 MPa；风缆索及风拉索、主梁上应力均小于100 MPa。主缆钢丝绳的抗拉强度为1 410 MPa，安全系数取3.5，则许用应力为402.86 MPa。由此可见，采用泡沫清管器清管时最大应力在许用应力范围内。

图4 悬索管桥应力分布/MPa

4.2 悬索管桥的动态位移

悬索管桥在液体充注管道及清管器推动液体过桥时产生变形，主梁中点 （节点71处）变形最大，其位移曲线如图5所示。

图5 悬索管桥主梁上节点71垂向位移随时间变化曲线

清管器推动液体过桥的过程中，桥主梁的最大垂向位移约为100.8 mm，变形很小。

5 结束语

本文以野三河悬索管桥为例，应用ABAQUS软件分析了泡沫清管器清管作业时悬索管桥的动态特性。模拟计算表明，当泡沫清管器通过悬索管桥中点时，悬索管桥最大垂向位移为100.8 mm，变形很小；悬索管桥最大应力出现在主缆两端，为277 MPa，远小于主缆的许用应力 （402.86 MPa），说明在清管过程中主缆是安全的。

[1] 郭永强，崔远.悬索桥的初步分析[J].中外公路，2005，25（2）:54-60.

[2]丁浩，李玉星，冯叔初.水平气液混输管路清管操作的数值模拟[J].石油学报，2004，25（2）：103-107.

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[4]陈同彦，贾春磊.ANSYS程序有限元结构分析方法在悬索式管桥体系中的应用[J].石油工程建设，2005，31（2）:25-26.

[5]郭棋武.大跨斜拉桥的非线性及可靠性分析[D].长沙：湖南大学，2007.4-11.

[6]吉林，冯兆祥.江阴大桥动静载试验与分析 [J].华东公路，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.风荷载作用下大跨度悬索桥的动力响应及列车运行安全分析[J].工程力学，2006，23（2）:103-110.

[9]赵金广，钱怡，王文英.基于ANSYS的悬索桥动载响应分析[J].路基工程， 2008，（5）:36-37.

[10]钱炜，刘鹏.柔性悬索桥动力特性分析[J].浙江水利水电专科学校学报，2009，21（2）:89-92.