（工程力学专业论文）大跨斜拉悬索混合管桥拉索健康状况监测与分析研究.pdf

中文摘要 中文摘要 大中氆油气管道是国家生命线工程，而跨越r = 程义在管道f 程中起到十分重要的作用。跨越结 构在服役过程中在自身及介质的重力荷载和环境荷载作用f 往往发生疲劳、腐蚀和老化等现象， 为保证结构的安全，需要对结构e 作状况进行长期的在线监测获得结构在运营状态下的结构真实 响应，并有效利用监测信息反演结构的状态，进而进行结构安全可靠性评估。 本文以长江跨越斜拉悬索混合大然气管桥为j ：程背景，在其有限元模氆分析的基础上。结合实 测数据对管桥以及拉索进行了分析研究，从而为该管桥的长期监铡提供分析数据和理论依据。 本文的主要研究内容如f ： 1 根据设计图纸利用有限元计算软件a n s y s 建立该管桥完整的初始空间有限元模硝； 2 将斜拉索的初始索力加到初始有限元模型上，用现场实测结果调整桥面线形获得该桥的初始 平衡构型。使模硝能较好地反映实桥的真实状况： 3 讨论了管桥几何非线性对初始平衡构型的影响。结果表明：大变形效应对恒载下构件的内力 和桥面系变形影响很小。线性的静力分析足以满足要求然而，由于拉索初拉力的存在，管桥的静 力分析自始至终都是几何非线性分析； 4 考虑了恒载效应对模态分析的影响，即从初始平衡构型进行模态分析。是带有。初应力”的 模态分析，结果表明恒载对频率的数值影响不大； 5 对管桥结构中易发生的拉索损伤的原因和特点作了简要分析对拉索不同的损伤位置和同一 位置处不同的损伤程度进行了数值模拟分析了拉索损伤对管桥结构的影响； 6 通过现场实测数据的分析，对管桥的现有安全状况做出初步评价： 7 利用a n s y s 有限元分析软件分析环境因素对拉索自振频率的影响。 关键词：斜拉悬索混合管桥；健康监测； 拉索；损伤；有限元；a n s y s 英文摘要 a b s t r a c t l a 瑁ea n dm e d i u ms c a l eo i la n dg a st r a n s p o r t a t i o np i p e l i n ei sm ee n g i n e e r i n go f n a t i o n a ll i f e l i n e ，a n d a e r i a lc r o s s i n ge n g i n e e r i n gp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ep i p e l i n ee n g i n e e r i n g a e r i a lc r o s s i n gp i p e l i n e a l w a y sb c c o l n cf a t i g u e c t , c o r r o d e da n da g i n gu n d e ri t s e l f a n dt h ee n v i r o n m e n tl o a d s0 1 1i t ss e r v i c e t oe l 岱l l l r e s a f e t yo f t h es t r u c t u r e s i ti sn e c e s s a r yt om o n i t o rt h e mo n l i n et oo b t a i nt h es l r u e t u r 鹊d a i l y 仃u er e s p o 峨 a n dt h e nd e d u c et h es t a l eo ft h eb r i d g es t r u c t u r e sm a k i n gu s eo ft h o s eo b t a i n e di n f o r m a t i o na n de v a l u a t c t h es l r u e t u r c ss a f e t ya n ds e c u r i t ys y n t h e t i c a l l y 1 1 l j sp a p e rt a k e sf u l i n gc a b l e - s u s p e n s i o nh y l m dn a t u r a lg a sp i p eb r i d g ea st h ep r o j mb k 掣叫l l d ，埒 p i p eb r i g ea n dj 乜s t a ye a s l e sm s t u d i e db a s e do f tt h ea n a l y s i so ft h eb r i d g ef i n i t ee l e m e n tm o d ec o m b i n e d w i t h0 1 1 一l i n ed a t a t h i ss t u d yc 觚p r o v i d eu s e f u ld a t aa n dt h e o r ya s s i s t a n t f o rt h el o n gt i m eo n - l i n e m o n i t o r i n go f t h ep i p eb r i d g e 1 1 他m a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e ri n c l u d ef o i l o w i n ga s p e c t s ： 1 e s l a b l i s i ii h ei n i t i a lt m i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ep i p eb r i d g eb a s eo i lt h ed e s i g nd r a w i n g s 姆 a n s y s ： 2 c a l i b r n t et h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lt om a k es mt h a ti tc a nr e f l e c tt h er e a lc o n d i t i o n so ft h ep i p e l m r i d g e 1 1 kc a l i b r a t e df i n i t ee l e m e n tm o d e lw i l is e r v ea sab a s e l i n em o d e lt om o n i t o rs t r u c t u r a lh e a l t h ； 3 n kc f l e e to fl a r g ed e f l e c t i o no nt h ei n i t i a le q u i l i b r i u mc o n f i 母n a t i o ni ss t u d i e d i ti sd e m o n s t r a t e d t h a te l a s t i ca n ds 1 1 1 a 1 1d e f l e c t i o ns t a t i c a n a l y s i si sa d e q u a t et oc a l c u l a t et h es t a t i c i n i t i a l e q u i l i b r i u m c o n f i g u r a t i o no ft h ep i p eb r i d g e s h o w e v e r , t h es l a t i ca n a l y s i si sa l w a y st h en o n - g e o m e t r i c a la n a l y s i sd u e t ot h ei n i t i a lt e n s i o no f t h es t a yc a b l e ： 4 f i n i t ee l e m e n tn l o d a a n a l y s i so fl a r g es p a l lc a b l e - s t a y e db r i d g e si sa o r e - s t r e s sm o d a la n a l y s i s 竹 h | s c d0 1 1t h ed e f o r m e d 朝u i l i b r i u mc o n f i g u r a t i o nd u et od e a di o a da n dc a b l ep r o - t e n s i o n s s t a r t i n gf r o mt h e i n i t i a le q u i l i b r i u mc o n f i g u r a t i o nm i g h th a v eam i n i m a le f f e c t0 1 1i n c r e a s i n gt h eb r i d g en a t u r a lf r e q u e n c i e s ： 5 t h er e a s o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f c a b l ed a m a g eo c c u r r e dc o m m o n l yi nt h ec a b l e s t a y e dp i p eb r i d g e a 坤a n a l y z e ds i m p l y n u m e r i e a ls i m u l a t i o ni sp r o v i d e dt os i m u l a t et h ed i f f e r e n tc a b l ed a m a g el o c a t i o n sa n d d i f f e r e n td a m a g eg r a d e si nt h es a l l l l l ：l o c a t i o n t h ei n f l u e n e eo f c a b l ed a m a g et ot h ep i p eb r i d g ei sa n a l y z e d ； 6 p r o v i d eap r e l i m i n a r ys a f e t ye v a l u a t i o no f t h ep i p eb r i d g e , b a s e d0 1 1t h ea n a l y s i so f t h e 妇a c q u i r e d 册t h es o o t ； 7 a n a l y z et h ei n f l u e n e eo f t h e 栅b i e n te o n d i t i o m0 1 1t h en a t u r a lf r e q u e n c i e so f e a b l eb ya n s y s k e ) _ o r d l s ：e a s l e , - s 惜p e m i o nh y 晰dp i p el m r i d g e ；h e a l t hm o n i t o r i n g ：c a b l e ；d , a l l n a g e ：t i n t ec l e m e n t ；a n s y $ i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果。也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理 研究生签名：茭超导师签名：豇! ! 竖日期：型! 兰 第一章绪论 1 1 管道跨越结构概述1 嘲村 第一章绪论 近年来，我国油气管道的建设迅猛发展，已从输送原油、天然气发展到输送成品油以及各种液 体、同体介质，管道跨越也在向犬跨度、大管径发展。管道跨越结构作为一项新兴的特殊工程，从 年代开始在我国逐渐发展起来，管径从2 1 9 m m 发展到7 2 0 m m , 跨度从数十米宽的小型河流发展到千 余米宽的长江 管道跨河流的结构形式有很多种，从管道强度方面来考虑，可分为两类。第一类是在跨越结构 中把管道作为结构的受力构件，如“”犁跨越、悬缆式跨越、拱式跨越、以管道为弦杆( 桥面) 的悬 索跨越和以管道为弦杆( 桥面) 的斜拉索跨越：第一二类是管道不作为跨越结构的受力构件，如随桥跨越， 提篮半穿式管桥、管子敷设在桥面上的析架式管桥、悬索管桥和斜拉式管桥跨越 我国己采用的管道跨越形式有1 0 余种跨越小型河流时通常采用“”型式以及粱式、管拱式、 吊架式、托架式管道跨越结构跨越丈犁河流时常采用悬缆式、悬索式、斜拉索及各种混合式管道 跨越结构重庆茄子溪长江跨越主跨为4 7 2 m 。采用悬缆式跨越结构，增强t m j 度。又节约了大量钢 丝绳，为小管径丈跨度结构。松花江跨越为多跨连续梁悬索跨越结构，6 跨在3 0 0 m 以上，跨度欧达 2 2 9 6 m ，是我国目前最大的管道跨越结构。南广河斜拉索管道跨越结构最大跨度为2 0 0 m 根据结构 特点，将输气钢管设计成受拉构件，充分利用了管材强度，获得了较好的经济效益1 9 驺年设计的 魏荆输油管线汉江跨越，是国内跨度最大的斜拉索管道跨越结构，跨度为1 0 4 5 m 对丁：较高压力下的高强度、高应力的中小口径薄壁管道的大跨度跨越，采用悬索跨越比较安全、 可靠和经济。设置抗风索的悬索管桥跨越抗风振能力良好。悬索管桥跨越目前在世界上使用得比较 广泛。对一些低压的，低应力的中小口径管道，由f 管道规格原因必须选用较大壁厚的管子，因此 壁厚有很大富余，采用斜拉索管道跨越结构是经济可行的方案。 一f 面分别介绍几种主要的结构形式 1 、“”型管道跨越 。i i ”型管道跨越是一种适用1 二小型河流的跨越，型式简单，不需要支架。它充分利用了管道 自身的支撑能力，外型类似管道。”型温度补偿器，实属于折线拱结构。管道架设除了使用两个 4 5 弯头以外。其余都是直线管组装，结构简单，施j ：方便，造价低，见图i 1 。 图1 1 “”型管道跨越 2 、轻犁托架式管道跨越 轻型托架式管道跨越也称为下撑式组合管粱。它利用管道作为托架的上弦，下弦拉杆一般是 采用型钢或高强度钢索组成。其腹杆采用钢管制成二角撑，形状为正三角形或倒三角形，一般大都 采用正三角形在风速较大地区，采用倒三角形则有较好的刚度，见图l - 2 东南大学硕f 。学位论文 、】l 一 、u 亍 j 1 少7 图l - 2 轻型托架式管道跨越 3 、桁架式管桥 桁架式管桥是利用管道作为桁架结构的构件用两片或两片以上的平蕊桁架组成三角形或矩形 空腹粱结构。结构刚度大，有良好的稳定性，见图i _ 4 图l - 3 桁架式管桥 4 、粱式跨越 在跨越中小氆河流，当其常年水位较浅，河床地质情况较好时，允许在河流中设置基础，可考 虑采用单跨或多跨连续粱结构。跨度可根据河床地质情况及管道自身强度布置，必要时可采用托架 或桁架结构等加强措施，见图l - 5 图1 4 梁式跨越 5 ，管拱式跨越 管拱式跨越是利用将管道制成近似抛物线形状，使其与管道由于自重及介质重鼍引起的压力曲 线相接近，必然使管拱的弯曲应力有可能降低，从而增加管道的跨度。在实际l 程中，为了施下方 便，通常将管道制成圆弧折线拱或抛物线折线拱。采用单管拱时，为增加跨度，可在支座处加侧向 支撑，以加强侧向稳定性，见图1 5 。也可将多管组装成组合拱，形成桁架式管拱，其跨越能力可达 到l o o m 以上。见图i - 6 图1 5 单管拱跨越图l - 6 组合管拱跨越 6 、吊架式跨越 吊架式主要特点是使输气管道成一多跨连续粱管道，并且能利用吊索来调整各跨的受力状况， 主要用于跨度较小。河床较浅，河床工程地质状况较好的河流，见圈l 一7 2 第一章绪论 图l - 7 吊架式跨越 7 、大跨度悬缆式管道跨越 悬缆式跨越主索与输气管道都成悬垂线形状，用等长的吊杆相连，跨越两端采用塔架支捧，类 似于架空电缆见图1 8 它的主要特点如f ： ( 1 y 言可以充分利用主索的拉力来提高管桥的自振频率，以便跳出低频风速范围，同时又借助于 主索的高强度优势来扩大跨越能力 ( 2 ) 由丁二主索的拉力作用，增强了管桥的轴向刚度，改善了抗风稳定性，通过实验证明，可以全 部取消复杂的抗风索，简化了结构，降低了造价，方便了施 。 ( 3 ) 可以充分利用主索作为施： 用缆索，并采用空中牵引施t 法，不但减少了大量高空作业，而 且不用封航措施，使用的施： 机具设备也是最少悬缆式适用于中、小口径管道的大型跨越工程 图i - 8 悬缆式跨越 s 、大跨度斜拉索管桥跨越 斜拉索管道跨越结构利用斜拉索的拉力来增加跨越结构的轴向刚度和抗挠刚度，从而减小7 跨 越结构在不均匀载筒作用下的挠度。为了克服温度应力。在两岸塔架附近设置补偿弯管形成自由伸 缩端。跨越结构通常在两岸边跨端部设固定墩，改变两端边界约束条件，使管道受拉，增加了管道 轴向刚度并控制挠度。见图i - 9 底捻孓、 、迎三：沙 图l - 9 斜拉索管道跨越 由于斜拉索管道跨越结构采用多根密集钢索斜向张拉管道。结构的高次振犁互相干扰，许多钢 索可以很快地扰乱振动。防止共振的形成。冈此，斜拉索管道跨越结构具有特殊的抗振性能，即使 特大跨度结构也只采用简单的防振索便能获得抗风稳定性。 钢索是斜拉索管道跨越结构的主要受力构件，它的变形与受力不是成简单的正比倒关系，即在 不同力的作用下，钢索弹性模茸也不同，在国外及国内的桥梁上，采用修正的弹性模蕈来处理这一 非线性变形问题。对于高次超静定的斜拉索管道跨越结构，钢索的非线性变形不仅使钢索受力不均， 并将造成管道承受过丈的附加应力。甚至发生破坏，所以在设计和施上中，如何上e 确地解决钢索非 线性蜘题是斜拉索管道跨越结构的探讨课题之一 斜拉索管桥具有以f 优点： ( 1 ) 斜拉索管桥是将原粱式管桥中的支墩移到岸边的支墩上而形成支塔，用斜拉钢索代替支墩，形 成对跨越管道的弹性支承。因此能跨越较人空间。成为大跨度管道跨越的主要硝式之一。 2 ) 斜拉索管桥可以白锚，索力可以利用管道自身重量来平衡，不需要设置巨大的锚固系统 3 ) 斜拉索代替了主索省管径、跨度相同，斜拉索管桥的钢索用量将比悬索管桥减少3 0 。 h出川h， 东南人学硕l j 学位论文 ( 4 ) 多根斜拉索斜向张拉着管道，增强了结构阿u 度，无论受均布自重或活载，斜拉索管桥总比悬索 管桥跨中挠度小 ( 5 ) 斜拉索管桥为多拉索体系，属高次超静定结构，具有特殊的抗风振性能，不需i 殳抗风索 斜拉索管桥具有以卜缺点： ( 1 ) 斜拉索在提供竖向支承力的同时必定会产生水平力，这种水平力对1 = 跨中产生很大的拉力， 增大了跨中截面的应力值。使跨越段管道肇厚增加。粱端产生巨大的压力易使管道产生失稳破坏。 ( 2 ) 斜拉索管桥越靠近跨中部分，斜拉索与管道的水平夹角就越小，水平分力越大，竖向分力越小， 索的效率越低，设计时斜拉结构的塔高( h ) 一般应丈于跨度( l ) 的1 4 当跨度较大时烙高也相应增加， 导致高空作业多，施工难度大造价较高。 ( 3 ) 由于每根斜拉索有两个锚头。因此在管道斜拉索管桥跨越中锚头用量较多，且锚头的翻造工艺 复杂，价格比索的价格高得多。 ( 4 ) 斜拉索根数多。施 时拉索应力调整困难。 9 、大跨度悬索管桥跨越 悬索式管桥是跃输管道跨越中另一种常用的形式，其结构主要由塔架、悬索即主索、抗风索、 塔基和锚周系统及粱式管桥等部分组成。主索通过吊索直接承受跨越管桥的重力再集中传递给两 端的塔架和锚同构件；抗风索通过风系索承受侧向风荷载，集中传递给两端的锚同构件；而管桥则 按合理的跨度以连续粱的形式，用吊索和风系索分别连到主索和抗风索上，并通过它们将荷载传给 两岸基础和锚同构件。见图1 1 0 。在此结构体系中。主索和抗风索是管桥的主要刚性受力构件，是 一种柔性悬吊张拉结构体系。主索和抗风索的形状和尺寸将随荷载的大小、位置和分布规律等的不 同而改变。特别是抗风索，它是由自重和风系索拉力等多个不共面力共同作用而形成的一条可变空 闻曲线，任何一个外界条件的改变，都可能导致其形状和刚度发生很大的改变，而且其荷载与变形 的关系是非线形的。通常需按丈变形体系来考虑 图1 1 0 悬索管道跨越 悬索管桥具有以下优点： 1 ) 悬索管桥钢索受拉强度高，是长输管道大璎跨越中常用型式之一 ( 2 ) 吊索垂直吊挂管道或桥面，主索应力分布均匀，利用率高，不对管道产生水平拉力和压力，管道只 承受内压和自重，不存在管道受压失稳问题。 ( 3 ) 塔高一般为跨度的l ，8 1 1 2 ，比斜拉索管桥低得多，离空作业少，r 程造价低。 4 ) 施i ：简便。风险小。可以利用施工索、滑车等设备进行行走拼装，耐久性强 悬索管桥具有以下缺点： ( 1 ) 悬索管桥属于二次索结构，侧向刚度小，同有频率低，极易与风频率重合，在风载作用下易发生共 振。由于管桥的桥面很柔，剐度很小。因此设计时需要考虑i 迓置抗风索或其它抗振措施( 如消振索，消 能弹簧索等) ( 2 ) 悬索管桥不能自锚，需要设置较大的锚同系统。 ( 3 ) 由于悬索管桥全部荷载均由主索承担，且主索贯穿全跨，故主索直径、长度较大钢索用量多 1 0 、其他形式索托管桥 如今随着设计技术不断改进和制造- 1 - 艺的提高，在以上几种基本型式的基础上。人们不断地提 出各种革新方案，如悬索结构增加卜- 稳定索并进行预张拉以加强结构整体刚度；采用悬索结构和斜 拉索结构混合体系，以充分利用两者的优点等，见圈1 1 1 4 第一章绪论 爪，峄 ，7 、一一一一7 ，i 、 一j _ 二- - - - - - - - 二f 、弋遑二一二了三= ；一二羔二一 圈i - i i 斜拉索悬索组合跨越 还有人提出另一种新璎的形式索托管桥，索托管桥的外形酷似斜拉索管桥也是管道作为粱体， 但受力却完全不同。索与管道的连接不是采用刚性锚头拉着管道，而是在管道f 】割妾贯穿过去托着管 道，钢索不切断，索的一端锚同在一侧的塔上，或跨过塔项锚固在邻跨或地锚上。见图i - 1 2 图1 1 2 索托管桥跨越 索托管桥具有以下优点： ( 1 ) 将斜拉索改为斜托索，改善了结构的受力状况，索对管道的有效支托力( 竖向力) 与水平力之比 大于斜拉索管桥中竖向力与水平力之比。提高了索的效率。 ( 2 ) 在索与管遭的交接处不需要切断钢索，提高了索结构的安全性，较斜拉索管桥节省索锚头约 5 缸减少了因锚头处截面突变而产生的应力集中( 应力集中处易发生疲劳破坏) ，提高了索的可靠性。 ( 3 ) 索对管道的支承不是采用拉、吊的连接方式，而是采取托的方法，大大增加了连接的可靠性。 f 4 ) 索对管道的约束水平反力对于跨中产生的是压力，相当于对粱体起到一预拱作用，这对粱的受 力是有利的而对于粱的两端产生的是拉力不存在巨大的压力，因此管道不会发生失稳现象。 ( 5 ) 索托管桥中的塔高比斜拉索管桥低，斜拉索管桥塔高一般为跨长的l ，4 ，而索托管桥仅为跨长 的i 6 l ，s 。塔高的降低，减少了高空作业也减少了索长，降低了1 ：程造价。 ( 6 ) 由于索托管桥属于一次索结构，塔高低于斜拉索管桥，因此比斜拉索管桥，悬索管桥的剐度大， 不易产生风振破坏，无需设抗风索。 ( 7 ) 由于索托管桥采用了多根托索，使粱体的超静定次数增多，即使有一两掇受力索失效，整个结构 也不会失稳。此外。采用多根受力索便于在使用期间进行检修、换索等工作 ( s ) 既可采用自锚，也可采用地锚。由具体设计确定。 ( 9 ) 索可事先锚崩在两端的塔上，利用缆索天然脚手进行施工。索与管道通过导索槽连接，索菔入槽 内即可。不需要任何锚同措施。大大简化了施- 安装工作 1 2 结构健康监测及诊断的基本概念 结构的健康监测技术较早是用丁：航空、航天工程i s l l 9 1 1 1 。l i i i i l l ”。近来，随着大跨度桥粱、超高层 建筑、大跨度空间结构、大型水坝、核电站、海洋采油平台等重大：【程以及输油、供水供气等管 网系统的建设，适应生命线等重大工程防灾减灾的现实需求，针对土木工程和基础设旌的健康监测 与诊断技术迅速成为国际学术界和工程界关注的热点l 。 1 2 1 健康监测及诊断的相关基本概念 + 木一【= 程的健康是指结构或者系统能够实现其预期功能的一种状态。结构的健康监测及诊断对 于结构的安全性评价以及加同改造有着十分重要的作用。 结构的健康监测就是通过对结构的无损检测、实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和 损伤榉度进行诊断，对结构的服役情况可靠性，耐久性和承载能力进行智能评估，为结构运营状 况严重异常时触发预警信号。为结构的维修养护与管理决策提供科学依据和指导。理想的健康监测 东南大学颀i ：学位论文 就是在这个临界点到来之前提早检测出结构的损伤并及时作出预警这是实时在线监测过程。 结构的健康诊断就是对结构的状态进 r 检测和评估通常是通过测定某种性态指标检查结构 是否受到损伤：如果受到损伤，再确定损伤的位置、判断损伤的群度。最后评估结构的剩余寿命及 可否继续使用。人们普遍关心的问题是结构损伤剑什么程度将危及其安全在线监测和诊断系统亦 可对危及结构安全的特定状态实施报警l 。 安全性评估就是通过各种可能的、结构允许的测试手段，测试结构当前的r 作状态，并与其临 界失效状态进行比较。评价其安全等级。对于不同的结构，由于其重要程度不同，安全等级也应该 有所差别。安全性评估与可靠性不同可靠性为一种概率。为一种可能性而安全性评估旨在给出 确定的安全等级。 一般而言，健康诊断可以采用无损探伤、破损检测或采集分析其它信号( 如加速度、位移等) 的途 径进行。现代健康诊断技术系统是指利用结构上预先布置的各类传感器、通过在线方式自动获得结 构的内部信息进而分析结构状态、了解结构因损伤或者退化而造成的改变。这一系统一旦安装可 自动运行，连续监测结构状态并作出刿断无须利用人，r 进行现场观察、无须使用无损检测设备， 无须为获得检测数据而中断运行和破坏结构而且。传感器可预先布设在人或设备难以抵达的结构 部位与经验观察和无损检测等方法相比，这一自动化系统具有可获取定量信号、节省人力和财力 的特点，为及时，方便，高效、准确地进行结构安全诊断提供了可能“ 1 2 2 现代健康诊断系统及组成 建筑物或其它设施承受周围环境各种形式的作用。考虑结构的不同类犁、环境作用的不同形式、 需要获取的信息种类、以及传感器的特点，可选择不同的传感器布设在结构的不同部位。传感器监 测到的实时信号通过信号采集传输装置、以有线或无线的方式输送到监控中心，进而进行处理和判 断。对结构的健康状态进行评价若出现异常，可由监控中心发出预警信号并由故障诊断模块查 明异常原因，确定是否需要进行修复以及修复方案，保证结构安全可靠运行。一个完整的健康诊断 系统工作框图如图1 1 3 所示 图1 1 3 健康诊断系统：t = 作框图 由上图中可见，健康监测技术系统主要所包括卜- 列部分i z i j 田 ( 1 ) 传感器系统：包括感知元件的选择和传感器网络在结构中的布置。 ( 2 ) 数据采集和分析系统：一般由强大的计算机系统组成。 ( 3 ) 监控中心：能够及时对结构异常发出预警。 ( 4 ) 实现诊断功能的各种软硬件可提供结构损伤位置、损伤程度、损伤模式的结论及其判据。健 康监测系统能否对结构的健康状态和安全寿命作出正确的评估，能否为验证设计和修l e 规范提供科 学的依据，取决于数据采集系统能否采集到准确、可靠、有代表性、能如实反映结构状态的各种特 征信息 所有的结构。无论是自然的还是人工的，在其存在期间都会累积损伤。健康监测是指利用现场 的、无损伤的监测方式获得结构内部信息。分析包括结构反应在内的各种特征，以便了解结构因损 伤或者退化而造成的改变。结构健康监测不只是传统的结构检测技术的简单改造，而是利用在结构 建设时期预埋在结构内部的戍变计及传感器和结构在正常运营阶段外加的各种检测设备。通过对结 构各部位相关技术参数的采集利用计算机技术定期或连续地对结构在运营阶段t ：作性能进行实时监 测，以获得结构在各种j ：作环境f 的结构响应和行为以及环境信息，然后对采集到的数据进行及时 分析处理，并在此基础上评估桥梁的j ：作性能的一个完整的系统过程。 6 第一章绪论 1 3 管道跨越结构安全监测的目的与意义 输油气管道t 程在现代化：r 业生产和人民生活中占有重要位置，是现代t 业和辛 会经济的大动 脉属重要生命线 程之一，同时大中弛管道跨越r 程在输气、输油等长输管线中起到十分重要的 作用，然而跨越结构在服役过程中，必然要承受自身及介质的重力荷载和环境荷载。发生疲劳、腐 蚀和老化等作用造成损伤积累、导致抗力衰减，通过对油气管道多次灾害调查和近几十年来国内 外大量的研究及翻晕实践，都说明管道工程的安全性能直接影响生命线- i ：程的安全，而跨越r ：程作 为大型油气管道线路 j 晕的关键部位，强烈的外部作用对管道跨越。i ：程的危害性极大，轻则引起管 道跨越结构严重变形、被迫停止使用。重则引起结构失稳、破坏，整个管桥坍塌，甚至危及相连管 道的安全，这些都会给国家造成严重的经济损失，危害人民的生命财产安全，同时管道i ：程跨度丈， 节点多，且多数输油气管道处于荒无人烟的地带，日常的维修、检测若以人t 视察和无损检测为主。 不易发现其薄弱部位和安全隐患，且维护运行困难很多，费用也较高，为能更好地实施管道跨越结 构的安全检测，建设该结构的自动健康监测诊断技术系统是最为有效的。针对管道跨越结构的受力 特点，在结构的某些部位安装一定数鼙的传感器在线监测结构的模态参数和加速度、位移等指标， 利用模式识别技术，判断结构的损伤模式和损伤程度。并对其健康状况作出评估，在灾难来临之前 进行预警，进而为结构的维修加崩提供依据，这种健康诊断技术系统不仅能够确保工程的正常运行， 而且可以节省大量的人力、物力，降低j = 程的维护成本1 2 4 j | 2 s j 1 4 跨越结构健康监测及诊断的研究状况 早在2 0 世纪5 0 年代，人们就开始意识到桥梁安全监测的重要性，并着手于早期桥梁健康监测 的尝试。近年来由于使用年限到期的桥粱的丈最出现以及大跨径桥梁倒塌事故的逐年增加。对桥梁 结构尤其是大跨径桥粱结构的健康检测己经越来越受到国内外桥粱界的重视。 1 9 7 1 年美国制定了国家桥梁监测标准( n b i s ) ，8 0 年代中后期开始在多座桥梁上布设检测传感器 用以验证设计假定、监视施i ：质量和服役安全状态。例如佛罗里达州的s u n s h i n es k y w a yb r i d g e 桥上 安装了5 0 0 多个传感器 2 6 1 。英国于加年代后期开始研制和安装大型桥梁的监测仪器和设备，并调查 和比较了多种长期监测系统的方案”。俄罗斯在聂伯尔彼得罗夫斯克城跨第聂伯河的输氨水管道钢 悬索桥上安装了传感器，进行了现场试验州。加拿丈的魁北克省制订并实施了一座公路桥梁的动力 测试计划，旨在建立一个可靠的数据库并为制定动力测试的标准过程提供依据。在该计划进行的一 系列桥梁动力测试中采用晕溯特定部位( 可能的最大响应点) 应变和位移的办法计算桥梁的动力放大 系数( d a f ) 。用垂直加速度响应( 在特定的测试车辆驶过桥粱时) 的快速傅立叶变换( f f d 计算桥梁的 动力特性( 频率，振型和模态阻尼) 并用以校准结构的有限元模型。动力放大系数和模态参数被用作 评定桥梁可靠性的依据。芬兰在年代末开始发展本国的桥梁管理系统，目的是提供一个可靠的支 持工具，以便对现存桥梁的维护、维修和重建进行决策。整个桥梁管理系统基丁：桥粱监测和状态评 估，所有信息保存在一个桥梁数据库中。桥梁管理系统包括两个部分：网络级系统( 所有桥粱) 和项目 级系统( 单个桥梁) m 自9 0 年代开始，我国的桥梁监测和诊断技术系统的研究迅速发展若干重大桥梁上开始布设监 测系统，并针对健康诊断指标和方法进了逐步深入的研究。在1 9 9 7 年完工的香港青马大桥上州，安 装了复杂的桥粱监测系统。青马大桥是世界上单跨跨度最大的公路铁路两用悬索桥，承受巨大的交 通荷载和强烈的风荷载作用。该检测系统的硬件部分( 包括传感器系统，数据采集及传输系统，数据 管理等) 十分完善，但其数据处理部分只是简单地分析包括风荷等在内的结构的动、静荷载和响戍( 包 括温度、应变、加速度、位移、交通荷载、桥面水平等) 尚未形成对桥梁的健康状态和损伤进行全 面分析的技术系统。我国润扬长江大桥i s l 也建立了结构健康监测系统。以期对桥梁的t 作环境、桥 梁的结构状态、桥梁在车载等各类外部荷载作用下的响应进行实时监测和研究。该系统可及时掌握 桥粱的结构状态，全面了解桥梁的运营条件及质鼍退化状况，为桥梁的运营管理、养护维修、可靠 性评估以及科学研究提供依据。我国哈尔滨松花江大桥，广东虎门大桥黄河滨州大桥等着于桥粱 上都建立了各具特点的健康监测技术系统。 现有健康诊断的研究成果大都针对公路、铁路及其两用桥粱，研究内容多数也仅限于实地监测 7 东南人学颂 学位论文 伴随石油、天然气r 业的快速发展，我国近年来建造了多项管道跨越结构f 程。尽管管道斜拉索跨 越结构与斜拉桥有某些相似之处。但管道斜拉索跨越结构在以f 儿方面有着自身的特点： ( 1 ) 自誊轻。多数管道跨越结构都仅有一条t 管道，因此自重荷载较铁路公路桥桥要轻得多 ( 2 ) 结构刚度低。管道跨越结构属于柔性结构。跨度大时，其自振周期一般部较长。 ( 3 ) 抗风荷载能力差。与铁路公路桥粱比较虽然管道跨越结构迎风面积小、单位砭度上受到的 风力较小，但是因其水平横向没有足够的刚度故抗风能力较弱。管道跨越结构一般采用抗风索作 为抵抗风荷载的构造措施。 ( 4 ) 承受的竖向活荷载不同。铁路公路桥承受着汽车、火车等引起的竖向活荷载，而管道跨越结 构仅承受管道内介质产生的活荷 鉴于上述两者结构及使用情况的不同，管道跨越结构与铁路公路桥梁相比在结构的构造，设计 理论、材料选用、构件连接方式以及结构所发生破坏形式等方面部不尽相同。 目前有关管道跨越结构健康监测方面的研究相对较少。如何借鉴桥梁结构健康监测的分析方法。 将一般方法与管道跨越结构想结合是有待研究的问题。 1 5 课题研究背景 论文以中国核1 = 业建峰化工总厂所属的长江跨越斜拉悬索混合天然气管桥为【程背景，该管挢 是中国核 业建峰化：i ：总厂主要原料一天然气的输运管桥该桥的安全运行是中国核i 业建峰化工 总厂能否l e 常生产的决定因素之一，是中国核 业建峰化工总厂的命脉该桥还是重庆市主要危险 源之一。为确保该桥l e 常安全运行，中国核工业建峰化一 总厂同东南大学合作开展了该桥的健康监 测研究。 通过在长江跨越斜拉悬索混合天然气管桥上安装传感器，实现对管桥状态的在线监测。通过对 监测数据的分析可以了解管桥的安全状况，以便及时发现问题、及时提出整改建议。考虑到管侨一 旦突然失效可能带来的本厂经济损失和对周边居民的财产和人身安全的威胁与损失，开展长江跨越 斜拉悬索混合天然气管桥安全监测及研究具有重大的经济意义和不可估量的社会效益。 1 6 本文主要研究内容 本文以中国核工业建峰化工总厂所属的长江跨越斜拉悬索混合天然气管桥的健康监测研究为目 的，运用有限元的方法结合实测数据对管桥以及拉索进行了分析研究，从而为该管桥的长期监测提 供分析数据和理论依据。 论文的主要研究内容包括： ( 1 ) 根据设计图纸利用大型有限元计算软件a n s y s 建立重庆涪陵建峰化肥厂天然气长江跨越 管桥完整的初始空间有限元模型； ( 2 ) 将斜拉索的初始索力加到初始有限元模璎上。用现场实测结果调整桥面线形获得该桥的初 始平衡构型，使模理能较好地反映实桥的真实状况； ( 3 ) 将该桥在考虑几何非线性和不考虑几何非线性两种计算结果进行对比，讨论大跨度斜拉桥 在计算初始平衡构璀时是否要考虑几何非线性的影响； ( 4 ) 对模型进行静力分析和模态分析； ( 5 ) 通过降低桥索弹性模量的方法对模型进行敏感性分析，分析讨论不同拉索损伤情况对桥索 内力及自振频率的影响程度； ( 6 ) 通过现场实测数据的分析，对管桥的现有安全状况做出初步评价： ( 7 ) 利用a n s y s 有限元分析软件分析环境因素对拉索自振频率的影响 8 第 二章大跨度斜拉悬索混合管桥肯限庀建摸 第二章大跨度斜拉悬索混合管桥有限元建模 大中璀管道跨越1 ：程在输气、输油等长输管线中起到十分重要的作用，在长期使用过程中。由 于各种荷载的作用以及材料的老化和疲劳效戍等对管桥的危害性极大轻则引起管桥结构严重变形、 被迫停止使用，重则引起结构失稳、破坏，整个管桥坍塌，甚至危及相连管道的安全。这些都会给 国家造成严重的经济损失，危害人民的生命财产安全，如何对管桥进行在线监测对斜拉桥破损位 置进行定位，对破损进行诊断，进而提出合理的养护维修方案，成为国内外学术界，工程界的研究 热点 由于大跨度斜拉索管桥是高次超静定的柔性结构，结构工作在几何非线性状态，无论是对其进 行复杂响应分析( 如地震响应分析、抗风稳定性分析等方面的动力分析) 还是进行长期监测和健康 状态评估，一个准确和有效的“基准”( b a s e l i n e ) 有限元模型都是不可缺少的前提p l 。 本章以重庆涪陵建峰化：【总厂化肥厂天然气长江跨越管桥为 程对象以该桥的长期健康监测 和安全状态评估为目标。采用多种单元类型建立该斜拉悬索混合管桥完整的空间有限元模犁。 2 1m 程简介 建峰化工总厂化肥厂天然气长江跨越管桥建成于1 9 9 0 年系一钢结构专用过江管道斜拉桥为 国家重点建设项目之一位于四川涪陵市中区和长江与乌江汇合口f 游约3 k m 的苦竹沱处。该处江 面狭窄。常年枯水位时江面宽仅3 0 0 m 左右；水深湍急，常年枯水位时仍深达2 8 m 左右：因地处长 江重要航道上空，来往船只频繁：两岸边坡稳定，基岩较完整，但边坡坡度较陡；交通不便，仅南 岸有一条简易公路可通至跨越点。无论设计或施i ：难度均较大。 管桥全长7 3 0 m ，中跨长4 0 0 m ，两边跨长各1 6 5 m 。架空高度从塔顶和输气管道底部至常年枯水 位水面高度分别达1 0 7 m 和7 0 m 为两条不同管径、不同输气压力的管道同挢敷设的一座大型管桥 一条是建峰化 总厂的输气管道，管径4 0 6 4 2 0 6 2i n l n ，输气压力3 9 2 m p a ，材质为x 一5 6 无缝 钢管；另一条是涪陵地区天然气公司的输气管道，管径1 0 8 8 m m ，输气压力2 4 5 m p a 材质为2 0 号无缝钢管。这座管桥的建成对发展川、黔东和湘，鄂西的农业，以及四川涪陵地区的地方。【业起 到了很丈的促进作用；同时也为长江旅游热线上增加了一个新的景点。具有很高的经济效益和社会 效益图2 - l 是该桥的全景图。 图2 一l 涪陵长江跨越管桥 这库管桥与过去的大型管桥比较，具有以卜特点： 1 架空高度高。根据长江水利和航运规划要求，架空高度必须按三峡水库坝高1 8 0 方案并在此 基础上满足一级通航要求来确定。故此管桥的架空高度为国内目前最高的一座管桥从塔顶和输气 管道底部至常年枯水位水面高度分别达1 0 7 m 和7 0 m 。 2 钢丝绳防腐涂层新由于管桥架空高度高。而且下面的江水流速大，来往船只频繁高空作 业人员的安全感极差。为了减少高空作业量，改善工人的劳动条件，以及减少以后高空维修次致和 9 东南大学颂上学位论文 费用。在设计中首次采用了热挤压p e 涂料作为钢丝绳的防腐涂层。由于此种防腐涂科是在地面热挤 压成犁，无需在高空一点点的涂抹，所以大大的减少了高空作业颦，其次由fp e 涂料具有一定强度 和耐磨度，在高空安装过程中不易磨损，所以也无需在高空进行修补，再其次由f 它抗老化时间可 达3 0 5 0 年，且不存在酷暑流淌、严冬龟裂的可能，所以使甩寿命也比较长使用结果不仅达到了 以上目的。而且还具有光滑美观等优点。深受施 单位和建设单位好评。 3 一桥多管敷设的开端在过去的大型跨越i 殳计中。都是敷设的一根管道，为一家用户所用， 而在这项r = 程该| = 程中第一次在同一管桥上敷设两条输气管过江设计过程中设计人员不仅处理好 了两根管道之问的关系，使之两管尽可能成为一个整体一个振动体系。互不相扰，彼此不受约束。 不产生附加戍力，而且做到了使两根管道巡逻检修均方便。该项r = 程的实施不仅为涪陵地区天然气 公司直接节省了天然气管道过江费用达7 0 0 万元左右，而且对支援地方工业的发展和改善居民生活、 城市卫生环境方面均将取得良好的经济效益和社会效益 2 2 有限元所采用单元简介 建峰化工总厂化肥厂天然气长江跨越管桥有限元模型采用a n s y s 大型结构分析通用程序建立 空问有限元模型，模型各部分所采用单元简介如f 【”i 2 2 1p i p e l 6 - - 弹性直线管单元 p i p e l 6 是一种单轴单元，具有拉压、扭转、和弯曲性能。该单元在两个结点有6 个自由度：沿 节点x y , z 方向的平移和绕结点x ，y z 轴的旋转。该单元基于三维粱单元( b e a m 4 ) ，并且由于它的 管形的几何对称性显得更加简单。此单元的输入数据包括两或三个节点、管的外径和肇厚