悬索跨越管桥结构的静力及动力特性分析★

谢 丹

(抚州市国防动员事务中心,江西 抚州 344000)

在油气长输管道建设和水利工程中经常采用跨越管桥结构[1-4]。跨越管桥与悬索结合使用,可以充分发挥其结构优势,跨径增大、造型优美、节约造价等优点凸显,使其在工程设计中广泛运用[5-8]。咸阳至宝鸡天然气输送管道工程中多处使用悬索跨越管桥结构,本文以渭惠渠跨越段中采用的悬索跨越管桥为工程实例,运用ANSYS软件建立了该悬索跨越管桥结构的三维有限元分析模型,通过对该结构进行三种工况下的静力性能分析,获得变形和应力分布情况,研究结构受力和变形的安全性,为同类结构的设计提供参考。通过动力特性分析得到悬索跨越管桥结构的各阶自振频率和振型,为下步进行动力响应分析奠定基础。

1 工程参数

该悬索跨越管桥工程实例中竖向管道两端之间的跨度为62 m,其中主塔之间的跨度为56 m,主塔高度为7 m,工程实景见图1。

主塔采用钢框架结构,钢框架的立柱和横梁均采用圆钢管,立柱尺寸为φ219 mm×6 mm,横梁尺寸为φ159 mm×6 mm。天然气输送管道采用圆钢管,尺寸为φ720 mm×12 mm。主塔之间悬索失高3.5 m,采用钢绞线,主塔之间的悬索尺寸为φ350 mm。两边拉锁与水平面成45°,均采用钢绞线,尺寸为φ300 mm。吊索间距为5.6 m,均采用钢绞线,尺寸为φ50 mm。悬索、拉锁及吊索的极限强度均为1 720 MPa。两吊索之间设置横梁支撑管道,横梁采用槽钢,型号为16a。钢管及槽钢屈服强度标准值均为Q235,弹性模量均为2.06×108MPa,密度均为7.9×103kg/m3。悬索跨越管桥结构的剖面图见图2。

2 三维有限元模型建立

为了简化计算,忽略影响计算结果的次要因素,采用以下基本假定:1)假设管道全跨的弯曲刚度和单位长度质量为恒定值;2)吊索轴向变形相对较小,忽略吊索的轴向拉长,即不考虑主索和管道的相对垂直位移[9-12]。

运用ANSYS软件建立了该悬索跨越管桥结构的三维有限元分析模型。管道、立柱、横梁均采用ANSYS软件中的Beam189单元建立,Beam189单元可充分体现钢梁、钢柱的受力和变形特征[13-17]。吊索和悬索均采用Link10单元建立,Link10单元模拟索的性能,只可承受拉力,不可承受压力。该有限元模型共划分89个单元,包含157个节点。4个立柱与地面约束采用固结,两边拉锁与地面约束也采用固结。吊杆与底部槽钢横梁进行自由度耦合,两者共同变形。悬索管桥的三维有限元模型见图3。

3 静力作用分析

本文主要计算以下三种工况下的受力性能:

工况一:预应力+重力。

工况二:预应力+重力+检修荷载。

工况三:预应力+重力+风荷载。

预应力通过设置索的初应变来施加,预应力取350 MPa,对应主索的初应变为1.67×10-3;重力通过设置各构件的密度和重力加速度来施加,正常工作时考虑管道内充满天燃气,天燃气的重力通过质量单元施加到各个管道节点上;检修荷载包括工人、焊机等设备自重,约为5 kN,作用在跨中时为最不利的情况;根据该悬索跨越管道所处地理位置,基本风压取为0.35 kN/m2。

通过有限元软件进行静力作用分析,得到三种工况下悬索跨越管桥结构跨中管道节点的最大位移值和主塔塔顶最大位移值,并根据相应最大位移值计算出最大挠跨比和最大层间位移角,计算结果如表1所示。

表1 悬索跨越管桥结构的最大位移

从表1可以看出:

1)工况三(预应力+重力+风荷载)作用下的跨中位移和塔顶位移最大,工况二(预应力+重力+检修荷载)作用下其次,工况一(预应力+重力)作用下的位移最小;2)三种工况作用下管道的最大挠跨比为1/586,小于规范限值1/200,满足《公路悬索桥设计规范》[18]规定限值要求。该挠跨比能够满足管道正常使用要求,确保管道在传输天燃气的过程中不会因为管道发生较大变形,导致管道开裂,引发燃气泄露,造成安全事故;3)三种工况作用下主塔的最大位层间移角为1/909,小于规范限值1/300,满足《建筑抗震设计规范》[19]的要求。

通过有限元软件进行静力作用分析,得到三种工况作用下管道和主塔的应力云图及主索和边索的轴向应力云图,如图4—图6所示。其中,索为杆单元,只有轴向应力,而管道和主塔为梁单元,有三个方向的应力,本文提取了等效应力。从图中可以看出:1)管道的最大应力出现在跨中位置,主塔的最大应力出现在立柱与地面连接处;2)边锁的轴向应力值大于主锁,主锁两侧的轴向应力大于跨中部位的轴向应力。

提取各单元的应力最大值如表2所示。从表2可以看出:1)管道的最大应力在工况二(预应力+重力+检修荷载)取得,最大值为52.6 MPa,主塔的最大应力在工况三(预应力+重力+风荷载)取得,最大值为122.0 MPa,两者均小于钢材屈服强度235 MPa,满足钢材的强度要求;2)主索的最大应力在工况二(预应力+重力+检修荷载)取得,值为390.0 MPa,边索的最大应力在工况三(预应力+重力+风荷载)取得,值为354 MPa,两者均小于钢绞线的极限强度1 720 MPa,满足钢绞线强度要求。该结构强度满足安全要求。

表2 结构的最大应力值

4 动力特性分析

采用分块Lanczos法对ANSYS建立的悬索跨越管桥结构进行了模态分析[20],提取了计算结果中的前四阶振型,如图7所示。第一阶振型为一个正旋半波横向弯曲振动,第二阶振型为一个正旋半波竖向弯曲振动,第三阶振型为两个正旋半波横向弯曲振动,第四阶振型为两个正旋半波竖向弯曲振动,第五阶振型为扭转振动。根据结构的各阶振型,在低频振动时,其振型主要表现为管道的横向和竖向弯曲振动,当外界激振频率较高时,管道的振型还伴随有扭转振动。

提取前十阶频率,如表3所示。从表3计算结果可以看出,悬索跨越管桥结构是一种低频率振动结构,主要是因其结构跨度大、整体刚度小导致。

表3 悬索跨越管桥结构的固有振动频率

5 结论

本文运用ANSYS软件建立了悬索跨越管桥结构工程实例的三维有限元分析模型,通过静力和动力特性分析可以看出:

1)位移控制工况为工况三(预应力+重力+风荷载)作用工况,管道和主索强度控制工况为工况二(预应力+重力+检修荷载)作用工况,主塔和边索强度控制工况为工况三(预应力+重力+风荷载)作用工况;2)三种静力工况下管道的最大挠跨比均满足《公路悬索桥设计规范》限值1/200要求,满足管道正常使用要求;3)三种静力工况下主塔最大层间位移角值均满足《建筑抗震设计规范》限值1/300要求;4)三种静力工况下管道、主塔和悬索的材料强度均满足强度条件要求,在静力作用下该悬索跨越管桥结构是安全的;5)通过动力特性分析得到悬索跨越管桥结构的各阶自振频率和振型,为下步进行动力响应分析奠定基础。