（工程力学专业论文）野三河大型悬索跨越结构的受力分析及优化计算.pdf

摘要 本文以野三河悬索桥为研究对象，利用a n s y s 大型有限元分析软件，建立了管道 悬索跨越结构的数值计算模型，对悬索跨越管道的动静态特性进行了分析，为以后同类 结构的分析计算提供一种比较成熟科学的分析计算方法。在分析模型中，管道本身也是 受力构件之一，与管桥上的主梁采取同一节点，把管道安装在悬索跨越整体结构里，进 行动静态分析时管道本身也承受力，与管桥产生的偏移自由度保持一致，参与结构共同 工作。管桥结构设计时起拱两米，一定程度抵消了承受压力，按合理的跨度以连续梁的 型式基本不承受力。在动力分析时，按照动态时程分析法中的m o d es u p e r p o s i t i o n 法， 通过模态分析得到振型，再乘以参与因子并求和来计算结构的响应，分析了地震和风荷 载动态响应条件下管桥悬索跨越结构的振动位移、振动加速度以及最大应力时刻的应 力、位移分布情况。采用同一标准进行动静态对比分析表明四条抗风索与两条抗风索的 结构受力变化情况一致，z 向位移明显减小但竖直风索一定程度上起到消振的作用。最 后初步给出了悬索跨越结构的塔架与主索安装、管桥安装的设计型式优化方法。 关键词：悬索跨越结构，有限元法，动静态分析，结构型式优化 s t r e s sa n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o nf o rl a r g e - s c a l e c a b l e - s u s p e n d e ds t r u c t u r eo fp i p e l i n e si ny e s a n h e d c n gy h h u a ( m e c h a n i c se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s h uh e n g m u a b s t r a c t b a s e do nt h e e x p e r i e n c e s u m m e du pb yo u r p r e d e c e s s o r s ，a c c o r d i n g t os t u d yo fl a r g e s c a l e c a b l e - s u s p e n d e ds t r u c t u r eo fp i p e l i n e si ny e s a n h e ，w i t l lf i n i t ee l e m e n ts o r w a r ea n s y s ，t h ee s t a b l i s h m e n t o fs t r u c t u r eo ft h en u m e r i c a lm o d e l ，s t u d y i n go fs t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i s ，w ec a np r o v i d eak i n do f m a t u r a la n ds c i e n t i f i ca n a l y s i sm e t h o df o rf u t u r es i m i l a rs t r u c t u r e 。i nt h ea n a l y s i sm o d e l ，p i p e l i n ei t s e l fi s o n eo f t h ec o m p o n e n t sb yf o r c e ，t a k i n gs a m en o d ew i t hb e a mo nt h et r u s s p i p e l i n ew a s p l a c e di nt h e w h o l e s t r u c t u r e ，f o r c e di nt h es t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i s , h o l d i n gt h el i n ei nf r e e d o mm i g r a t i o no ft r u s s ， p a r t i c i p a t i n gi nt h ec o m m o ns t r u c t u r eo ft h ew o r k a n dt r u s si sd e s i g n e df o rt h ea r c hc a m b e ro ft w o m e t e r s ，t os o m ee x t e n to f f s e tp r e s s u r e , i sar e a s o n a b l es p a no fc o n t i n u o u sb e a mt ot h eb a s i cp a t t e r no f n o n - t o l e r a n c e i nt h ed y n a m i ca n a l y s i s ，m a k i n gu o fm o d es u p e r p o s i t i o no fd y n a m i c - t e r ma n a l y s i s ，a n d g e t i n gm o d ef r o mm o d ea n a l y s i s ，m u l t i p l yt h ep a r t i c i p a t i o nf a c t o ra n ds u m ，w ea n a l y s ed y n a m i cr e s p o n s e c a b l e s u s p e n d e ds t r u c t u r eo fp i p e l i n e so ft h ev i b r a t i o nd i s p l a c e m e n t , v i b r a t i o na c c e l e r a t i o n t i m e o f m a x i m u ms t r e s s ，a n ds t r e s s ，d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o ni ns e i s m i ca n dw i n dl o a dc o n d i t i o n s t h r o u g h c o m p a r a t i v es t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i sb yt h es a m es t a n d a r d s , t h ew h o l es t r u c t u r e b e t w e e nf o u r a n t i w i n d so fs t r u c t u r ea n dt w oa n t i - w i n d so fs t r u c t u r eh o l dt h el i n ei nc h a n g e si nt h ef o r c e ，s i g n i f i c a n t l y r e d u c ez - a x i so fd i s p l a c e m e n t , h o w e v e rt os o m ee x t e n tv e r t i c a la n t i - w i n d so f f s e tv i b r a t i o n f i n a l l g p r e l i m i n a r yp r o v i d es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nf o ra s s e m b l y l i n ew o r kb e t w e e nt o w e ra n dm a j o rc a b l e s ，t r u s s k e yw o r d s ：c a b l e - s t a y e ds t r u c t u r e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s m i l ea n dd y n a m i ca n a l y s i s ， s t r u c t u r ep t i m i z a t i o n 关于学位论文的独创- 生声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 犟i 囤孥 日期：2 呷年歹月2 富百 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 杌 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 罕翅辈 指导教师签名：弓鬈鼯 日期：2 j 哆年y 月2 矿早 日期：卅年y 月z 矿日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 绪言 在管道建设中常常遇到河流、沼泽、湖泊以及山谷等自然障碍物或人工构筑物，不 得不采用水下穿越或空中跨越等敷设方式。但由于河床稳定性差、河床或边坡冲刷严重， 开挖管沟十分困难等情况下，采用空中跨越往往要比水下穿越更为经济合理。管道跨越 工程是我国一项新兴的特殊工程，我国的大中型管道跨越建设发展较晚，1 9 6 1 年我国建 成第一座管道跨越工程，百节河跨越，跨度3 0 0 米，管径0 4 2 6 x 6 。之后于1 9 6 5 年建成 了第一座大跨度悬缆式跨越长江茄子溪长江跨越，总跨长1 0 5 6 米，主跨4 7 2 米。 悬索结构发展最晚，1 9 9 7 年国内第一座大型悬索结构管道跨越建成陕京管线黄河跨 越，主跨2 7 0 米，管径q ) 6 6 0 x 1 4 3 【。 跨越的结构型式有：多跨梁式、“n 形刚架、桁架、轻型托架、单管拱及组合管拱、 悬缆、悬垂、悬索、斜拉索、斜拉索悬索组合、索托管桥等型式【2 】。前六种型是由于单 跨跨越能力有限，但因为施工方便，因此中小型跨越中使用比较广泛。后六种的结构型 式适用于大中型跨越。悬索式跨越是由两根主索作为主要受力构件，承担结构体系的垂 直荷载，采用均布的吊索与管道及桥面系统相连。随着设计技术的不断改进和制造工艺 的提高，建设的管径和跨度不断地扩大。与此同时，也出现了一些新的设计技术，如在 管道下面增添一组拉紧索，与主索构成双弦体系，以增强结构刚度【3 1 。 1 2 国内外应力情况 悬索跨越结构自从1 9 2 6 年美国德克萨斯公司在红河建成第一座悬索管道跨越以后， 1 9 6 0 年以来，在世界各地建成了大量的大型悬索管道跨越工程。国内应用相对较晚，但 近年来发展势头迅猛。施工工艺也在不断改进，主要成果有： ( 1 ) 木龙河悬索跨越工程 忠武输气管线工程木龙河悬索跨越工程是忠武输气管道中的标志性工程，从施工角 度而言有很强的技术性和施工难度。木龙河悬索跨越工程位于巴东县野三关镇木龙3 1 8 国道以南1 4 0 米处，该处地处鄂西山区。 忠县武汉输气管道工程设计压力为6 3 兆帕，跨越管道中采用进口直缝埋弧管 径7 11 毫米u o e 钢管，材质为x 6 0 ，涉及壁厚为1 4 3 毫米。木龙河悬索跨越主跨1 9 5 米，主索垂度1 5 米，吊索连接的管桥走道便桥长度为1 7 5 米，管桥的起拱高度3 米， 跨越管道铺设在桥面管桥上的滚轮上。悬索跨越管桥结构由承重结构、传力体系和桥面 第一章绪论 管桥体系三部分组成。承重结构主要由塔架，塔架基础，主要锚固墩，抗风索及锚固墩， 桥面限位墩等组成。传力体系主要有主索、抗风索及吊索，抗风索系索均采用平行钢丝 索，外包防护层。主索系是p e - 1 6 3 1 5 7 0 平行钢丝索，直径为8 7 毫米。风索系采用 p e s 5 5 5 - 1 5 1 0 平行钢丝索，直径为5 0 毫米。主索吊索以及抗风索系索均采用 p e s 5 1 9 1 5 1 0 平行钢丝索。 ( 2 ) 球溪河跨越工程 球溪河跨越工程是兰成输油管道工程难点之一，跨越点位于内江市资阳县球溪河 镇，标段划分为1 8 标段1 8 0 0 9 1 8 0 1 2 桩之间，主跨1 3 0 m ，两边分别为4 0 m 和4 7 m ，跨 越结构为悬索式钢结构管桥。该工程为中型悬索跨越，塔架高1 9 5 m ，吊索和风系索吊 距为5 m ，与主索和风索采用索夹板连接，与管桥采用套筒销接，塔架底脚与基础为铰 接形式，跨越管桥由主索和吊索悬挂，并靠两片风索稳固。跨越基础由8 座独立重力式 钢筋混凝土组成，基础全部坐落于基岩上。塔架为a 型钢结构，主肢为1 6 m n 无缝钢管 ( 0 4 2 6 x 1 2 m m ) 横腹杆为1 6 m n 无缝钢管( 0 2 1 9 x 1 0 m m ) ，塔架总重约8 5 t ，跨越管桥 为分层钢结构吊桥，每5 m 为1 个组拼单元共计2 6 组，上层为人行走道板，下层为跨越 管道，管桥拱高1 s r r l ，跨越索具均为国产，钢索采用p e 防腐，索具连接件采用镀锌外 防腐涂料。主索为0 4 2 m m ，风索维3 2 m m ，吊索和风系索均为0 2 0 m m ，跨越管道为 0 3 2 3 9 x l o 3 m m ，直缝3 p e 防腐钢管材质为x 5 2 ，焊缝采用1 0 0 射线和越声检测，管 道采用聚氨酯泡沫塑料保温，厚度为5 0 m m 。 ( 3 ) 八盘峡跨越工程 黄河八盘峡悬索跨越为典型的悬索结构，主体承重结构有主塔、主索、边拉索、主 索锚固墩、风索、风索锚固墩、共轭索和桥面结构。主跨长度为3 0 0 m ，塔高4 4 m ，为 k 型腹杆结构。塔架主肢为0 2 1 9 m m 无缝钢管，腹杆选用角钢，整体结构为焊接连接。 跨越主索两根为全封闭钢丝绳w s 3 0 8 0 ，其最小抗拉强度为6 3 9 0 k n ，弹性模量为 1 6 0 0 0 0 m p a 。吊索采用圆股钢丝绳l x 3 7 ，弹性模量为1 5 0 0 0 0 m p a 。吊索采用密索结构， 间距为5 m ，以增大抗震阻尼系数，边拉索设于塔架外侧7 0 m 处，对称于主跨主索，使 塔架受力对称。桥面结构为平行管桥结构每隔5 m 设一组横梁与吊索连接，桥面结构每 5 m 为一单元，单元间采用螺栓连接。 ( 4 ) 折腰沟悬索跨越工程 长( 庆) 兰( 州) 输油管道工程马惠段，南起甘肃庆阳马岭油田，北至宁夏惠安堡， 全长1 6 8 k m ，输油管径3 2 5 m m 。折腰沟跨越是马惠段最大的跨越工程。用两根0 5 2 钢 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 丝绳作承重主索，跨度为2 8 0 m ；油管空间悬挂1 6 0 m ；塔架为四柱k 型钢管塔架，高 1 8 m 。 ( 5 ) 陕京线黄河跨越工程 位于陕西省府谷县和山西省保德县相邻处，跨越为悬索式钢结构管桥，主跨2 7 0 m ， 塔高4 4 m 。干线采用管径为6 6 0 m m ，壁厚为1 4 3 m m ，材质为x 6 0 螺旋焊缝钢管。主索 为0 6 8 m m 的镀锌钢丝索，风索直径为0 5 8 m m ，系索直径为0 2 0 m m 。设计压力6 4 m p a 。 ( 6 ) 巴渝线长江跨越工程 此次跨越采用悬缆式管桥，南跨2 4 1 6 1 m ，北跨3 3 8 0 8 m ，中跨4 7 2 0 7 m ，总长 1 0 5 1 7 6 m 。塔架高度7 5 5 m ，两根直径5 0 5 m m 镀锌钢丝从固定在一岸的锚固墩开始绕 过两个塔架顶部，又固定在另一岸的锚固墩上，悬缆弧垂尾3 7 m ，在悬缆下方挂管径 2 1 9 m m ，壁厚8 m m 的天然气管道，输气压力0 7 m p a 。 ( 7 ) 宁夏中卫黄河跨越工程 宁夏中卫黄河跨越是西气东输工程首次以多跨桁架结构跨越的方式跨过黄河，施工 点位于宁夏回族自治区中卫县沙坡头国家自然保护区境内的黄河刚出峡谷地段。跨越全 长5 4 0 m ，在滔滔的黄河水中连续四跨。单榀桁架长8 5 m ，高6 m ，宽4 5 m ，重5 4 t ，采 用倒三角形钢结构。基础采用大直径钻孔灌注桩，共十二个桥墩，基础桩最深桩基1 8 m ， 桥面离正常水位2 5 m 高。 表1 1 国外部分悬索管道跨越工程 t a b l e l - it h ep a r to ff o r e i g np r o j e c to fc a b l e - s t a y e dp i p e l i n e s 工程名称 结构型式跨度m国家 p o n c a m i s s o u r ir i v e r 悬揽式 8 2 3 美国 第聂伯河跨越悬索式 7 2 0 俄罗斯 阿姆河跨越悬索式 6 6 0 俄罗斯 g r a n dt o w e r m i s s i s s i p p ir i v e r 悬索式 6 5 9 美国 o h i or i v e r k e n t u c k y 悬索式 6 1 0 美国 f l a m i n gg o r g er e s e r v o i r g r e e nr i v e r悬索式 5 8 5 美国 p l a t t s m o i a t h m i s s o u r ir i v e r 悬索式 4 5 7 美国 b e p e 3 m o k ( 伊尔库茨克运河) 悬索式 2 8 5 俄罗斯 c l a r kf o r kr i v e r m o n t a n a 悬索式 2 7 4 美国 w a xl a k eo u t l e t l o u i s i a n a 悬索式 2 6 1 美国 u r a lr i v e r 悬索式 2 3 0 前苏联 3 第一章绪论 表i 2国内部分悬索管道跨越工程 t a b l e l - 2t h ep a r to fd o m e s t i cp r o j e c to fc a b l e - s t a y e dp i p e l i n e s 工程名称 结构型式跨度硒管径r a m建成时间 长纳线永宁河 悬索式 2 1 1 5q ) 3 2 5 x 41 9 6 4 全跨1 0 5 6 ，主跨 长江茄子溪长江跨越悬缆式管桥 西2 1 9 x 1 0 1 9 6 5 4 7 2 马惠宁线折腰河悬索式2 8 0西3 2 5 x 71 9 7 8 马惠宁线赵家沟 悬索式 1 2 00 3 2 5 71 9 7 8 马惠宁线关祭台悬索式1 2 00 3 2 5 x 71 9 7 8 东营临邑输油管道 悬索式 2 2 00 6 3 0 x 1 0 1 9 7 8 中青线涪江悬索式 6 2 07 2 0 1 41 9 7 9 中开线南大堤悬索式 1 3 00 6 3 0 x 1 0 1 9 8 3 东临线临商河跨越悬索式 1 2 0m 7 1 1 2 x 8 7 4 1 9 8 8 西青油库子牙河悬索式3 2 0西2 1 9 x 81 9 9 1 东临线徒骇河跨越悬索式2 2 0m 7 l1 2 x 8 7 41 9 9 5 东临线临商东河跨越悬索式 2 2 07 l l 1 21 9 9 5 平泉机场暴河悬索式 1 4 10 3 2 0 x 91 9 9 5 陕京管线黄河跨越悬索式管桥 2 7 0 0 6 6 0 x 1 4 31 9 9 7 马惠宁线玄成沟跨越悬缆式 “5m 3 2 5 x 71 9 9 7 轮库线孔雀巢河跨越悬索式 2 0 2m 6 l o x 81 9 9 7 义正县冲沟跨越悬索式 1 3 20 4 2 6 x 8 1 9 9 8 沧临县改造跨越悬索式 2 3 20 5 2 9 x 8 1 9 9 9 兰成渝白龙江悬索式 2 3 0m 5 0 8 x 1 1 12 0 0 0 涩宁兰黄河八盘峡 悬索式 3 1 00 6 6 0 x1 4 32 0 0 1 清峪河跨越 悬索式 2 7 8西3 2 3 9 x 9 2 0 0 1 采油六厂至四厂黄河跨越悬索式 2 4 0m 3 7 7 x 82 0 0 2 广州白云机场输油管道遇 悬索式 2 2 0西2 5 0 x 5 22 0 0 2 流溪河 蚂蝗溪跨越 悬索式 2 0 00 7 1 12 0 0 4 马水河跨越悬索式 2 0 0西7 112 0 0 4 木龙河跨越悬索式 1 9 57 1 12 0 0 4 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 3 悬索结构的分析方法 悬索桥是以主缆为主要承重构件的索梁组合体系，在受力本质上属于柔性索悬挂体 系。悬索桥结构分析理论的发展，经历了由连续化到离散化的过程。连续化理论包括弹 性理论和挠度理论。离散化理论是随着计算机的发展而逐渐发展起来的，包括作为离散 参数方法的非线性离散吊杆理论和非线性有限元理论【s 1 。由于弹性理论、挠度理论和非 线性离散吊杆理论都采用了不同程度的假定，使得这些理论都存在计算误差有一定的适 用范围。非线性有限元理论是将悬索桥当作非线性平面框架结构，按非线性杆系有限元 方法求严密解的理论。这一理论除假定材料符合虎克定律之外，无任何其他假定，且可 以考虑结构在细节上的变化，所以非线性有限元理论是悬索桥所有的结构分析理论中最 精确的【6 l 。目前，在应用非线性杆系有限元法对悬索桥进行受力分析时，对主缆和吊杆 的模拟存在着使用杆单元和索单元两种单元模式。为了简化悬索桥的分析，可采用杆单 元代替索单元并用e r n e s t 7 】公式修正弹性模量以考虑主缆的垂度效应的近似方法来分析 悬索桥的受力行为【3 】。 2 0 世纪美国长大桥时代的领袖人物斯坦因曼，于1 9 2 9 年、1 9 3 4 年提出了运用挠度理 论1 9 1 ，利用悬挂加劲梁与张拉梁的相似性，对桥梁进行分析设计的典型方法。在上世纪 4 0 年代，对悬索桥进行设计分析都是采用传统的手工计算方法，运用悬索桥挠度理论与 弹性理论，那时挠度理论与弹性理论的实用分析计算已相当成熟【l o l ，在特定的假定设计 条件下，对悬索桥进行的简化计算，把悬索桥的结构简化为梁和杆，把拉索离散为多段 的空间杆单元，将立梁、塔和桥墩均简化为空间梁单元，所得到的计算结果往往存在较 大误差【】。难以对悬索式管桥的非线性大变形特性进行模拟，其设计的成功率主要取决 于设计者的经验及安全系数的提高，不利于结构形式的优化。但自从1 9 2 6 年美国在红河 建起第一座悬索管道桥以来，在国外许多国家都采用此方法建成了许多具有代表性的悬 索桥，并使该理论得到了不断的发展。1 9 6 5 年铁木辛柯和杨进一步利用挠度理论，提出 了桥梁分析的典型方法。1 9 9 3 年彼得生和1 9 8 2 年罗宾与威格1 9 j 就对挠度理论的基本方程 进行了进一步的推导，使设计者不通过有限元分析就能了解悬索桥的结构，以方便设计 者进行初步设计和对复杂模型进行验证。在上世纪6 0 年代，国外开始研究按有限位移理 论的悬索桥非线性分析，发展了非线性离散吊杆理论和非线性有限元理论，并随着计算 机的发展得到了发展。但非线性离散吊杆理论存在计算误差并有一定的适用范卧1 3 】。非 线性有限元理论是将悬索桥当作非线性平面框架结构，按非线性杆系有限元方法求严密 解的理论。到上世纪7 0 年代末，非线性分析在理论上或是应用软件上都己发展得相当成 5 第一章绪论 熟。中国起步稍晚，在8 0 年代中期，编制了按有限位移理论的分析软件，并在汕头、杨 浦、虎门等悬索桥方案设计中应用a d i n 耀序【1 3 1 1 4 】，使桥梁的设计得到了大大的简化， 并能对悬索桥的结构进行优化。 在上世纪8 0 年代后的悬索桥的设计分析中，都采用了大型的有限元分析软件，根据 悬索桥的结构特点，建立有限元分析模型。随着计算机技术和有限元数值方法的发展， 出现了些比较强大的有限元分析软件，使悬索桥结构的精确分析成为可能。悬索桥是 一个空间结构，塔架、横担及管道采用三维梁单元离散。主索、吊杆和抗风索主要承受 拉伸载荷，在建立有限元模型时，采用了单压或单拉的杆单元。管道与土壤的接触部分 按弹性地基考虑，用弹簧单元模拟弹性基础。杆单元与梁单元的连接处用节点耦合方程 将其耦合起来 1 5 1 1 6 1 。根据管桥的实际固定方式，对有限元模型施加约束，主索和抗风索 的端部是用锚固墩固定，对其端部的所有自由度进行约束，管道的两端也采用固定端约 束，塔架的底部用铰链约束。这种是比较常规的方法，人们仍在不断探索精确解析解的 单元，对悬索桥进行精确的分析【1 7 1 。例如同济大学罗喜恒，肖汝诚，项海帆等基于精确 解析解的索单元，从理论上推导了空间索单元的平面外刚度系数，并通过坐标转换矩阵 将空间索单元统一到平面索单元上，也可考虑在组合均布荷载作用下的索单元，对悬索 桥拉索精确解求解提出了一种较好的方法【i 引。 悬索桥挠度理论的应用己有9 0 多年的经验，上世纪4 0 年代挠度理论的实用计算方法 己相当成熟，至今仍是国内外许多教科书中所介绍的主要经典方法，随着有限元法的创 立和计算机的应用，使得充分考虑几何非线性的迭代计算不再是一件困难的事，从上世 纪6 0 年代开始研究按有限位移理论的悬索桥非线性分析在理论上或是应用软件上都己 发展得相当成熟( 到上世纪7 0 年代末) 【i l 】，中国在上世纪8 0 年代中编制了按有限位移理论 的分析软件，应用a d i n a 程序是国内通用的非线性结构分析程序，虽不具备桥梁设计所 要求的最不利加载功能，但作为检验精度的手段是可以的，在设计时往往发现采用不同 程序计算同一结构会发生不同结果，其主要原因：由于非线性分析可采用不同解法和收敛 技巧；理论上可能发生漏算或重复计算部分非线性因素造成错误。从而带来较大误差，所 以按有限位移理论的空间非线性分析程序计算的同时，应通过与a d i n a 程序、模型实验 和经典方法的结果进行对比，验证软件的正确性和精度是十分必要的。 随着科技和社会的发展，悬索桥的规模、功能、造型和相应的建造技术越来越大型 化、复杂化和多样化，新材料、新设备、新结构和施工技术等日新月异并与悬索桥等建 筑工程相结合【1 3 1 。悬索桥正在成为高新技术的复合载体，所以悬索桥等超大跨度桥梁的 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 现代结构技术是一个国家建筑科学技术发展水平的重要标志之【幡1 7 1 。目前，该方面的 发展趋势是向大跨度，造型美观等方面发展，对于管道方面来说，河流的穿越维修维护 不方便，随着悬索设计的完善及施工方法的进步，河流峡谷的跨越将逐渐以桥梁为主。 应用大型通用程序a n s y s 对悬索桥简化模型进行模态综合分析将成为主流，并充分考虑 了主缆的重力刚度和结构的面内应力与面外刚度的耦合【1 8 1 。大桥的建模可以为同类桥梁 的动力分析提供有益的思路，指导应用a n s y s 分析桥梁结构的有效解决方案，同时也为 实际的工程设计提供指导。 1 4 悬索跨越结构的几何结构特点 悬索式管桥跨越结构是一种柔性悬吊张拉结构体系。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固构件；抗风索通过风系索承受侧向风荷载， 集中传递给两端的锚固构件，而管桥则按合理的跨度以连续梁的形式，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固构件。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，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间曲线。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，通常需按大变 形体系来考虑1 1 7 1 。 1 5 本文研究内容 悬索跨越结构本身是个复杂的体系，进一步分析悬索跨越结构有利于更好地解决实 际工程问题。本文在查阅、分析大量研究文献后，在已有研究成果的基础上进行了较为 细致的研究，主要完成了以下工作： 第一章简述了悬索跨越结构的发展概况及悬索有限元理论的研究进展。 第二章首先根据实例野三河悬索跨越结合悬索跨越结构的几何结构特点建立了有 限元模型，介绍相关的单元类型、材料、单元截面与常数、约束与荷载。对该结构进行 了静力计算，包括自重作用下、自重和风荷载作用下、自重和温度作用下、自重和温度 风荷载共同作用及试压阶段五种工况。计算得到结构的变形及主要构件的应力结果，对 比分析总结在各种工况下结构的受力特点及变化规律，为工程设计提供依据。 第三章对已有模型进行动态分析。通过模态分析得到结构的振型和频率。在模态分 析的基础上进一步对结构进行地震、风振分析，得到结构主要构件位移、应力、加速度 7 第一章绪论 响应曲线，研究悬索跨越结构主要构件的动力特性，对准确的把握地震、风振响应规律 有很大的帮助。 第四章在原有模型的基础上把两条风索重新设计成两个平面内的四条抗风索对其 进行静力、模态、地震和风振计算。对比研究各主要构件的位移、应力变化规律。对塔 架与主索连接、管桥安装的连接结构形式合理选择研究。为以后同类结构设计提出指导 性建议。 第五章针对本文研究情况，给出结论，并提出后续研究建议。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章悬索跨越结构静力分析 2 1 悬索跨越结构的有限元模型 2 1 1 悬索跨越结构的环境概况 本次分析模型拟采用位于野三河地段的跨越结构，野三河峡谷穿跨越场地位于湖北 省恩施市建始县与巴东县交界，桩号e j s 9 5 e b d 0 1 之间( 测量图桩号y s h 0 1 y s h 0 2 ) ， 位于3 1 8 国道野三河大桥东侧。跨越处为典型的“v 字型峡谷，野三河峡谷东北西南 走向，沟谷深切，地形较复杂，跨越处山谷宽约2 0 0 m ，谷深达1 2 0 米。两岸岸坡均为 岩质边坡，坡度较陡，坡面上植被较发育，谷底常年有水。两岸跨越场地为深切峡谷陡 峭岸坡上的相对缓坡地带，较为平坦，有一定的施工场地，两岸均有施工便道( 宽4 - 6 m ) 通向g 3 1 8 国道，场地交通及施工条件一般。 野三河是清江中游北岸建始境内汇入的第二大支流，流程全长6 3 k m ，流域面积 1 0 9 2 k i n 2 ，多年平均流量2 8 4 m 3 s 。勘察期间跨越处河水水面宽约2 1 m ，水面标高约 6 3 5 o m ，水深约0 5 m 。经调查最高洪水位约6 3 8 m 。 两岸跨越场地( 管墩及锚固墩处) 为深切河谷陡峭岸坡上的相对缓坡地带，跨越处 为山谷，跨越处山谷宽为2 0 0 m ，谷底( 最低处) 高程为6 3 4 6 1 m ，管墩及锚固墩处地 面高程为7 3 8 6 3 7 7 4 6 3 m ，与谷底高差约1 0 4 1 4 0 m 。 西北岸跨越场地稳定性好，可以布置悬索跨越支墩；东南岸跨越场地稳定性稍差， 有产生局部小规模滑塌的可能性，布置在该处的支墩基础应适当深埋，并对支墩周围的 岩体进行锚固处理。 2 1 2 悬索跨越结构的基础设计尺寸 本文针对位于野三河地段的跨越结构，主要尺寸如下：跨越主跨跨度为2 4 0 0 m ，西 北岸边跨跨度9 1 1 0 m ，东南岸边跨跨度4 5 6 3 m ，总长3 7 6 7 3 m ，跨越高度7 5 4 0 m ，主 索垂度2 3 0 m ，塔架采用格构式钢塔架，塔架高2 9 0 m 。风索锚固点高程为7 4 7 0 m ，西 北岸主索锚固点高程7 6 1 0 m ，东南岸主索锚固点高程7 6 9 0 m 。选取矢跨比为1 1 0 4 ， 跨越主跨长度为2 4 0 0 m 。 上部结构设计包括索系设计、塔架设计和桥面结构设计。索系设计包括主索、风索 主索、主索吊索、风索拉索设计，该跨越管道为两根1 0 1 6 x 2 1 m m 钢管。主塔采用格 构式钢塔架，主杆和腹杆均采用钢管，塔架底部与主塔基础铰接，腹杆结构采用“k 型结构。塔架立杆采用q 3 4 5 无缝钢管0 4 2 6 x1 2 ，主腹杆采用q 3 4 5 无缝钢管0 2 7 3 1 0 。 桥面结构拟采用薄腹空间钢管桁架结构，桥面结构宽3 7 m ，高o 7 m ，管道搁置在 9 第= 章悬索跨越结构静力分析 桥面结构上弦面的两侧，两根管线对称布置，中间为人行检修通道，桥面桁架结构每5 m 为一个单元，单元与单元之间为螺栓连接，吊索每5 m 一个吊点，与桥面连接。管道通 过桥面上的滚动支座搁置在桥面上方。 下部结构包括两个主塔基础、两个主索锚固墩、四个风索锚固墩。 2 1 3 单元类型 由于悬索跨越结构中各部分的受力特性不同，在建模中应根据它们各自的特点，选 择合适的单元类型。 悬索结构中的主索、拉索、共扼索、抗风索以及吊索由于是受拉构件，采用l i n k l 0 单元模拟，输气管要承受内外压，采用管单元p i p e l 6 模拟，塔与主桥全部为角钢与管 梁，因此采用梁单元b e a m l 8 8 模拟。 l 1 n k l 0 单元具有独一无二的双线性刚度矩阵特性，使其成为一个轴向仅受拉或仅 受压的单元。使用只承受拉力选项时，如果单元受压，刚度就消失，以此来模拟拉索的 松弛。l i n k l 0 单元不承受弯矩和剪力，只能轴向承受拉力或压力，具有应力刚化、大 变形、大应变等功能。在索杆结构分析中，l i n k l 0 单元用来模拟其中的拉索( 杆) 。其 单元结构如图2 1 所示。 卜一b 一 叫：- 7 鼻州嘲n 一甯吩t c | 晰ia i 舸io 呻掣嘲瞎嘲伽i g 蛔q 抽啉 图2 1l i n k l 0 单元 f i 9 2 1l i n k l 0e l e m e n t l i n k l 0 单元在每个节点上有三个自由度：沿节点坐标系x 、y 、z 方向的平动，不 管是仅受拉( 缆) 选项，还是仅受压( 裂口) 选项，本单元都不包括弯曲刚度。本单元 具有应力刚化、大变形功能。 b e a m l 8 8 单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛哥梁理 1 0 工 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 论，并考虑了剪切变形的影响。本单元支持弹性、蠕变及塑性模型( 不考虑横截面形状) 。 这种单元类型的截面可以是不同材料组成的组和截面。当n l g e o m 打开的时候， b e a m l8 8 的应力刚化在任何分析中都是缺省项。应力强化选项使本单元能分析弯曲、 横向及扭转稳定问题( 用弧长法) 分析特征值屈曲和塌陷。其单元结构如图2 2 所示。 z 图2 - 2b e a m l 8 8 单元 f i 9 2 - 2 b e a m l 8 8 卫l e m e n t 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。该单元基于三维梁 单元( b e 怂斛) ，包含了根据对称性和标准管几何尺寸进行的简化。其单元结构如图2 3 所刁o l l n o d ek i s c r u i s e d ，t h e e l e m e n t 弘a x i s 。1 ： i sp a r a l l e lt oi h e 脚曲刚x - yp l e n e t t 1 8 0 y y 图2 - 3p i p e l 6 单元 f i 醇- 3 p i p e l 6e l e m e n t 2 1 4 材料 根据各部件的材料特性，建立相应的材料模型，赋予各结构单元。具体材料特性见 表2 1 。 第二章悬索跨越结构静力分析 表2 1 结构的材料特性 t a b l e 2 - 1m a t e r i a lp r o p e r t i e so ft h em o d e l 材料名称 弹性模量e ( p a ) 泊松比p 密度p ( k g m 3 ) l 索2 1 x 1 0 1 10 37 8 5 0 2 输气管道2 1 x | 0 l l0 3 7 8 5 0 3 管桥 2 1 x 1 0 n 0 37 8 5 0 2 1 5 单元截面与常数 根据各种单元的类型，建立相应的单元常数与截面形状，其中索单元预拉伸率需经 估算和试算求得。 b e a m l8 8 与p i p e l 6 单元的截面形状与实常数根据工程实际定义，具体结构见有限 元模型。在成桥状态下，索的初始应变可以在l i n k l 0 的实常数中定义，主索自重的非 线性效应采用e r n s t 公式，通过调整材料的弹性模量来间接修正。但在实际分析中，这 种影响可以忽略，因此，没有对弹性模量进行修正。 研究中对索的初应变的调整是通过不断的求解与试算，求得的比较合理的成桥状态 下的索的预拉伸率，各种单元的实常数见表2 - 2 。 表2 2 单元的实常数 t a b l e 2 - 2r e a lc o n s t a n t s 名称 单元 截面积初应变 拉索 l i n k l 00 0 0 9 7 9 80 0 0 1 3 主索 l i n k l 00 0 0 9 7 9 8o 0 0 1 3 吊索 l i n k l 0 0 0 0 0 3 8 0 10 0 0 1 5 左边跨l 帐1 0 0 0 0 9 7 9 80 0 0 1 3 右边跨 l i n k l o0 0 0 9 7 9 8 0 0 0 1 3 抗风索l 帐1 0 0 0 0 1 0 80 0 0 1 4 风系索 l i n k l o0 0 0 0 3 8 0o 0 0 2 输气管 p i p e l 6o 2 1 5 6 3 9t 管桥主梁 b e a m l 8 80 0 0 3 7 9 5 l 管桥腹杆 b e a m l 8 8 0 0 0 15 6 5 | 塔架立杆 b e 八m 1 8 80 0 1 5 6 0 7 | 塔架腹杆 b e a m l 8 8 0 0 0 8 2 6 2 l 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 1 6 约束与荷载 1 约束简化 根据结构特点以及约束方式，对悬索跨越结构有限元模型施加如下约束。 ( 1 ) 主索锚固处，抗风索锚固处，共扼索锚固处，全部为铰接，无位移转角自由； ( 2 ) 塔架底部简化为固定铰链支座； ( 3 ) 塔顶与主索连接处按同位移约束来考虑，采用藕合6 个自由度； ( 4 ) 吊索与主索，抗风索与风系索，吊索与管桥，风系索与管桥，边跨索与塔连接方 式全为铰接，进行全自由度藕合； ( 5 ) 输气管与固定墩采取固接，仅约束沿桥垮的方向。 ( 6 ) 管桥两端支墩分别简化为固定铰链支座和可动铰链支座。 2 荷载简化 悬索跨越结构承受的载荷类型可以分为永久载荷、可变载荷、环境载荷以及试水压 载荷，具体受到的载荷见表2 3 。 ( 1 ) 跨越设计载荷 跨越设计主要考虑永久荷载( 管道及介质自重、结构自重等) 、可变荷载( 风荷载、检 修荷载、清管荷载及温度应力等) 、试压荷载、施工荷载进行荷载效应组合。 ( 2 ) 试压阶段荷载 试压阶段荷载主要包括：永久荷载( 结构即管桥、管托、管道、索及索具等自重) ； 可变荷载( 风荷载、检修荷载、温度应力等) ；试压荷载( 管道试压介质自重) 等。 ( 3 ) 7 - 作荷载 正常运行阶段荷载主要包括：永久荷载( 结构即管桥、管托、管道、管道输送介质 等自重) ；可变荷载( 风荷载、检修荷载、温度应力、地震作用等) 。 由以上各阶段管桥荷载情况分析，本跨越工程管线采用洁净水试压，所以试压阶段 管桥荷载最大，对跨越结构起控制作用，以试压阶段管桥所受最大荷载效应组合作为最 不利工况作为跨越结构的控制条件。 为了保证结构强度安全，正常工作，本研究针对该悬索跨越结构，进行如下计算和 研究： a 在单管、双管满载试压、工作多种工况下( 考虑温度变化) 建立非线性静态分析模 型并进行模拟计算；对悬索跨越结构的局部构件进行计算( 包括各主要部件的强度计算) ； b 跨越结构的动态和非线性分析研究。 1 3 第二章悬索跨越结构静力分析 表2 - 3 悬索结构受到的载荷 t a b l e 2 3l o a d so ft h es u s p e n s i o nb r i d g e 类型 名称大小 单位 0 1 0 1 6 钢管 10 3 0 6 0 4 k g m 管桥主梁0 1 5 9 x 8 2 0 8 5 3 7 7 k g m 管桥腹梁0 8 9 x 6 1 2 2 8 1 4 k g m 栏杆0 3 8 3 5 2 9 7 7 9 k g m 管桥永久荷载 主索p e s s - 4 9 9 7 6 9 k g m 风索p e s 5 5 5 8 5 k g m 管托 1 9 2 0 0 k g 走道板 9 6 0 0 k g 管桥可变荷载行人及检修 7 2 0 0 k g 温度 3 0 环境荷载 风荷载风压值 3 5 0n 1 2 试压荷载 水重 7 4 5 0 8 8 k g m 双管压力 气压 1 0m a 表2 - 4 各种工况下悬索式跨越结构受到的荷载 t a b l e 2 - 4l o a d so ft h ec a b l e - s t a y e ds t r u c t u r ei na ni o a d c a s e s 工况荷载 正常营运阶段受重力作0 1 0 1 6 钢管，管托，走道板，栏杆，钢管0 1 5 9 x 8 ，钢管0 8 9 x 6 ，钢索， 用行人及检修 正常营运阶段受重力和0 1 0 1 6 钢管，管托，走道板，