龙河跨越悬索管道桥安全性检测与评估

植海刚,王坤

1.国家石油天然气管网集团有限公司 (北京 100088)

2.中石化重庆天然气管道有限责任公司 (重庆 408000)

0 引言

运输管道通过河流和山谷，往往采用架空敷设的形式，悬索管道桥是一种用来承载石油管道、天然气管道、水管道等其他管道以跨越河流、峡谷等天然障碍或人工障碍的特殊悬索桥[1-2]。

目前国内大跨径悬索桥大多采用双塔三跨或单跨的形式，随着跨径的增大，主塔、主缆和锚碇的规模增加，各项拉应力和负载形式也迅速增加，工程的安全性显得尤为重要[3-5]。龙河悬索跨越管道桥于2015年竣工投运，全长311.7 m。悬索跨越结构相对地面管道更易遭自然因素作用的破坏，且一旦破坏修复难度很大，造成的次生灾害非常严重，在短时间内难以恢复。随着工况下的外部载荷改变，桥体的受力以及形变情况都将随之改变。龙河悬索桥已投运使用4年，对于桥梁的安全性检测以及工况下桥梁状况的模拟，判断是否符合标准非常重要[6]。

为此，本文介绍了龙河悬索管道桥的部分检测内容并利用有限元软件Midas/Civil对龙河大跨度钢结构悬索桥和双缆结构体系下静力学特性进行分析，总结悬索桥的静力学特点，分析其具体的承载能力，为工程应用提供借鉴。

1 工程概况

龙河悬索结构主缆主跨跨度200 m，主缆边跨跨度西岸51.6 m，东岸60.1 m，主矢跨比为1/10，风索矢跨比为1/14。两根主缆采用热挤聚乙烯平行钢丝索，主缆索由283根直径为5 mm环氧涂层高强钢丝组成，风缆索由151根直径5 mm的环氧涂层高强钢丝组成，均采用外挤双层PE防腐。桥面上按5 m间距设置吊索和风缆拉索，吊索型号为5×13（Φ 22 mm），风拉索型号为5×7（Φ15 mm），均采用单层PE防护。两岸桥墩处分别设置钢桥塔，采用四柱式空间钢管桁架结构，塔脚采用铰支座，桥塔高26 m。桥面采用单层型钢组合结构，桥面宽2.6 m，两侧分别设置0.8 m宽检修道。悬索锚固于桥面吊架上，每隔5 m设置一个锚固点。桥面上设置的天然气管道设计压力10 MPa，管道采用D1016×27 mm直缝埋弧焊钢管。图1为龙河跨越悬索桥的工程实际图。

图1 龙河跨越悬索桥

2 桥梁安全性检测

对于大跨越悬索管道桥，结构的部分破坏都将对桥梁产生巨大的危害，因此需要定期对桥梁进行安全性检测。现行规范下安全性检测内容主要包括索力检测、外观检查、混凝土无损检测、钢结构无损检测、涂层劣化检测以及线形检测。此部分主要分析桥面的线形检测以及吊索的索力测试结果。

2.1 桥面线形检测

全桥线形检测是一项重要检测内容。桥梁结构体从成桥竣工到进入运营使用阶段后，随着服役时间的增长，结构线形相比成桥状态时会发生一定的变化。桥面的线形变化能够反应出桥面内力变化以及刚度状况，同时可对桥梁的其他危害产生一定的影响。通常结构线形保持良好，可表征桥梁运行状况基本良好。

要获取全桥线形，必须测量整个桥轴线上不同位置处的高程变化。桥面的线形测量采用徕卡NA2自动安平精密水准仪和徕卡TCR1201+R400高精度自动全站仪进行测量。分别在跨越两岸设两测站，在一侧架设仪器，以另一侧为后视点；测点布置在拉风缆桥面销轴处，测点布置如图2所示。单侧桥面共设置39个测量点。

根据桥下河流的流动方向可以将悬索管道桥的桥面两侧方向分为上下游方向，如果上下游两侧的桥面在相同里程处的高程差距较大或者线形不够流畅，都有可能使桥梁产生结构性失稳，从而造成安全性危害。根据上述方法可以得到如图3所示的桥面线形测量结果。从本次桥面实际测量的数据结果图可知，桥面的实测线形整体流畅，未发生较大的沉陷、变位，扣除测量误差等因素的影响，可认为该桥面线形良好。同时上下游两侧桥面的线形基本一致，相同里程处测点实测高程基本重合，表明上下游主缆受力均匀，与设计的高程基本相同，说明投运之后仍然有良好的安全性能。

2.2 吊索索力测试

悬索桥的吊索上端通过索夹与主缆相连，下端的锚固在加劲梁上，是联系加劲梁和主缆的纽带。确定悬索桥吊索内恒载索力的大小，是确定加劲梁与主缆成桥状态真实索形及内力的关键因素，因此对于测量吊索中的实际索力尤为重要。

图2 桥面线行测点布置

图3 上下游主梁实测高程

对于索力测量常采用频谱分析法，这种方法利用临时紧固在索上的高灵敏度传感器拾取构件在环境激振下的脉动信号，经过滤波、放大、谱分析，根据频谱图确定自振频率，进而求得吊索的索力。分析大桥的实际受力测试结果，此方法的测试精度可控制在±5%之内[7]。索力的计算公式如下：

式中：T表示吊索的索力，kN；W表示单位索长的重量，kg/m；fn表示索的第n阶自振频率，Hz；L表示索的计算长度，m；n表示索自振频率阶数；g表示重力加速度，m/s2；f表示索自振基频，Hz。

针对龙河悬索管道桥采用CRAS动态信号采集和数据处理系统进行分析处理。经分析，得到了图4所示的东西两岸吊索索力测试结果。根据图4中数据，吊索索力上、下游分布不均匀，相差较大，差值在0～5%之间的占吊索总数的35.1%；差值在5%～10%之间的占吊索总数的32.1%；差值在10%～15%之间的占吊索总数的19.2%；差值在15%～20%之间的占吊索总数的7.7%；差值百分比超过20%的占吊索总数的5.1%。吊索实测安全系数均大于10.0，超过设计要求4.0，仍然能够很好地运行使用。

图4 吊索索力测试结果

3 龙河悬索跨越管道桥有限元分析

桥梁在投运状态下，荷载的变化会对悬索管道桥的挠度以及强度产生影响。由于挠度是评价桥梁健康状况的重要参数，而分析桥梁的强度是工程人员进行结构设计优化、了解结构受力状态以及保证结构安全的一个重要环节。因此有必要通过有限元分析软件进行桥梁的的挠度和强度模拟计算从而判断安全性。

3.1 不同工况下荷载参数分析

荷载主要考虑桥上的恒定荷载以及外部施加的可变荷载。

恒定荷载分为一期荷载以及二期荷载。一期荷载包括钢桁梁及拼接板、扶手、吊索索夹、风拉索索夹的自重，二期荷载即输气管道的自重。龙河悬索桥的恒定荷载见表1。

表1 恒定荷载

可变荷载主要包括检修荷载、冰雪荷载、裹冰荷载、风荷载以及温度荷载。下面主要分析3种工况下的成桥阶段荷载组合：①工况一，永久荷载+气体介质荷载+检修荷载+使用阶段风荷载+温度荷载；②工况二，永久荷载+气体介质荷载+冰雪荷载+使用阶段风荷载+温度荷载；③工况三，永久荷载+气体介质荷载+裹冰荷载+使用阶段风荷载+温度荷载。

检修荷载为1.2 kN/m2，冰雪荷载为0.2 kN/m2，裹冰荷载根据《高耸结构设计规范》得出，本设计的基准风速为30.1 m/s。对于温度荷载来说，其设计基准温度20℃，极端最高气温43.5℃，升温23.5℃，极端最低气温-2.5℃，降温-22.5℃。温度的变化对荷载有一定的影响，所以在进行工况计算时需要分别在工况下考虑升温和降温两种情况。

3.2 参数选取及模型的建立

依据设计图纸，计算参数采用施工及制造单位提供的参数及设计图纸上提供的参数，见表2。

采用Midas/Civil有限元计算软件进行全桥空间计算，全桥被离散为910个单元，设定有1 461个梁单元，204个索单元；桥塔主梁采用梁单元，主缆及吊杆采用拉索单元，考虑索的非线性作用；桥塔承台底固端约束，塔梁铰接，横桥向约束。计算模型如图5所示。

表2 悬索桥主要构件参数

图5 龙河跨越管道桥200 m悬索计算模型

3.3 强度检算结果

将以上分析的荷载数值施加在悬索跨越管道的有限元模型上，根据模拟软件的检算数据，得出该悬索桥成桥阶段各个构件的最大受力检算结果，见表3。其中主缆受到最大应力的工况受力如图6所示。

表3 结构最大受力检算结果（工况一）

对于桥梁的应力安全性分析，常引入安全系数。安全系数的大小是极限应力与许用应力的比值，工程认定当安全系数大于1时结构具有较好的安全性。本桥的主塔以及主梁采用热轧无缝钢管桁架式结构，钢材为Q345C，根据GB 50017—2017[8]规定该结构的容许强度为210 MPa，其索系结构的钢丝标准抗拉强度不小于1 670 MPa。由表3中的有限元分析结果，将结构最大受力结果与相应结构材料的容许强度对比得到，在3种工况下，主缆最大应力为297 MPa，安全系数为5.6；吊索最大应力为119 MPa，安全系数为14.0；风缆索最大应力为176 MPa，安全系数为9.5；风拉索最大拉力为148 MPa，安全系数为11.3。通过计算所得到的安全系数均大于1，材料安全。主塔和主梁的最大拉应力为106 MPa，最大压应力为-135 MPa，均小于210 MPa的容许应力，计算的安全系数均大于1。因此从强度验算结果可知，龙河跨越悬索桥成桥阶段各结构强度验算均满足设计要求。

图6 受到最大应力的工况受力图

针对该塔顶偏位对主塔受力进行检算，检算荷载为：50 mm塔顶偏位（通过水平荷载模拟）+主缆传递至塔顶的恒载竖向压力。主塔应力计算结果为：最大拉应力37 MPa，压应力为107 MPa，小于材料210 MPa的容许应力；安全系数为2.0，大于1；弹性稳定系数为8.0，大于4.0。主塔在该工况下，受力满足设计要求。

3.4 挠度检算结果

龙河跨越悬索桥成桥阶段的结构位移总体检算结果见表4。图7(a)和(b)显示了主梁中跨在竖直方向的最大以及最小形变图。根据GB/T 50459—2017[9]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。规范要求，在永久荷载和可变荷载标准作用下，刚性跨越主梁跨中不应大于受弯构件跨度的1/400，钢塔架、桅杆式钢塔架平面外方向的最大位移不应大于塔架高度的1/200。主梁工况下最大竖向位移为-431 mm（工况一、升温），最小竖向位移为-91 mm（工况一、降温），挠跨比为431/200 000≈1/464＜1/400，竖向刚度满足规范要求；主梁最大横向位移为379 mm（工况三、升温），比例为379/200 000≈1/528＜1/400，横向刚度满足规范要求；索塔最大纵向位移为46 mm（向边跨，工况一、升温），比例为46/26 000≈1/565＜1/200。根据以上检算得到的数据，可以认定龙河悬索桥在各工况下的挠度均能够满足设计要求，悬索桥可以在各工况下良好使用。

表4 结构位移检算结果 mm

图7 工况下主梁中跨竖向形变位移图

4 结论

1）对龙河悬索管道桥进行了线形测试以及吊索索力检测，得到桥面的上下游线型流畅且基本重合，吊索上下游索力变化范围满足设计安全性标准，检测构件安全性能良好。

2）根据有限元模拟分析龙河悬索管道桥的应力以及挠度数值，与工程规范进行比对后均能够满足设计要求，说明大桥的规格合乎标准，能够在上述工况条件下安全运行。成桥状态下悬索跨越管道仿真模型能够准确反映现场实际跨越结构受力情况，并能够用于后续受力分析。

3）通过实际检测及软件模拟判断该悬索桥的规范性，为同类型悬索桥的规范性验证提供参考。