文/盧邦洪 錢光杰 韓俊威
機(jī)動管線在鋪設(shè)過程中會遇到河流、湖泊、溝壑等障礙,機(jī)動管線懸掛穿越裝置可幫助機(jī)動管線快速、順利地通過這些特殊地段,在部隊廣泛應(yīng)用,但使用過程中存在穩(wěn)定性不足、跨距受限等問題,制約了油料保障效率的進(jìn)一步提高。因此,應(yīng)加強(qiáng)機(jī)動管線懸掛穿越裝置的研究力度,提高機(jī)動管線穿越障礙的能力,從而提高油料保障能力。
目前,國內(nèi)外管線懸掛穿越的主要形式有梁式、拱架式、懸索式、斜拉索式、托架式、桁架式等。懸索式管橋因橋身自重輕、結(jié)構(gòu)簡單、展開撤收方便、受外界影響小等優(yōu)點(diǎn),得到廣泛運(yùn)用。各國部隊廣泛使用的懸索式管橋形式主要有單主索型、吊橋式結(jié)構(gòu)和雙主索型。
俄軍機(jī)動管線懸掛穿越裝置的結(jié)構(gòu)形式是單主索型,該裝置由懸索、御風(fēng)索和拉纜、支塔、地錨等組成。圖1表示單主索型結(jié)構(gòu)跨中橫截面的形狀。整個懸空段的重量加載在主索上,管子與主索間距不等,越靠近支塔的部分吊繩長度越長,管線懸空段基本呈水平狀。管子兩側(cè)有兩根御風(fēng)索與管線基本同高,通過御風(fēng)拉鏈連接到管線上,限制管線的徑向移動,防止管線擺動,起到御風(fēng)作用。主索由支塔支撐,通過地錨固定。支塔可用廢鋼、報廢的管子等制作,長期使用還可以澆注鋼筋混凝土支塔。依懸索所受拉力大小,有8種不同規(guī)格地錨可選擇。
圖1 單主索結(jié)構(gòu)跨中截面形狀
美軍懸掛穿越裝置的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,呈吊橋式,由懸掛部分和支撐部分組成。懸掛部分由主索、橫桿吊索、橫桿、墊板等組成,用來懸吊管線。支撐部分由叉桿地錨、塔架、斜拉索等組成,用來支撐懸索。圖2表示吊橋式結(jié)構(gòu)跨中橫截面的形狀。主索與橫桿由橫桿吊索聯(lián)結(jié)形成扶索,吊索下懸吊橫桿,上面鋪設(shè)墊板,組成吊橋式結(jié)構(gòu),管線鋪設(shè)在墊板上通過懸空段。主索由塔架支撐,通過叉桿地錨固定。塔架通過四根斜拉索固定。該裝置可以適應(yīng)100、200、400英尺等不同跨距的鋪設(shè)要求。
我軍懸掛穿越裝置是雙主索V型結(jié)構(gòu),該裝置基于懸索理論設(shè)計,由懸掛和支撐兩大部分組成。懸掛部分由承力鋼索、吊管裝置和鋼索支架組成,用來懸吊管線;支撐部分由塔架、地錨、鋼纜調(diào)節(jié)器等組成,用來支撐和拉緊鋼索,使懸掛部分牢牢固定在兩岸上。圖3表示雙主索型結(jié)構(gòu)跨中橫截面的形狀。懸空段的重量加載在兩根承力鋼索上,管子通過吊管裝置懸吊在平行的兩根鋼索下,與懸索間距保持一致;撐桿與吊桿形成V字型的空間結(jié)構(gòu),通過三角形自身的穩(wěn)定性達(dá)到御風(fēng)的效果,可抗擊8級大風(fēng)。懸索由塔架支撐,通過地錨鋼索連接到地錨并固定在兩岸上。
圖2 吊橋式結(jié)構(gòu)跨中橫截面的形狀
圖3 雙主索結(jié)構(gòu)跨中橫截面的形狀
通過對比可知,雙主索結(jié)構(gòu)比另外兩種結(jié)構(gòu)形式更為簡單,架設(shè)速度快,由自身V型結(jié)構(gòu)的三角形穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)其御風(fēng)效果,減少了鋼絲繩的數(shù)量。單主索結(jié)構(gòu)懸空段的所有重量都加載在主索上,對主索的強(qiáng)度要求更高;懸空段由兩根御風(fēng)索穩(wěn)定管子,御風(fēng)性、穩(wěn)定性較好;管線懸空段基本水平,在塔架高出管線很多的情況下也可以保證管線不會折偏很多,更加適合大落差段的鋪設(shè)。美軍的吊橋式結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、吊橋安裝過程相對繁瑣,但懸空段穩(wěn)定性好,維修方便;俄軍的單主索型塔架由斜拉索進(jìn)行固定,穩(wěn)定性好于前兩種結(jié)構(gòu)形式;另外,該裝置可以適應(yīng)100、200、400英尺等不同跨距的鋪設(shè)要求,適用范圍更廣。
經(jīng)過多年的使用和發(fā)展,現(xiàn)役機(jī)動管線懸掛穿越裝置基本達(dá)到快速、順利通過特殊地段的要求,但使用過程中仍存在大落差段穩(wěn)定性不夠、跨距受限、懸索材料技術(shù)落后等問題。
現(xiàn)役機(jī)動管線懸掛穿越裝置按兩岸等高設(shè)計,但有時管線需要穿跨越大落差的地段。在兩岸等高的情況下,懸索曲線對稱,最低點(diǎn)的矢度最大;在大落差段,懸索在空載時的形狀即其矢度會隨著兩岸高差而變化,加載荷載后,懸空管段的受力也不同于兩岸等高的情況。以雙主索懸掛穿越裝置為例,在兩岸高差不是很大情況下,近似的以兩岸等高的公式進(jìn)行受力分析,如圖4所示。
假設(shè)鋼絲繩在塔架支點(diǎn)處所受的拉力為F,其水平方向分力為Fx,豎直方向分力為Fy,則有:
式中:q——單位長度總載荷;
l——跨距;
f——矢度。
由公式(3)可知,載荷一定,鋼絲繩所受拉力的大小取決于矢度與跨距之比,在某一跨距下懸索拉力的大小取決于矢度,矢度越小,拉力越大。在大落差段,管線矢度及懸索形狀發(fā)生改變,懸索在塔架支點(diǎn)處所受的拉力F、水平方向分力Fx都會改變,當(dāng)高差超出裝置設(shè)計時允許的范圍后,水平分力過大會導(dǎo)致管線出現(xiàn)側(cè)翻、傾覆等情況,存在安全隱患;若兩岸落差過大,現(xiàn)役裝置無法安裝使用,迫使管線改動鋪設(shè)路線。總之,在大落差段,現(xiàn)役裝置穩(wěn)定性不足問題明顯。
雙主索懸掛穿越裝置與機(jī)動管線配套使用,其設(shè)計的最大跨距為120m。假設(shè)懸索受均布荷載,計算懸索的最大拉力:
圖4 雙主索型懸掛穿越裝置受力簡圖
式中:Tmax——主索最大拉力,f——矢度,q——單位長度總載荷,l——跨距, x——主索任意點(diǎn)相對于塔架的水平距離,y——主索任意點(diǎn)相對于塔架的曲線撓度, θ——主索任意點(diǎn)傾角,F(xiàn)x——主索水平力。
由此可見,在懸索矢度不變的情況下,跨距越大,塔架和懸索所受的力越大,當(dāng)跨距超過設(shè)計范圍時,懸索受的力會超過其承力范圍。
縱觀各國的機(jī)動管線懸掛穿越裝置,一般都是采用直徑較大的鋼絲繩作為承重索或者御風(fēng)索,但鋼絲繩的變形與受力不是成簡單的正比例關(guān)系——普通鋼絲繩的彈性模量小,在不同力作用下,鋼絲繩的彈性模量還會改變。國內(nèi)外在鋼絲繩拉索設(shè)計過程中,采用修正的彈性模量來處理這一非線性變形問題,即采用代替鋼絲繩彈性模量的理想彈性模量Ee,但在懸索管橋上能否用這一方法還需探討。隨著對機(jī)動管線懸掛穿越裝置跨距、穩(wěn)定性等要求的不斷提高,中小規(guī)格的鋼絲繩已經(jīng)不能適應(yīng)鋪設(shè)要求而大規(guī)格的鋼絲繩國內(nèi)生產(chǎn)還相當(dāng)困難,限制著我軍機(jī)動管線懸掛裝置穿跨越水平的進(jìn)一步提高。
為解決現(xiàn)役裝置在大落差情況下穩(wěn)定性不夠的問題,在使用時應(yīng)盡量保持其兩岸等高。在兩岸高差不是很大的情況下,可以采用加墊法實(shí)現(xiàn)兩岸塔架的等高。一是利用就便器材,如石塊、磚頭、廢棄鋼材等墊高海拔低的一岸的塔架,使兩岸等高;二是通過灌注水泥墩加墊在塔架下面以達(dá)到裝置安裝使用的要求;三是在有條件的情況下,利用腳手架預(yù)先搭設(shè)安裝平臺,將塔架搭建在平臺上實(shí)現(xiàn)兩岸的等高。前兩種方法只能在較小的范圍調(diào)整塔架的高度,但安裝實(shí)施簡便,第三種方法可大幅度調(diào)整兩岸塔架的高差但安裝費(fèi)時且易受外界影響。
為了能快速、順利地通過障礙,機(jī)動管線懸掛穿越裝置應(yīng)能夠適應(yīng)各種地段的鋪設(shè)。我軍現(xiàn)役裝置塔架的結(jié)構(gòu)形式簡單,可調(diào)整范圍較小,在大落差段穩(wěn)定性不夠,不能很好地適應(yīng)大落差段、大跨距的鋪設(shè)要求。因此,應(yīng)研制新型塔架以適應(yīng)管線鋪設(shè)的要求。新型塔架可借鑒液壓式(如千斤頂)或塔吊等可調(diào)性塔架的形式,大幅增加現(xiàn)役懸掛穿越裝置塔架的可調(diào)范圍。同時,還可以借鑒美軍的吊橋式結(jié)構(gòu),使用斜拉索固定塔架,提高塔架的穩(wěn)定性。
1965年在重慶長江管道跨越工程中,建成了我國第一座大跨度懸索式管橋(管徑為219mm),主索采用兩根φ50.5mm的鋼絲繩作為承重索。目前,鋼絲繩仍是各國懸掛穿越裝備主索和御風(fēng)索的主要材料,從鋼絲繩自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用角度來看,普通鋼絲繩的彈性模量較小,應(yīng)力與拉力不成線性關(guān)系,已經(jīng)越來越不適應(yīng)大跨距的要求。熱聚乙烯鋼絲繩、全防護(hù)拉索等新型材料彈性模量大,可大幅增加懸索管橋的整體剛度并提高懸索管橋的整體跨距和抗風(fēng)穩(wěn)定性。同時新型材料的應(yīng)力與拉力成線性比例,對管橋的設(shè)計和受力都很有好處。例如,蘇州華能熱電有限責(zé)任公司投資建設(shè)的跨越蘇運(yùn)河及胥江河的管橋均為懸索跨越式管橋,鋪設(shè)過程中使用了新型全防護(hù)拉索,不僅縮短了工程周期,還提高了懸索管橋的整體剛度和抗風(fēng)穩(wěn)定性。因此,在以后的機(jī)動管線懸掛穿越裝置研制過程中應(yīng)廣泛使用新型材料替代現(xiàn)有的鋼絲繩,以更好地適應(yīng)不同高差、不同跨距的鋪設(shè)要求。
本文介紹了三種結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計原理及特點(diǎn)不同的機(jī)動管線懸掛穿越裝置。通過對雙主索懸掛穿越裝置進(jìn)行定性分析,找出在大落差段穩(wěn)定性不夠和無法適應(yīng)大跨距鋪設(shè)的原因,指出現(xiàn)役裝置懸索技術(shù)落后的問題。結(jié)合現(xiàn)役裝置的不足之處,提出了解決問題的方法,對部隊裝備使用和新裝置研發(fā)有一定的指導(dǎo)意義。