普光气田后河悬索跨越索力荷载试验检测技术

杨发平 刘方检 庞 斌 刘二喜

中国石化中原油田普光分公司 采气厂 （四川 达州 636156）

中国石化普光气田主体酸气管线的P201-P301后河跨越始建于2007年8月，采用悬索跨越结构，东岸副跨跨越简易碎石路，后河是一常年性河流，河谷不对称。跨越场地处属亚热带湿润季风气候，四季分明，地区小气候差异较大，雨量充沛。地面海拔300～900m，相对高差20～200m，地形及地质条件非常复杂。普光气田H2S摩尔含量平均14.61%，属于超高含H2S气田，而且CO2含量也很高，达到了9.21%；地层水主要为硫酸钠型，总矿化度在7×104mg/L左右。

近5年的使用可能导致悬索结构腐蚀和疲劳的累积，特别是2010年7月18日发生的特大洪灾可能使得悬索桥有不同程度的损伤，比如主索松弛、吊索应力过大的不均匀变化等[1]，可能影响悬索桥和酸气管线的安全运行。为保障悬索结构运行状况良好,确保酸气管线的安全运行，参照SY/T 6068-2008《油气管道架空部分及附属设施维护保养规程》[2]等相关标准、规程对其实施检测与评价，及时发现隐患，提高管道运行的安全可靠性，延长管道的使用寿命。

1 频率法索力测量原理

索力和索的参数有一定的关系，通过测量索的振动频率就可以计算出它的索力[3]。

利用弦振动理论可得到索力与其自振频率之间的关系。在考虑抗弯刚度的情况下，索的动力平衡微分方程为:

w为单位长度索重；g为重力加速度；y为垂直于斜拉索长度方向的坐标；E1为索的抗弯刚度；T为索的张力；t为时间。

边界为铰支约束时:

L为索长，fn为索的第n阶自振频率，n为振动阶数。若不考虑抗弯刚度的影响，则可得简化的索力为:

对于某一确定的索，式（3）中的 w、L、g为已知值，如果能精确测定，并确定相应的n值，便可求得索力T。在环境随机激励下，索总会以某几阶自振频率混合振动，故工程现场测试常采用如下流程:加速度传感器、电荷放大器、信号分析仪、计算机计算。加速度传感器将索振动加速度信号转换成电信号；电荷放大器将电荷信号放大并将噪声滤去；信号分析仪通过快速傅里叶变换得出功率谱图；人工将各阶频率输入计算机中，通过计算机事先编好的索力计算程序得出索力。

2 索力检测与调整

P201-P301后河跨越结构主跨跨度为175.0m，主索垂度20.0m，桥面设1m预起拱，西南岸边跨跨度27.5m，东岸边跨跨度44.5m，东岸副跨30m。桥面结构采用薄腹空间钢管桁架结构，桥面结构宽约2.5m，高约0.5m，管道通过桥面上的滚动支座搁置在桥面结构上弦面的两侧。两岸各设钢塔架一座，塔架高度约为25m，采用四柱式锥形钢塔架。两岸塔基础、主索锚固墩、风索锚固墩周围采用钢丝网围墙防护。

2.1 索系设计

设计、施工按照有关规定[4]，设计主索型号为PES5-139（JT/6-94），主索锚的锚具可按钢缆索的型号配用相应的类型，即:设计主索型号为PES5-139（JT/6-94），主索锚头采用 PESM5-139，直径 78mm；设计风索型号为:PES5-37，直径45mm。主索吊索、风索拉索均采用Φ16-1670单股镀锌钢丝绳，钢丝绳两端采用热铸锚头连接。钢丝绳采用热挤聚乙烯防腐，防腐层厚度为5mm。通过专门设计的夹片与主索、风索连接。夹片与主索、风索连接时，均在张拉至设计拉力时进行施工。

2.2 主索索力测量

主索共分为3段，主跨区和东、西两岸的边跨区，主跨区主索与2个主塔相连，边跨区主索两端分别与主塔和主索锚固墩相连。由于主跨区主索上连接有吊索无法进行测量，因此，利用结构受力平衡的原则，通过测量西侧边跨处于自由状态的主索索力计算出主跨区主索的索力。主索索力是通过测量其振动频率，结合主索的相关参数计算得到。主索型号为 PES5-139（JT/6-94），直径 78mm，主索设计拉力1473kN。

图1为主索的振动时域信号，图2为主索的振动频域信号。表1为主索索力测量表。

表1给出了主索索力测量结果。参照GB/T 18365-2001《斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件》[5]，主索考虑安全系数后允许的索力为1823kN,设计值为1473kN，实测值为1323.5kN和1515.9kN，与设计值比较接近，与允许值有较大的差值，因此，主索索力有一定的富余。

2.3 吊索索力测量

吊索上部与主索相连，下部与钢桁架连接，采用Ф16-1670单股镀锌钢丝绳，钢丝绳两端采用热铸锚头连接。钢丝绳采用热挤聚乙烯防腐，防腐层厚度为5mm。通过专用夹片与主索、风索连接。吊索不但传承着钢桁架和输气管道的重量，而且起着调节钢桁架线型的作用。

表1 主索索力测量表

表2 索力调整

由于吊索的基频较低，索力测量采用中国地震局工程力学所生产的超低频传感器，传感器产生的振动信号通过数据采集系统进行记录，利用专门的频谱分析软件通过谱分析得到吊索的振动频率，结合拉索的相关参数通过计算得到吊索的拉力。

由于吊索属于柔性构件，可以通过环境激励或者人工激励使吊索产生振动，本次测量采用人工激励方式使吊索产生较大的振动，以便于得到较好的振动信号，减小噪声干扰，提高测量精度。求得各吊索索力见图3和图4。

由图3、图4可知，南侧、北侧索力走势基本一致，且大小差别很小。吊索的索力分布不均，最小为5.22kN，最大索力为38.50kN，参考Ф16钢丝绳的最小破坏应力为156kN，吊索的索力均具有较大的安全储备。

2.4 风索索力测量

主风索及风系索在南、北两侧对称分布，主风索两端固定在风索锚固墩上，风系索两端分别与主风索和钢桁架相连。主风索设计风索型号为:PES5-37，直径45mm。主风索设计拉力为250kN。风系索采用Ф16-1670单股镀锌钢丝绳，钢丝绳两端采用热铸锚头连接。钢丝绳采用热挤聚乙烯防腐，防腐层厚度为5mm。求得各风索索力见图5和图6。

对比图5、图6，可以看出对称风索的变化规律不如吊索的变化规律规整，但其值的大小变化不大，风索的刚度更小，主风索及风系索的作用是减小钢桁架的振动和横向移动，风索可看做一个储备力，在遇到强风作用时可很大程度地抑制钢桁架的运动，保证输气管道的安全工作。

2.5 索力优化

针对吊索和风索索力的测量和现场目测结果，选择对松弛明显的吊索北-36、吊索南-36、风索北-9、风索北-21、风索南-7、风索南-10、风索南-26 进行调整紧固。表2给出了具体的索力调整值。通过调整后，索力均有所增加，吊索和风索的松弛现象明显改观，使得P201-P301后河跨越吊索系和风索系的索力分布趋于均匀。

3 结论

通过对悬索工程的全面检测可以得出如下结论:

（1）跨越工程总体情况良好，处于一个较好的工作状态。

（2）主缆索力与设计索力基本吻合，北侧索力稍低于设计值，南侧索力稍高于设计值。

（3）吊索索力分布基本均匀，东塔两侧南、北侧吊索索力较小，而且均有较大的富余。

（4）风缆索力分布不均，而且索力普遍较小。

索力测量是索桥等检测工作的关键工作，而通过随机振动的频率分析检测索力是一种简便有效的方法，检测速度快、仪器可重复使用，可供同类结构工程检测索力借鉴。在需要高精度测算索力时，要考虑索的刚度、垂度和两端固定方式及阻尼器的介入影响[6]，其振动频率方法的简易工程实践操作需要进一步论证。

[1]杨健,董振平,南航,等.钢桁架悬索桥检测与评估[J].公路,2010(2):8-13.

[2]SY/T 6068-2002.油气管道架空部分及附属设施维护保养规程[S].

[3]宋一凡.公路桥梁结构动力学[M].北京:人民交通出版社,2001.

[4]赵小磊,李国普.悬索桥动力特性分析[J].科技信息,2010,(17):900-901.

[5]GB/T 18365-2001斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件[S].

[6]林顺洪.中（下）承式拱桥吊索（杆）系静张力有限元分析[D].重庆:重庆大学,2002.