彭 陽 安建川 李 明 余 進(jìn) 李長俊

1.中國石油西南油氣田公司輸氣管理處 2.中國石油西南油氣田公司 3.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

0 引言

于2018年建成投運(yùn)的中國石油西南油氣田公司楚攀線勐崗河大型懸索跨越全長545.6 m，是國內(nèi)跨度最大的天然氣管道懸索跨越，其采用了一跨過河的方式架設(shè)天然氣管道（圖1）。該懸索跨越管道工程施工難度較大，一旦在清管過程中發(fā)生事故會(huì)影響整條管線運(yùn)行，且很難在短時(shí)間內(nèi)修復(fù)?？缭焦艿涝诔蓸驙顟B(tài)下的索系、塔架共同承受整個(gè)跨越結(jié)構(gòu)的重力而處于受力平衡狀態(tài)，此時(shí)各構(gòu)件內(nèi)部會(huì)形成預(yù)應(yīng)力[1]?？缭浇Y(jié)構(gòu)在平衡狀態(tài)的變形及應(yīng)力即為后續(xù)進(jìn)行清管動(dòng)力響應(yīng)分析的初始條件[2]。因此，有必要對(duì)勐崗河懸索跨越管道進(jìn)行成橋狀態(tài)下的非線性靜力分析。

圖1 楚攀線勐崗河大型懸索跨越管道圖

目前，針對(duì)管道懸索跨越結(jié)構(gòu)的受力分析主要集中于風(fēng)力、地震、流水等外載荷作用[3-7]，較少涉及到管道內(nèi)部移動(dòng)載荷[8-10]，開展的有限元靜力學(xué)分析有：林智寰[11]采用非線性有限元分析了懸索管橋主索在空纜狀態(tài)時(shí)的線性并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。王恩清[12]通過懸索管橋的有限元模型結(jié)合初始內(nèi)力及拉索垂度等非線性因素，計(jì)算了各主要構(gòu)件在恒載作用下的受力與位移變化。段銀龍[13]建立了怒江懸索跨越管道有限元模型，研究了施工階段、成橋狀態(tài)和運(yùn)營階段的非線性靜力。鄧翊華[14]建立了野三河懸索橋跨越結(jié)構(gòu)有限元模型，得出起拱高度為2 m時(shí)能夠在一定程度上抵消承受的壓力。陳譽(yù)等[15]采用有限元模型對(duì)后河懸索跨越結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力分析。張平等[16]采用實(shí)驗(yàn)與有限元仿真相結(jié)合的方法研究了集中載荷對(duì)懸索跨越管道的影響，并分析了管道的應(yīng)變分布情況。胡安鑫等[17]針對(duì)怒江油氣雙管同橋跨越，采用三維模型離散方法，研究了柔性結(jié)構(gòu)力學(xué)特性。張杰等[18]采用有限元模型計(jì)算了管道懸索跨越索系在風(fēng)載荷作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移。王金國等[19]建立了懸索跨越管道原型和試驗(yàn)平臺(tái)的仿真模型，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力有限元分析。梅云新等[20]運(yùn)用有限元方法分析了懸索跨越管道在自重和風(fēng)載作用下的受力狀況。吳瑕[2]對(duì)怒江懸索管道跨越結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性靜力分析計(jì)算。

綜上所述，目前在懸索跨越管道的靜力學(xué)研究中少有考慮實(shí)際成橋狀態(tài)下的起拱高度對(duì)受力計(jì)算的影響，也沒有研究不同靜載荷對(duì)跨越結(jié)構(gòu)各部位的影響。為此，根據(jù)勐崗河懸索跨越天然氣管道結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成和幾何非線性特點(diǎn)，采用有限元方法進(jìn)行實(shí)際成橋狀態(tài)下的非線性靜力計(jì)算與分析。

1 工程原型概況

勐崗河大型懸索跨越結(jié)構(gòu)主跨全長360 m，南岸錨跨109.9 m，北岸錨跨75.7 m，主矢跨比為1/10，風(fēng)索矢跨比為1/15，共軛索矢跨比為1/42。索系采用PE護(hù)套平行鋼絲束，主纜索型號(hào)PESC5-283，風(fēng)纜主索型號(hào)PESC5-151，共軛索主索型號(hào)PESC5-73。橋面布設(shè)天然氣管線一根，設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa，采用?610×11.9 mm的X65M直縫埋弧焊鋼管。南側(cè)主纜與風(fēng)索共用錨固墩，南岸橋塔處設(shè)置風(fēng)索側(cè)向支撐，北岸單獨(dú)設(shè)置兩個(gè)風(fēng)索錨固墩，在橋面下方設(shè)置兩道共軛索。南、北岸各有一座40.73 m的矩形截面結(jié)構(gòu)橋塔，其主肢、橫隔主桿和斜腹桿等聯(lián)系桿件均為無縫鋼管，腹桿結(jié)構(gòu)形式為“K”形。橋面上按5 m間距設(shè)置吊索和風(fēng)纜拉索，成橋狀態(tài)下1/2跨處起拱高度為1.86 m。

2 勐崗河懸索跨越管道有限元模型建立

2.1 結(jié)構(gòu)單元有限元模型

因跨越結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜而對(duì)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理簡化：①靜力分析對(duì)象為管道、索系的位移與應(yīng)力，因而將橋墩、錨固系統(tǒng)作為索系的穩(wěn)定約束；②對(duì)跨越結(jié)構(gòu)的鉚接口、螺栓和螺母等構(gòu)件進(jìn)行簡化，換之以相同的約束條件；③使用具有相同橫截面積的圓形鋼絲繩代替由多股鋼絲繩扭結(jié)而成的索系。采用ANSYS Workbench軟件所建有限元模型主要單元類型如表1所示。跨越管道為建成未投產(chǎn)的狀態(tài)，故不考慮內(nèi)壓影響。

此外，考慮到模型尺度而用適當(dāng)?shù)慕佑|類型來描述連接件（表2）。其中，滾動(dòng)支座與管道的接觸類型是通過將管道三個(gè)方向約束中的軸向約束進(jìn)行釋放來實(shí)現(xiàn)仿真模擬。

表1 跨越結(jié)構(gòu)有限元模型主要單元類型表

表2 跨越結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)單元之間的接觸類型表

2.2 載荷加載和校核標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 加載條件

根據(jù)GB/T 50459—2017[21]規(guī)定，懸索跨越管道需要考慮的載荷類型如表3所示。由于清管載荷不屬于永久載荷，且其發(fā)生概率高于偶然載荷，因此確定出非線性靜力計(jì)算中施加的載荷為：①跨越結(jié)構(gòu)自身重力載荷；②試壓充水狀態(tài)時(shí)的重力載荷；③在跨越管道不同位置處施加的不同靜載荷。

表3 懸索跨越管道需要考慮的載荷類型表

2.2.2 校核標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB/T 50459—2017[21]要求，懸索跨越管道位移校核以跨中撓度最大值作為對(duì)比參數(shù)；管道和索系采用規(guī)定的應(yīng)力校核方法進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于由分肢厚度小于16 mm的Q235角鋼構(gòu)成的橋面桁架結(jié)構(gòu)，應(yīng)力校核標(biāo)準(zhǔn)參照GB 50017—2017[22]中表4.4.1規(guī)定取強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215 MPa。

2.3 仿真模型建立

基于ANSYS Workbench與ProE的雙向接口建立了1∶1的仿真模型，同時(shí)，為了兼顧跨越結(jié)構(gòu)計(jì)算精度和所耗時(shí)間進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終選取的網(wǎng)格總數(shù)為1 970 000。所建仿真模型如圖2所示，其中左邊為南岸，右邊為北岸。

圖2 勐崗河懸索跨越結(jié)構(gòu)仿真模型圖

3 非線性靜力有限元計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 無外載荷作用時(shí)跨越結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與位移

為得到與實(shí)際成橋狀態(tài)相近的起拱高度，通過有限元模型迭代找形得到跨中起拱高度為1.84 m，與實(shí)際偏差僅0.02 m。在該狀態(tài)下跨越結(jié)構(gòu)處于靜力平衡狀態(tài)，管道不存在內(nèi)壓，且不考慮溫度應(yīng)力的影響。此時(shí)，受自重作用跨越管道和索系的最大應(yīng)力校核及與現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如表4所示。索系應(yīng)力現(xiàn)場檢測(cè)結(jié)果為軸向應(yīng)力；主風(fēng)纜應(yīng)力測(cè)試時(shí)為無風(fēng)狀態(tài)。橋面最大應(yīng)力計(jì)算值為60.3 MPa，而根據(jù)GB 50009—2012[23]荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.35，從而得到荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)力值為81.4 MPa（小于215MPa），故校核結(jié)果為合格。

表4 跨越管道、索系應(yīng)力校核及與現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表

從表4可以得出：①無壓狀態(tài)下管道初始應(yīng)力最大計(jì)算值為172.4 MPa，出現(xiàn)在南岸彎頭處，這是由于通過吊索使管道中部離開水平位置1.84 m時(shí)，會(huì)造成管道兩端彎頭處應(yīng)力增大；②計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏差較小，表明仿真模型能夠反映實(shí)際跨越結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)和用于后續(xù)靜載荷加載；③成橋狀態(tài)下管道和索系應(yīng)力校核均為合格，且與許用應(yīng)力間的余量還比較大。

3.2 外載荷作用下跨越結(jié)構(gòu)的位移與應(yīng)力

3.2.1 試壓工況下跨越結(jié)構(gòu)的位移與應(yīng)力

試壓工況下跨越結(jié)構(gòu)所受載荷為自重加上管內(nèi)水的重量。此時(shí)，管道的起拱高度為1.839 m，位移變化僅為0.001 m，最大應(yīng)力校核結(jié)果如表5所示，管道的應(yīng)力分布如圖3所示。

由表5可知，跨越結(jié)構(gòu)在試壓工況下的位移值與應(yīng)力值較無外載荷時(shí)沒有明顯增加。這表明試壓時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、無應(yīng)力超限產(chǎn)生。而造成跨越結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力增加幅度均較小的原因?yàn)樵噳簳r(shí)載荷均勻分布于管道上，而該壓力通過吊索、主纜索及兩邊塔架傳遞到了橋墩下。在后續(xù)清管掃水過程中只要緩慢推動(dòng)液體經(jīng)過跨越管道，整個(gè)結(jié)構(gòu)就不會(huì)出現(xiàn)位移和應(yīng)力變化過大。

表5 試壓工況下跨越結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件最大應(yīng)力校核結(jié)果表

圖3表明，試壓工況下管道最大應(yīng)力出現(xiàn)在南岸橋面管道開始起拱處。這是由于管道呈拱形，在上方施加均布載荷后，管道會(huì)有向兩端擠壓的趨勢(shì)，因此，南、北岸應(yīng)力值會(huì)高于跨中處，但南岸因存在較高的“Z”形懸空立管，其位移變化趨勢(shì)更大，故會(huì)出現(xiàn)最大應(yīng)力值。

3.2.2 不同載荷作用下管道最大應(yīng)力與位移

通過在1/2跨、1/4跨和3/4跨處，從小到大（15～480 kN）依次增加外載荷，其分布長度為仿真模型最小管段長度3.78 m，從而得到該位置位移、應(yīng)力變化及極限載荷。管道最大應(yīng)力、起拱高度計(jì)算結(jié)果如表6所示（僅列出部分情況）。不同靜載荷作用時(shí)，管道應(yīng)力變化云圖（放大5.2倍）如圖4所示；施加320 kN載荷時(shí)，管道的位移變化云圖（放大5.2倍）如圖5所示。

圖3 試壓工況下管道的應(yīng)力分布云圖

表6 在管道不同部位施加載荷時(shí)最大應(yīng)力與最大起拱高度計(jì)算結(jié)果表

圖4 不同靜載荷作用下的管道應(yīng)力變化云圖

圖5 施加320 kN載荷時(shí)的管道位移變化云圖

由表6可知：管道最大應(yīng)力及起拱高度隨著載荷的增加而增大；3/4跨處最先接近臨界值，即跨越管道承受超過480 kN的載荷時(shí)會(huì)產(chǎn)生失效風(fēng)險(xiǎn)。因此，在對(duì)管道施加大重量的載荷時(shí)，建議先校核3/4跨處的安全性。

由圖4、5可知，受起拱高度影響，跨越管道最大應(yīng)力和位移存在特殊性：

1）在1/2跨處施加載荷時(shí)，管道中部起拱高度降低，1/4跨、3/4跨處起拱高度增加。這是由于管道兩端受到約束，在中部受到向下作用力時(shí)，會(huì)向兩端擠壓形成弓形，從而抬高了1/4跨、3/4跨處的高度。同時(shí)，管道兩端應(yīng)力均增加，且南岸由于存在較高的Z字形懸空立管，位移變化趨勢(shì)更大，彎頭處應(yīng)力出現(xiàn)最大值。

2） 在1/4跨處施加載荷時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在北岸。其原因是1/4跨靠近南岸，在管道受力后會(huì)向兩端產(chǎn)生擠壓作用，受初始起拱形態(tài)影響，往北岸方向的位移量和擠壓作用會(huì)大于南岸方向，因此，北岸管道彎頭處的應(yīng)力會(huì)高于南岸。

3）在3/4跨處施加載荷時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在南岸彎頭。這與2）中情況類似，只是方向相反。

4 結(jié)論

通過對(duì)勐崗河大型懸索跨越管道進(jìn)行成橋狀態(tài)下非線性靜力有限元分析，得到了以下結(jié)論：

1）所建成橋狀態(tài)下懸索跨越管道仿真模型能夠準(zhǔn)確反映現(xiàn)場實(shí)際跨越結(jié)構(gòu)受力情況，并能夠用于后續(xù)受力分析。

2）在充水試壓及緩慢清管掃水時(shí)，跨越結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力變化不大，無應(yīng)力超限產(chǎn)生。此外，受管道起拱形態(tài)影響，最大應(yīng)力出現(xiàn)在南岸管道開始起拱處。

3）隨著外載荷增大，管道的應(yīng)力和位移也不斷增加，3/4跨處的應(yīng)力最先達(dá)到臨界值；受起拱高度影響，跨越管道在外載荷作用下各部分的位移變化和極限應(yīng)力出現(xiàn)位置均存在特殊性。

4）建議在非線性靜力有限元分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行清管態(tài)載荷作用時(shí)的跨越結(jié)構(gòu)清管動(dòng)力響應(yīng)研究。