勐岗河大型悬索跨越管道成桥状态下非线性静力有限元分析

2020-04-10安建川李长俊

天然气工业 2020年1期

彭阳安建川李明余进李长俊

1.中国石油西南油气田公司输气管理处 2.中国石油西南油气田公司 3.西南石油大学石油与天然气工程学院

0 引言

于2018年建成投运的中国石油西南油气田公司楚攀线勐岗河大型悬索跨越全长545.6 m，是国内跨度最大的天然气管道悬索跨越，其采用了一跨过河的方式架设天然气管道（图1）。该悬索跨越管道工程施工难度较大，一旦在清管过程中发生事故会影响整条管线运行，且很难在短时间内修复。跨越管道在成桥状态下的索系、塔架共同承受整个跨越结构的重力而处于受力平衡状态，此时各构件内部会形成预应力[1]。跨越结构在平衡状态的变形及应力即为后续进行清管动力响应分析的初始条件[2]。因此，有必要对勐岗河悬索跨越管道进行成桥状态下的非线性静力分析。

图1 楚攀线勐岗河大型悬索跨越管道图

目前，针对管道悬索跨越结构的受力分析主要集中于风力、地震、流水等外载荷作用[3-7]，较少涉及到管道内部移动载荷[8-10]，开展的有限元静力学分析有：林智寰[11]采用非线性有限元分析了悬索管桥主索在空缆状态时的线性并进行了结构优化。王恩清[12]通过悬索管桥的有限元模型结合初始内力及拉索垂度等非线性因素，计算了各主要构件在恒载作用下的受力与位移变化。段银龙[13]建立了怒江悬索跨越管道有限元模型，研究了施工阶段、成桥状态和运营阶段的非线性静力。邓翊华[14]建立了野三河悬索桥跨越结构有限元模型，得出起拱高度为2 m时能够在一定程度上抵消承受的压力。陈誉等[15]采用有限元模型对后河悬索跨越结构进行了静力分析。张平等[16]采用实验与有限元仿真相结合的方法研究了集中载荷对悬索跨越管道的影响，并分析了管道的应变分布情况。胡安鑫等[17]针对怒江油气双管同桥跨越，采用三维模型离散方法，研究了柔性结构力学特性。张杰等[18]采用有限元模型计算了管道悬索跨越索系在风载荷作用下结构的应力和位移。王金国等[19]建立了悬索跨越管道原型和试验平台的仿真模型，并进行了结构静力有限元分析。梅云新等[20]运用有限元方法分析了悬索跨越管道在自重和风载作用下的受力状况。吴瑕[2]对怒江悬索管道跨越结构进行了非线性静力分析计算。

综上所述，目前在悬索跨越管道的静力学研究中少有考虑实际成桥状态下的起拱高度对受力计算的影响，也没有研究不同静载荷对跨越结构各部位的影响。为此，根据勐岗河悬索跨越天然气管道结构的基本构成和几何非线性特点，采用有限元方法进行实际成桥状态下的非线性静力计算与分析。

1 工程原型概况

勐岗河大型悬索跨越结构主跨全长360 m，南岸锚跨109.9 m，北岸锚跨75.7 m，主矢跨比为1/10，风索矢跨比为1/15，共轭索矢跨比为1/42。索系采用PE护套平行钢丝束，主缆索型号PESC5-283，风缆主索型号PESC5-151，共轭索主索型号PESC5-73。桥面布设天然气管线一根，设计压力6.3 MPa，采用Ø610×11.9 mm的X65M直缝埋弧焊钢管。南侧主缆与风索共用锚固墩，南岸桥塔处设置风索侧向支撑，北岸单独设置两个风索锚固墩，在桥面下方设置两道共轭索。南、北岸各有一座40.73 m的矩形截面结构桥塔，其主肢、横隔主杆和斜腹杆等联系杆件均为无缝钢管，腹杆结构形式为“K”形。桥面上按5 m间距设置吊索和风缆拉索，成桥状态下1/2跨处起拱高度为1.86 m。

2 勐岗河悬索跨越管道有限元模型建立

2.1 结构单元有限元模型

因跨越结构组成复杂而对部分结构进行了合理简化：①静力分析对象为管道、索系的位移与应力，因而将桥墩、锚固系统作为索系的稳定约束；②对跨越结构的铆接口、螺栓和螺母等构件进行简化，换之以相同的约束条件；③使用具有相同横截面积的圆形钢丝绳代替由多股钢丝绳扭结而成的索系。采用ANSYS Workbench软件所建有限元模型主要单元类型如表1所示。跨越管道为建成未投产的状态，故不考虑内压影响。

此外，考虑到模型尺度而用适当的接触类型来描述连接件（表2）。其中，滚动支座与管道的接触类型是通过将管道三个方向约束中的轴向约束进行释放来实现仿真模拟。

表1 跨越结构有限元模型主要单元类型表

表2 跨越结构各结构单元之间的接触类型表

2.2 载荷加载和校核标准

2.2.1 加载条件

根据GB/T 50459—2017[21]规定，悬索跨越管道需要考虑的载荷类型如表3所示。由于清管载荷不属于永久载荷，且其发生概率高于偶然载荷，因此确定出非线性静力计算中施加的载荷为：①跨越结构自身重力载荷；②试压充水状态时的重力载荷；③在跨越管道不同位置处施加的不同静载荷。

表3 悬索跨越管道需要考虑的载荷类型表

2.2.2 校核标准

根据GB/T 50459—2017[21]要求，悬索跨越管道位移校核以跨中挠度最大值作为对比参数；管道和索系采用规定的应力校核方法进行计算；对于由分肢厚度小于16 mm的Q235角钢构成的桥面桁架结构，应力校核标准参照GB 50017—2017[22]中表4.4.1规定取强度设计值为215 MPa。

2.3 仿真模型建立

基于ANSYS Workbench与ProE的双向接口建立了1∶1的仿真模型，同时，为了兼顾跨越结构计算精度和所耗时间进行了网格无关性验证，最终选取的网格总数为1 970 000。所建仿真模型如图2所示，其中左边为南岸，右边为北岸。

图2 勐岗河悬索跨越结构仿真模型图

3 非线性静力有限元计算结果与分析

3.1 无外载荷作用时跨越结构的应力与位移

为得到与实际成桥状态相近的起拱高度，通过有限元模型迭代找形得到跨中起拱高度为1.84 m，与实际偏差仅0.02 m。在该状态下跨越结构处于静力平衡状态，管道不存在内压，且不考虑温度应力的影响。此时，受自重作用跨越管道和索系的最大应力校核及与现场实测数据对比结果如表4所示。索系应力现场检测结果为轴向应力；主风缆应力测试时为无风状态。桥面最大应力计算值为60.3 MPa，而根据GB 50009—2012[23]荷载分项系数取1.35，从而得到荷载效应控制的组合应力值为81.4 MPa（小于215MPa），故校核结果为合格。

表4 跨越管道、索系应力校核及与现场实测数据对比表

从表4可以得出：①无压状态下管道初始应力最大计算值为172.4 MPa，出现在南岸弯头处，这是由于通过吊索使管道中部离开水平位置1.84 m时，会造成管道两端弯头处应力增大；②计算结果与现场实测数据偏差较小，表明仿真模型能够反映实际跨越结构受力状态和用于后续静载荷加载；③成桥状态下管道和索系应力校核均为合格，且与许用应力间的余量还比较大。

3.2 外载荷作用下跨越结构的位移与应力

3.2.1 试压工况下跨越结构的位移与应力

试压工况下跨越结构所受载荷为自重加上管内水的重量。此时，管道的起拱高度为1.839 m，位移变化仅为0.001 m，最大应力校核结果如表5所示，管道的应力分布如图3所示。

由表5可知，跨越结构在试压工况下的位移值与应力值较无外载荷时没有明显增加。这表明试压时结构稳定、无应力超限产生。而造成跨越结构内部应力增加幅度均较小的原因为试压时载荷均匀分布于管道上，而该压力通过吊索、主缆索及两边塔架传递到了桥墩下。在后续清管扫水过程中只要缓慢推动液体经过跨越管道，整个结构就不会出现位移和应力变化过大。

表5 试压工况下跨越结构主要构件最大应力校核结果表

图3表明，试压工况下管道最大应力出现在南岸桥面管道开始起拱处。这是由于管道呈拱形，在上方施加均布载荷后，管道会有向两端挤压的趋势，因此，南、北岸应力值会高于跨中处，但南岸因存在较高的“Z”形悬空立管，其位移变化趋势更大，故会出现最大应力值。

3.2.2 不同载荷作用下管道最大应力与位移

通过在1/2跨、1/4跨和3/4跨处，从小到大（15～480 kN）依次增加外载荷，其分布长度为仿真模型最小管段长度3.78 m，从而得到该位置位移、应力变化及极限载荷。管道最大应力、起拱高度计算结果如表6所示（仅列出部分情况）。不同静载荷作用时，管道应力变化云图（放大5.2倍）如图4所示；施加320 kN载荷时，管道的位移变化云图（放大5.2倍）如图5所示。