基于ANSYS的输油管道数值分析

信志涛 赵玲 吴明

摘 要：悬索式跨越是长距离油气输送的常见形式之一。利用ANSYS有限元仿真分析软件对混凝土式管道悬索跨越结构进行地震分析。通过对结构的模态分析，获得混凝土式管道悬索跨越结构前十阶固有频率和振型图。在模态分析的基础上，利用时程分析法，对混凝土式管道悬索跨越结构进行了地震反应下的动力响应分析，得到在地震载荷作用下，混凝土式管道悬索跨越结构的位移变化。分析表明，混凝土式管道悬索跨越是一种低频柔性结构，对地震反应敏感。

关 键 词：悬索结构；模态分析；时程分析；地震反应分析

中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 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

石油天然气是我国重要的能源基础，管桥系统是大中型输油管道重要的支撑结构，在石油天然气的输送过程中扮演着至关重要的作用[1]。管道跨越支撑结构有很多种，在大跨度的输油输气管线中主要以悬索结构和斜拉结构为主。我国是一个地震多发的国家，强烈的地震会对整个输油，输气管线系统带来绝大的危害，轻则引起管线支撑结构的失稳，局部变形。重则引起管线支撑结构的破坏，甚至坍塌，给国家和人民带来巨大的损失。

悬索结构是以悬索线缆为主要承重机构的管道支撑结构之一[2]，其主要包含线缆、塔，加劲梁，吊索，固定锚等。混凝土悬索结构因其自身重量大，线缆结构刚度大，在相同跨距的管道支撑结构体系中，对于相同载荷作用下，其变形会比其他管道支撑结构小。混凝土悬索结构的整体抗弯，抗扭转惯性矩大，其抗风和抗震效果也比其他支撑结构要好。

1 管道悬索结构有限元方法和建模

1.1 管道懸索结构非线性原理

管道悬索结构因其具有大位移，小应变的结构变形特点[3]，因此管道悬索结构是一种典型的柔性结构。管道悬索结构是形变仍然在材料的弹性变形范围内，其应力与应变仍然满足库克定律。但是其应力与位移的关系是非线性的，包括几何非线性和物理非线性[4]。管道悬索结构的几何主要变现在线缆的几何非线性上。结构中桥塔和加劲梁的轴向应力和弯矩的相互作用，结构的大位移效应。另一方面，管道支撑结构的刚度受结构面应力的影响非常大，面应力与管道悬索结构的横向刚度之间的耦合，表现出另一种非线性形式，即应力刚化。

1.2 1.2有限元建模

某管道悬索结构采用刚劲混凝土加劲梁结构体系，主塔使用标号30混凝土，横向桥采用型塔结构，索塔间的中心距为120，索塔总高为54 m。预制构件长度为4 m，等于吊索间距。锚锭采用组合式结构体系，下部由9根150 cm的挖孔灌注桩为基础。主缆采用GB362-64标注镀锌钢丝绳，直径79 mm，索面中距10.8 m，主缆垂跨比f/L=1/8.全桥共有吊索52对，吊索采用镀锌钢丝绳，直径39 mm，表面涂防锈漆。

管道悬索支撑结构系统是一个复杂的结构形式，每一部分都有完全不同的属性和作用，因此在有限元分析过程中，需要采用不同的单元类型。在此模型中，对于悬索，基塔，加劲梁，等分别采用了三维杆单元，三维弹性梁单元以及板壳单元。

由于此结构属于杆系与梁系系统，所以采用定义每个节点的位置以及单元的连接，采用直接生成法生成此结构的有限元模型，见图1。

（1）边界条件

实际工程中的管道悬索支撑结构的边界条件是相对复杂的，在有限元分析过程中，主要通过固接，铰接，弹簧等实现。在本论文讨论的有限元模型中，塔桥与基础固接，主缆两端分别与锚碇固接，加劲梁和纵梁连续地通过塔桥，在桥的左右两侧分别与塔桥铰接。

（2）悬索跨越结构静态分析

由上述分析可知，管道悬索跨越结构属于小应变，大位移结构，对于此种柔性结构需要考虑结构的几何非线性的特点，悬索跨越结构的形状与作用在此结构上的外载与内部应力息息相关，以非线性方式相互作用满足结构的稳定与平衡。因此，为了使得结构具有一定的刚度，就需要对其施加一定的预应力，来确保结构的初始平衡状态。

在ANSYS中，本文通过通用后处理程序POST1的PLOT图形显示和LIST数据列表来计算与观察结果。当舒适应变为左右时候，整个结构的挠度最小，也就是结构的弯曲程度最小，此时结构的跨中位置最大挠度值为0.001 804 m。

上述已经确认初始应变为，然后对其进行模态分析，可得到管道悬索跨越结构各阶振动频率见表1。

从表中计算结果可以发现，管道悬索支撑结构是一种低频率的振动结构，这是由结构本身大跨度，大柔性和低阻尼的性质决定的。振型图如图2到图5所示。

根据ANSYS 计算出的各阶振型可知，低频率振动时，结构主要表现在横向弯曲振动；随着振动频率的提高，管道悬索结构的振型表现为竖向弯曲振动；随着频率的逐渐提高，结构的表现形式不仅为竖向弯曲振动，同时伴有扭转振动。因此可知，不同的振动频率对于结构的影响是不同的。

2 管道悬索跨越结构地震时程分析

本文分析的时程曲线采用加速时程曲线[6]，如图所示，地震波持续10 s，单位为国际单位，地震曲线如图6所示。

在ANSYS地震时程分析中，由于要考虑整个模型自重的影响，这样采用连续求解法来处理非线性时程分析中的恒载。这样得到管道支撑结构加劲梁对称位置中点节点的位移时程反应曲线如下图7示。

从图中我们可以看出，管道悬索跨越结构随着地震波的持续呈现剧烈上下位移运动。从图中可以看出，当地震持续到1.2 s时，此节点最大Y轴负向位移为-4.0 cm当地震持续到7.4 s时此节点最大Y轴正向位移为4.32 cm。因此在管道. 悬索跨越结构设计中，应把该部位结构进行重点设计。

3 结 论

（1）管道悬索跨越结构是一种低频率柔性跨越结构，其基础频率为0.539 04，因此地震反應非常敏感。

（2）对于这种高柔性管道悬索跨越结构，其地震反应的大小，起决定性的因素为输入地震波的频谱特征，其低频成分越高，结构反应越加剧烈。

参考文献：

[1] 署恒木，邓翊华，阎庆华. 悬索管道跨越结构静动态有限元仿真[J]. 佳木斯大学学报： 自然科学版，2009，27（3）：330-333.

[2] 王世圣，张宏. 大跨度悬索桥管桥风振响应分析[J]. 油气储运，2003，22（1）：27-29.

[3] 左雷彬，马红昕，铁明亮，等. 油气管道斜拉索跨越设计[J]. 油气储运，2015，34（9）：1010-1014.

[4] 邓翊华. 大跨度悬索式管桥静动态分析[J]. 油气储运，2010，29（5）：342-345.

[5] 邓翊华. 野三河大型悬索跨越结构的受力分析及优化计算[D]. 中国石油大学（华东），2009.

[6] 高建，王德国，何仁洋，等. 基于 ANSYS 的悬索跨越管道地震时程响应分析[J]. 西南石油大学学报（自然科学版），2010，32（1）：155-159.