（化工过程机械专业论文）悬索式管桥静力、清管及地震分析研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t h 学科分类号 5 3 0 3 l 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 4 2 6 密级 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名王思青学号 2 0 0 4 0 0 0 4 2 6 获学位专业名称 化工过程机械 获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源 其他项目 研究方向石油化工过程新型设备 论文题目悬索管桥的静力、清管及地震分析研究 悬索管桥；a n s y s ；动力特性 关键词 论文答辩日期2 0 0 7 年5 月3 0 日论文类型应用研究 学位论文评阗及答辩委员会情况 姓名职称 工作单位学科专长 指导教师钱才富教授北京化工大学化工机械 评阅人1 徐鸿教授北京化工大学化工机械 评阅人2 孙腾良高工中国化工装备总公司化工机械 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席孙腾良高工中国化工装备总公司化工机械 答辩委员1王奎升教授北京化工大学化工机械 答辩委员2徐鸿教授北京化工大学化工机械 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 冱：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在中国图书资料分类法查询 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 摘要 悬索式管桥静力、清管及地震分析研究 摘要 悬索式管桥是管道输送中常用的一种形式，其结构主要是由主索、抗 风索、塔基和锚固系统及管桥等部分组成，主索和抗风索的形状和尺寸随 载荷的大小、位置和分布规律等的不同而改变。本文建立了悬索管桥分析 的有限元模型，并考虑了悬索管桥恒载产生的初始内力、拉索垂度等几何 非线性因素。分析了管桥主要构件在各种恒载状态下的受力及变形情况， 并通过对大桥进行动力分析，获得了大桥的自振频率、振型以及清管时管 桥的动态力学特性。 此外，本文在国内外有关研究成果的基础上，以八盘峡悬索式管桥为 工程背景，利用a n s y s 结构分析程序，采用反应谱法对八盘峡悬索式管桥 进行了地震反应分析，得到了该桥的地震反应规律。以此为基础，针对该 悬索桥的特点，选择了合适的标准反应谱曲线和阻尼修正公式，并根据所 求得的阻尼比对反应谱曲线进行了阻尼影响的修正。然后分别沿八盘峡悬 索式管桥的纵向、横向、竖向以及考虑多维地震动输入，输入修正后的反 应谱曲线，对该悬索式管桥进行了地震反应谱响应分析，同时还分析了反 应谱曲线阻尼影响的修正与否对大跨度悬索桥地震反应谱响应的影响，并 得出了相应的结论。 最后，对本文的研究工作进行了总结，给出了研究中的一些结论，并 指出了在进一步研究中有待解决的问题。 关键词：悬索管桥；a n s y s ；动力特性；反应谱方法 些曼! 坠竺! _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ i - _ _ _ i _ _ _ _ - _ - - - - - - _ _ i - - - - _ _ - - - _ _ _ _ _ _ 一。 s t a t i c ，p i g g i n g a n ds e i s m i ca n a l y s i so ft h e p i p e l i n es u s p e n s l o nb r i d g e a b s t r a c t p i p e l i n es u s p e n s i o nb r i d g ei s o n eo ft h em a i nf o r m si nt h ep i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o n a n di sc o m p o s e do fm a j o rc a b l e s ，a n t i - w i n dc a b l e s ，t o w e r s ， a n c h o rf o u n d a t i o n sa n dp i p e l i n eb r i d g e t h es h a p ea n dd i m e n s i o no f t h em a j o r c a b l e sa n dt h ea n t i w i n d c a b l e sa r e c h a n g e dw i t h s i z e ，l o c a t i o na n d d i s t r i b u t i o no ft h el o a d i nt h i sp a p e r ，af i n i t ee l e m e n tm o d e l f o r t h ea n a l y s i so f t h ep i p e l i n es u s p e n s i o nb r i d g ew a ss e tu pw i t hc o n s i d e r i n gt h ei n i t i a li n t e m a l f o r c ea n dv e r t i c a l i t yo ft h es t a y i n gc a b l e s t r u c t u r a ls t a t i ca n a l y s i si nd i f f e r e n t c o n d i t i o n sw a sc o n s i d e r e da n ds t r e s sa n dd i s p l a c e m e n t sw e r ec a l c u l a t e df o r t h em a j o rc o m p o n e n t so ft h ep i p e l i n es u s p e n s i o nb r i d g e n a t u r a lf r e q u e n c y ， m o d e sa n dt h eb r i d g e sd y n a m i cp e r f o r m a n c ei np i g g i n go p e r a t i o nw e r ea l s o o b t a i n e db yp e r f o r m i n gd y n a m i ca n a l y s i so ft h eb r i d g e o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t si nt h e1 i t e r a t u r ea n dw i t h b a p a n x i ab r i d g ea st h eo b j e c t ，a n s y ss t r u c t u r a la n a l y s i sp r o c e d u r e sa n d t h e s p e c t r a la n a l y s i st h e o r ya r eb o t hu s e dt oc a l c u l a t et h es e i s m i cr e s p o n s e w i t ht h er e s u l t s ，a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fb a p a n x i ab r i d g e ，t h e s u i t a b l es t a n d a r dr e s p o n s es p e c t r u mc u r v ea n dd a m p i n g - m o d i f i e df o r m u l aa n d m o d i f i e dt h er e s p o n s es p e c t r u mc u r v ew e r ec h o s e n i n p u t t i n gt h em o d i f i e d r e s p o n s es p e c t r u m c u r v ea l o n gt h el o n g i t u d i n a l ，t r a n s v e r s e ，v e r t i c a l a n d m u l t i d i m e n s i o n a ld i r e c t i o n s ，t h es e i s m i cr e s p o n s e so fb a p a n x i ab r i d g ew e r e a n s l y s e da n dt h er e s u l t sf o rt w ow o r k i n gc o n d i t i o n s ，1 e d a m p i n g 。m o d r l e d 一一 。 。一 a n du n m o d i f i e d ，w e r ec o m p a r e dd e t a i l l ya n ds o m ec o n c l u s i o n sw e r ea r r i v e d f i n a l l y , t h ew o r ki nt h i sp a p e r i ss u m m a r i z e da n ds o m ec o n c l u s i o n sa b o u t t h es t u d ya r ed r a w n ，a n df u r t h e rm o r e ，t h ef u r t h e rr e s e a r c hs u g g e s t i o n sa r e g i v e n k e y w o r d s ：p i p e l i n es u s p e n s i o nb r i d g e ，a n s y s ，d y n a m i cp e r f o r m a n c e ， r e s p o n s es p e c t r u m m e t h o d i i 目录 目录 第一章绪论1 1 1 悬索式管桥静力、清管及地震分析研究概况l 1 1 1 悬索桥发展概况1 1 1 2 悬索桥有限元法发展概况。2 1 1 3 清管动力分析4 1 1 4 地震多j 析5 1 2a n s y s 通用有限元程序简介。7 1 3 本文研究意义7 1 4 本文主要研究内容7 第二章结构几何非线性有限元分析9 2 1 悬索桥结构计算理论9 2 2 有限位移理论。9 2 2 1 概主苤9 2 2 2 变形及其描述9 2 2 3 应变1o 2 2 4j 堕z 力10 2 2 5 大变形小应变的弹性本构关系10 2 2 6 几何非线性有限元分析的数值方法1 1 2 - 3 悬索桥结构非线性杆系有限元分析1 4 2 3 1 悬索桥非线性性质的来源1 4 2 3 2 基于有限位移理论的悬索桥非线性有限元分析方法15 第三章悬索式管桥结构静力分析1 8 3 1 悬索式管桥有限元模型建立1 8 3 1 1 悬索式管桥的几何结构特点1 8 3 1 2 单元类型18 i i i 北京化t 人学硕i j 学位论文 3 1 3 材料2 0 3 1 4 单元常数与截面。2 0 3 1 5 约束与加载2 1 3 1 5 1 约束简化2 1 3 1 5 2 载荷21 3 1 5 3 载荷简化21 3 1 6 有限元模型建立。2 2 3 2 关于密度等效的计算。2 3 3 2 1 所有索的密度等效2 3 3 2 2 煤气管的密度等效2 3 3 2 3 滚动支座的密度等效2 4 3 2 4 主桥的密度等效2 4 3 2 5 水压试验时水重量的密度等效2 4 3 3 静力分析结果。2 5 3 3 1 静力分析要求2 5 3 3 2 成桥工况下悬索式管桥结构分析。2 5 3 3 2 1 抗风索索系找形2 5 3 3 2 2 应力刚化与重力刚度的考虑2 5 3 3 2 3 结构分析结果与校核2 5 3 3 4 正常工作下悬索式管桥结构分析。2 9 3 3 4 1 关于风载的等效计算2 9 3 3 4 2 结构分析结果与校核31 3 3 5 水压试验下悬索式管桥结构分析3 4 第四章悬索式管桥结构动力分析3 9 4 1 悬索式管桥模态分析3 9 4 1 1 悬索式管桥结构动力特性分析方法3 9 4 1 2 模态分析结果。3 9 4 2 清管器通过时悬索式管桥的动态特性分析4 2 4 2 1 悬索式管桥结构与清管动载荷4 3 4 2 2 清管动力分析有限元法4 4 4 2 3 关于清管器移动过程中水重量的等效4 5 i v 目录 4 2 4 实际悬索式管桥清管动力特性分析4 5 4 2 4 1 清管时动力分析简化。4 5 4 2 4 2 悬索式管桥清管动力特性分析结果4 6 4 2 5 清管动力分析结果讨论5 3 第五章悬索式管桥地震反应谱分析。5 4 5 1 概烫睦5 4 5 2 地震反应谱5 5 5 2 1 反应谱的定义。5 5 5 2 2 振型组合方法5 6 5 2 3 多维地震动输入下的振型组合方法5 7 5 3 大跨度桥梁的地震反应谱5 8 5 3 1 桥梁规范反应谱5 9 5 3 2 规范反应谱长周期段的修正。5 9 5 3 3 反应谱的阻尼影响修正。6 4 5 4 反应谱曲线的选取及修正6 5 5 5 八盘峡黄河悬索式管桥的地震反应谱分析。6 7 5 5 1 三向正交分量独立作用下谱分析的位移响应结果6 7 5 5 2 三向正交分量独立作用下谱分析的应力响应结果6 9 5 5 3 多维地震动输入下谱分析的应力响应结果7 0 第六章结论与建议7 2 6 1 结论7 2 6 2 研究建议7 3 参考文献7 4 至炙谢。7 6 已发表的学术论文7 7 作者和导师简介7 8 v 北京化- t 人学硕上学位论文 c o n t e n t s c h a p t e r 1o v e r v i e w ”1 1 1t h er e s e a r c hs u m m a r i z a t i o no fs t a t i c ，p i g g i n ga n ds e i s m i ca n a l y s i so fs u s p e n s i o nb r i d g e 1 1 1 1d e v e l o p m e n to fs u s p e n s i o nb r i d g e 1 1 1 2d e v e l o p e n to ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d so fs u s p e n s i o nb r i d g e 2 1 1 3p i g g i n ga n a l y s i s 4 1 1 4s e i s m i ca n a l y s i s 5 1 2i n t r o d u c t i o no f a n s y sp r o g r a m ， 1 3s i g n i f i c a n c eo ft h es t u d y ， 1 4m a i nc o n t e n t so ft h es t u d y c h a p t e r2g e o m e t r i cn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 9 2 1t h ea n a l y t i c a lt h e o r yo fs u s p e n s i o nb r i d g e 9 2 2f i n i t ed i s p l a c e m e n tt h e o r y 。”9 2 2 1i m r o d u c t i o n 。”9 2 2 2d e f o r m a t i o na n dd e s c r i p t i o n 9 2 2 3s t r a i n 。1o 2 2 4s t r e s s 1 0 2 2 5e l a s t i cc o n s t i t u t i v er e l a t i o n so fl a r g ed e f o r m a t i o na n ds m a l ls t r a i n 1 0 2 2 6n u m e r i c a lm e t h o d so fg e o m e t r i c a l l yn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 1 1 2 3n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fs u s p e n s i o nb r i d g e 1 4 2 3 1n o n l i n e a rn a t u r eo f s u s p e n s i o nb r i d g e 1 4 2 3 2f i n i t ed i s p l a c e m e n t b a s e ds u s p e n s i o nb r i d g en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d 1 5 c h a p t e r 3s t r u c t r a ls t a t i ca n a l y s i so ft h es u s p e n s i o nb r i d g e 1 8 v i c o n t e n t s 3 1e s t a b l i s h m e n to fs u s p e n s i o np i p eb r i d g ef i n i t ee l e m e n tm o d e l 18 3 1 1s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fs u s p e n s i o np i p eb r i d g e 。18 3 1 2e l e m e n tt y p e 。18 3 1 3m a t e r i a l 。2 0 3 1 4e l e m e n tc o n s t a n t sa n ds e c t i o n s 。2 0 3 。1 5c o n s t r a i n sa n dl o a d s 2 1 3 1 5 1s i m p l i f i e dc o n s t r a i n s 2 1 3 1 5 2l o a d s 2 1 3 1 5 3s i m p l i f i e dl o a d s 2 1 3 1 6e s t a b l i s h m e n to ff i n i t ee l e m e n tm o d e l 。2 2 3 2d e n s i t yc a l c u l a t i o n 2 3 3 2 1d e n s i t ye q u i v a l e n c eo fa l lc a b l e s 2 3 3 2 2d e n s i t ye q u i v a l e n c eo ft h ep i p e 2 3 3 2 3d e n s i t ye q u i v a l e n c eo f t h es u p p o r t 2 4 3 2 4d e n s i t ye q u i v a l e n c eo f t h em a j o rb r i d g e 2 4 3 2 5d e n s i t ye q u i v a l e n c eo f t h ew a t e ri nt h eh y d r a u l i c t e s ts t a t e 2 4 3 3s t a t i ca n a l y s i sr e s u l t s 2 5 3 3 1s t a t i ca n a l y s i sr e q u i r e m e n t s 2 5 3 3 2s t r u c t u r a la n a l y s i so ft h es u s p e n s i o nb r i d g ei nt h ef i n i s h e ds t a t e 2 5 3 3 2 1c a b l e sa d j u s t m e n to f t h ea n t i w i n dc a b l e s 2 5 3 3 2 2c o n s i d e r a t i o no fs t r e s ss t i f f e n i n ga n dg r a v i t ys t i f f n e s s 2 5 3 3 2 3s t r u c t u r a la n a l y s i sr e s u l ta n dc h e c k i n g ”2 5 3 3 4s t r u c t u r a la n a l y s i so ft h es u s p e n s i o nb r i d g ei nt h eo p e r a t i o ns t a t e 2 9 3 3 4 1e q u i v a l e n tc a l c u l a t i o no f w i n dl o a d 2 9 3 3 4 2s t r u c t u r a la n a l y s i sr e s u l ta n dc h e c k i n g 31 3 3 5s t r u c t u r a la n a l y s i so ft h es u s p e n s i o nb r i d g ei nt h eh y d r a u l i c t e s ts t a t e 3 4 c h a p t e r 4s t r u c t r a ld y n a m i ca n a l y s i so ft h es u s p e n s i o nb r i d g e 3 9 4 1m o d a la n a l y s i so ft h es u s p e n s i o np i p eb r i d g e 。”3 9 4 1 1d y n a m i ca n a l y s i sm e t h o d so fs u s p e n s i o nb r i d g e ”3 9 4 1 2m o d a la n a l y s i sr e s u l t s 3 9 4 2d y n a m i ca n a l y s i so fp i gp a s s i n gt h es u s p e n s i o nb r i d g e 4 2 4 2 1s t r u c t u r ea n dp i g g i n gd y n a m i cl o a do ft h es u s p e n s i o nb r i d g e 4 3 v h 北京化工人学硕士学位论文 4 2 2f i n i t ee l e m e n tm e t h o do fp i g g i n gd y n a m i ca n a l y s i s 4 4 4 2 3w a t e re q u i v a l e n c eo np i gp a s s i n g 4 5 4 2 4p i g g i n gd y n a m i ca n a l y s i so ft h es u s p e n s i o nb r i d g e 4 5 4 2 4 1s i m p l i f i e dp i g g i n gd y n a m i ca n a l y s i s 4 5 4 2 4 2p i g g i n gd y n a m i ca n a l y s i sr e s u l t so ft h es u s p e n s i o nb r i d g e 4 6 4 2 5d i s c u s s i o no fp i g g i n gd y n a m i ca n a l y s i s 5 3 c h a p t e r5s e i s m i cr e s p o n s es p e c t r u ma n a l y s i so f t h es u s p e n s i o nb r i d g e 5 4 5 1i n t r o d u c t i o n 5 4 5 2s e i s m i cr e s p o n s es p e c t r u m 5 5 5 2 1d e f i n i t i o no f r e s p o n s es p e c t r u m 5 5 5 2 2v i b r a t i o nm o d ec o m b i n a t i o nm e t h o d s 5 6 5 2 3v i b r a t i o nm o d ec o m b i n a t i o nm e t h o d so fm u l t i - d i m e n s i o n a ls e i s m i ci n p u t 5 7 5 3s e i s m i cr e s p o n s es p e c t r u mo fl o n g - s p a nb r i d g e 5 8 5 3 1s t a n d a r dr e s p o n s es p e c t r u mo fb r i d g e s 5 9 5 3 2t h ea m e n d i n go fs t a n d a r dr e s p o n s es p e c t r u mi nt h el o n gc y c l ep a r t 5 9 5 3 3d a m p i n ge f f e c t sa m e n d i n go fr e s p o n s es p e c t r u m 6 4 5 4s e l e c t i o na n da m e n d i n go fr e s p o n s es p e c t r u m 6 5 5 5s e i s m i cr e s p o n s es p e c t r u ma n a l y s i so fb a p a n x i as u s p e n s i o nb r i d g e 6 7 5 5 1d i s p l a c e m e n tr e s p o n s er e s u l t su n d e rt h r e eo r t h o g o n a lc o m p o n e n t s 6 7 5 5 2s t r e s sr e s p o n s er e s u l t su n d e rt h r e eo r t h o g o n a lc o m p o n e n t s 6 9 5 5 3s t r e s sr e s p o n s er e s u l t su n d e rm u l t i d i m e n s i o n a ls e i s m i ci n p u t 7 0 c h a p t e r 6c o n c l u s i o na n ds u g g e s t i o n s 7 2 6 1c o n c l u s i o n 。7 2 6 2s u g g e s t i o n 7 3 p e f e r e n c e s 7 4 t h a n k s 7 6 p u b l i s h e da c a d e m i ca r t i c l e s 7 7 b i o g r a p h i e s 7 8 v i i i 符n 说明 符号说明 k i r c h h o f 应力张量，p a g r e e n 应变张量 弹性模量，p a 索长度，m 索内应力，p a 密度，堙m 。3 截面积，m 2 钢索直径，n l n 3 支座的体积，m 3 风载大小，n 质点系统虚位移，m 单位长度的管道质量，k g 管道轴向位移，m 为管道横向位移，m 管内单位长度的流体质量，崦 管内流体流速，m j 一 管内抗弯刚度，n m 2 管道输送流体压力，m p a 清管器前后压差，m p a 清管器截面面积，m 2 清管器与罐壁间的摩擦力，n 积液段液体的摩擦剪力，n m 动量修正系数 管道质量刚度矩阵 管道阻尼矩阵 管道刚度矩阵 管道固液耦合阻尼矩阵 管道固液耦合刚度矩阵 阻尼比 自振频率 动力系数 i x 青 d】j】j 妨e， 盯 p s d v f 万 x y 坼v p蛾t f 瞰心阮n阮f缈 北京化工大学硕二t 学位论文 x 第一章绪论 第一章绪论 1 1 悬索式管桥静力、清管及地震分析研究概况 1 1 1 悬索桥发展概况 悬索桥，又称吊桥，是一种古老的桥型。早在远古时代，我们的祖先就开始用藤 条和竹子编制简单的人行吊桥，到公元前5 0 年，我国四川出现了跨度为百米的铁索吊 桥，这比西方要早近一千八百年。在此后漫长的封建社会里，随着冶炼技术的进步， 铁索桥在我国曾经不胜枚举，因此在很长一段时间内，中国的铁索桥建筑技术远比西 方先进。由于建筑材料及施工技术的局限性，1 8 世纪前的古代桥梁跨度都比较小，常 常不足百米【l 】；这一阶段的桥型比较单一，以简直梁为主。但历史进入1 9 世纪后，随 着资本主义革命的胜利，西方在政治、经济、文化与科技方面突飞猛进。1 8 0 8 年英国 建成f i n l e y 悬索桥，该桥除了使用铁链制成的铁索外，还用到吊杆悬吊的水平桥面， 即加劲梁，从而第一次出现了近代悬索桥的雏形。之后，英国丌始尝试采用眼杆( e y e b a r ) 制作主索，并分别于1 8 2 6 年与1 8 6 4 年建成跨径达1 7 7 m 的m e n a is t r a i t 桥与2 1 4 m 的 c l i f t o n 桥。1 8 1 6 年法国工程师率先发明了用钢丝制成悬索桥主缆的方法，并提出用无 端索进行主缆施工的理念，从而揭开了现代悬索桥发展的序幕。利用钢丝和钢绞线乃 至后来出现的高强钢丝等现代钢材制造的承重缆索开始在悬索桥中得以广泛应用【2 j 。 在材料不断革新的同时，悬索桥的施工工艺特别是主缆施工工艺也在不断改进。 1 8 5 5 年，美国的j o h n a r o e b l i n g 首创“空中纺缆 的方法( a s 法) 来纺制平行钢丝主缆， 并在尼亚加拉峡谷上建成跨度达2 5 0 米的公铁两用悬索桥。到1 8 8 3 年，美国在纽约伊 斯特河上建成的b r o o k l y n 桥主跨跨度己达4 8 6 米。在此后的一百多年里，悬索桥的主缆 施工基本都采用这种方法。而即使在今天，这一方法仍然有其用武之地。悬索桥主缆 施工工艺的另一次重大创新是在1 9 5 7 年，美国的麦基纳克桥首次采用预制平行丝股法 ( p w s 法) 进行主缆施工，并在此后得到大量推广，而且逐渐成为一种主流方法。尤其 是在日本，其从1 9 6 9 年以后建成的长大悬索桥除平户大桥与下津井獭户桥以外几乎全 部采用这一方法。到目前为止，采用这一方法施工的悬索桥的最大跨径己达1 9 9 0 米( 日 本明石海峡大桥) 1 2 j1 3 j 。 如果仅仅提到材料的革新与施工工艺的改进并不足以代表推动悬索桥发展的全 部动力，实际上其中一个更为重要的原因是人们对这一桥型结构行为与力学特性认识 的不断加深，在这一过程中，曾先后产生了弹性理论、挠度理论与有限位移理论等。 可以说悬索桥本身的发展与其计算分析理论的不断完善密不可分。随着结构计算分析 手段的提高特别是近年来计算机的应用与有限元技术的发展，人们对这一特殊结构的 认识将更为透彻，同时也必将把悬索桥建设推向一个新的高度。 北京化工人学硕士学位论文 由于历史等方面的原因，现代悬索桥在我国出现相对较晚，但近年来发