吳 淅 陳海鵬 胡文君 胡道華 楊曉秋

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

大型斜拉索管橋是油氣輸送管道跨越中采用較多的一種跨越型式［1］。該跨越型式由于受力復(fù)雜、結(jié)構(gòu)新穎而成為熱點(diǎn)研究問(wèn)題［2］。由于大型斜拉索管橋抗風(fēng)穩(wěn)定性較好，一般均未設(shè)置抗風(fēng)索，因此需要解決其平面外的橫向位移計(jì)算問(wèn)題，本文就此提出一種新的簡(jiǎn)單可行的計(jì)算方法。

1 計(jì)算方法研究

計(jì)算方法公式推導(dǎo)見(jiàn)圖1，由圖1a）可見(jiàn)，作用在管道上的風(fēng)載荷為qH、Pi，當(dāng)沒(méi)有受到風(fēng)荷載作用時(shí)，斜拉索對(duì)管道的橫向水平方向的約束為初始約束。風(fēng)荷載開(kāi)始作用后，管道產(chǎn)生水平面外的位移量μ，這時(shí)斜拉索也隨之對(duì)管道的水平位移產(chǎn)生更強(qiáng)的約束作用。由圖1b）可見(jiàn)，設(shè)管道有了初始位移μ（0）和初始位移角θ，在qH、Pi作用下管道又產(chǎn)生新的位移μ（i）和位移角dθ，為求出斜拉索對(duì)管道的約束作用，需要知道P=1 作用在管道a1點(diǎn)位置時(shí)該點(diǎn)發(fā)生的水平位移是多少。由圖1c）可見(jiàn)，當(dāng)沿斜拉索長(zhǎng)方向產(chǎn)生的力為 1 sinθ的作用由a2點(diǎn)位移至a3點(diǎn)，產(chǎn)生位移量，根據(jù)時(shí)，相應(yīng)于作用在a1點(diǎn)的是單位力P=1。斜拉索因有幾何關(guān)系，此時(shí)相應(yīng)的水平位移斜拉索對(duì)管道的水平橫向約束系數(shù)為：

式中：lc為索的長(zhǎng)度，m；Ec為斜拉索的彈性模量，kN/m2；Ac為斜拉索的截面積，m2；θ 為與作用荷載相應(yīng)的位移角，（°）。

如果已知位移μ（i），那么相應(yīng)的位移角：

圖1 式（1）推導(dǎo)示意

2 工程應(yīng)用

西鄉(xiāng)-漢中、漢中-安康輸氣管道工程中，石泉漢江跨越為大型斜拉索管橋，見(jiàn)圖2。斜拉索的原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，基本風(fēng)壓w0=0.4 kN/m2，承重管在水平面內(nèi)的A、B 點(diǎn)均為鉸支支座。

表1 石泉漢江斜拉索跨越索參數(shù)

根據(jù)GB 50135-2006《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］，經(jīng)過(guò)計(jì)算，石泉江漢跨越工程作用到承重管的橫向均布風(fēng)荷載qH=0.60 kN/m，施加到鋼絲繩上的風(fēng)荷載導(dǎo)算到承重管的節(jié)點(diǎn)荷載P1=2.14 kN、P2=1.77 kN、P3=1.24 kN、P4=0.83 kN、P5=0.64 kN。

斜拉承重管采用SAP84［5］的計(jì)算模型見(jiàn)圖3，這就是一根簡(jiǎn)支梁加彈簧支座的計(jì)算模型［6］。根據(jù)本文的推導(dǎo)結(jié)論，將斜拉索對(duì)承重管的約束作用，即彈簧剛度施加上去后，作用在上面的是n 次分荷載，我們按n=6 次考慮每檔次的分荷載。

由于需要進(jìn)行6 次迭代計(jì)算，根據(jù)論述步驟，編制了電子表格，并進(jìn)行了圖形繪制。由圖4～7 可以看出，大型斜拉索管橋平面外位移的變化具有明顯的幾何非線性特點(diǎn)。在橫向風(fēng)荷載逐漸加大的過(guò)程中（就是每次的迭代過(guò)程模擬），承重管的橫向位移變大，θ隨之加大，K（i）（I）也加大（即表現(xiàn)為橫向約束剛度加大），承重管的橫向位移增幅就逐漸減小，表現(xiàn)出明顯的幾何非線性特點(diǎn)。

各節(jié)點(diǎn)的橫向約束剛度變化曲線見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，各點(diǎn)對(duì)承重管的橫向約束逐漸加大，但不是線性變化的，相對(duì)而言，由于5 號(hào)節(jié)點(diǎn)的鋼絲繩最長(zhǎng)，斜度最大，對(duì)承重管的橫向約束最小，而1 號(hào)節(jié)點(diǎn)的鋼絲繩對(duì)承重管的約束剛度最大。

橫向位移的變化曲線見(jiàn)圖5，顯示了計(jì)算模型（圖3）中1～5 號(hào)節(jié)點(diǎn)每次位移變化的曲線圖。從圖5 可見(jiàn)，各節(jié)點(diǎn)的每次位移逐漸減少，說(shuō)明由于橫向剛度的非線性增加，也引起了橫向位移的非線性變化。

石泉漢江跨越的各節(jié)點(diǎn)鋼絲繩的約束總剛度見(jiàn)圖6。1 號(hào)節(jié)點(diǎn)的約束剛度最大，5 號(hào)節(jié)點(diǎn)的約束剛度最小。

圖2 石泉漢江跨越工程斜拉索示意圖

圖3 SAP84 的計(jì)算模型

圖4 各節(jié)點(diǎn)的橫向約束剛度變化

圖5 橫向位移的變化曲線圖

石泉漢江跨越的橫向總位移見(jiàn)圖7。1 號(hào)節(jié)點(diǎn)位移最小，為0.857 m，5 號(hào)節(jié)點(diǎn)為3.268 m，顯示出很強(qiáng)的大位移特點(diǎn)。

圖6 石泉漢江跨越的各節(jié)點(diǎn)鋼絲繩的約束總剛度

圖7 石泉漢江跨越的橫向總位移

以上分析是將橫向風(fēng)荷載分為6 份進(jìn)行計(jì)算的，為探討其準(zhǔn)確程度，還按照12 等份進(jìn)行了橫向位移分析，兩者對(duì)比見(jiàn)表2。由表2 可見(jiàn)，其結(jié)果的誤差率≤4.7%，不足5%。所以，在實(shí)際工程的計(jì)算與方案對(duì)比中，采用n=6 次迭代計(jì)算就可滿足精度要求。

表2 石泉漢江跨越橫向位移對(duì)比表

3 結(jié)論與建議

通過(guò)研究斜拉索管橋在平面外橫向位移，提出了一種新的簡(jiǎn)明計(jì)算模型，得到結(jié)論與建議：

a）該計(jì)算模型簡(jiǎn)單明了，建議采用電子表格進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作。

b）計(jì)算迭代次數(shù)6 次即可滿足工程設(shè)計(jì)的精度需要。

c）通過(guò)對(duì)石泉漢江斜拉索管橋的實(shí)例分析，斜拉索管橋的平面外橫向位移較大，宜采取適當(dāng)措施，減少平面外位移。

d）研究分析表明，大型斜拉索管橋的平面外幾何非線性明顯，建議進(jìn)一步研究斜拉索管橋的幾何非線性特性。

［1］GB 50459-2009，油氣輸送管道跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.GB 50459-2009，Code for Design of Oil and Gas Transportation Pipeline Aerial Crossing Engineering ［S］.

［2］葛雪華，郭詠梅.斜拉索管道跨越結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀及特征［J］.技術(shù)與市場(chǎng)，2010，17（4）：15-16.Ge Xuehua，Guo Yongmei.Current Developing Situation and Characteristic of Cable-Stayed Aerial Crossing Pipeline Structure ［J］.Technology and Market，2010，17（4）：15-16.

［3］許 萍，李著信，高松竹.大跨度斜拉索管橋幾何非線性分析與數(shù)值模擬［J］.后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，24（3）：31-34，43.Xu Ping，Li Zhuxin，Gao Songzhu.Geometric Nonlinear Analysis and Simulation for Long Span Cable-Stayed Pipeline Bridge.［J］.Journal of Logistical Engineering University，2008，24（3）：31-34，43.

［4］GB 50135-2006，高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.GB 50135-2006，Code for Design of High-Rising Structures［S］.

［5］袁明武.SAP84 結(jié)構(gòu)分析通用程序［M］.北京：北京大學(xué)出版社，1992.Yuan Mingwu.General Purpose Finite Element Structural Analysis Program SAP84［M］.Beijing：Peking University Press，1992.

［6］胡道華，楊曉秋.赤水河跨越工程安全性評(píng)價(jià)［J］.天然氣與石油，2009，27（6）：55-58.Hu Daohua，Yang Xiaoqiu.Safety Assessment of Chishui River Aerial Cross［J］.Natural Gas and Oil，2009，27（6）：55-58.