一种管道悬索跨越结构抗风体系的设计方法与流程

本发明涉及一种管道悬索跨越结构抗风体系设计方法，属于油气管道跨越工程设计领域。

背景技术：

管道悬索跨越工程是油气长输管道跨越河流最常用的方式之一，悬索跨越结构具有跨越能力强、结构刚度小、阻尼低等特点，对风荷载极为敏感，尤其在峡谷河流地区，受到峡谷风的影响，结构风振安全是管道跨越工程最为关注的方面之一。以往工程设计中，一般采用与水平面夹角较大的抗风索系统或者采用刚度较大的桥面结构，但受峡谷地形影响，常规的抗风索布置难度极大，且受抗风索安装的限制，不能提供足够的侧向和竖向刚度，同时刚度较大的桥面结构带来的工程费用较高。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种管道悬索跨越结构抗风体系设计方法，通过设置合理的水平抗风索系(0.3o～1.5o)和共轭索系，实现大跨度管道悬索跨越结构的抗风安全。本发明为峡谷地形条件下，解决管道跨越结构抗风安全问题提供了一种新的方式。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

管道悬索跨越结构抗风体系包括：

两条主索，每条主索分别穿过两个管道悬索跨越桥塔的顶端且在竖直方向均呈抛物线型设置，所述两条主索的下方通过若干根平行布置的主索吊索吊有管道悬索跨越桥面；

两条水平抗风索，在水平方向均呈抛物线型设置，并与所述管道悬索跨越桥面在水平方向上平齐，且分别设置在所述管道悬索跨越桥面的两侧；所述两条水平抗风索分别通过若干根平行布置的风拉索与所述管道悬索跨越桥面连接；

共轭索，在竖直方向呈反向抛物线型设置，且设置在所述管道悬索跨越桥面的底部；所述共轭索通过若干根平行布置的共轭索拉索与所述管道悬索跨越桥面连接；

基于上述管道悬索跨越结构抗风体系，所述管道悬索跨越结构抗风体系的设计方法包括以下步骤：

步骤1，根据管道悬索跨越结构所处地形条件，拟定水平抗风索和共轭索的曲线要素；

步骤2，建立所述管道悬索跨越结构的有限元模型并计算所述管道悬索跨越结构的振动特性；

步骤3，根据管道悬索跨越结构所处地区计算风速并初步拟定水平抗风索型号；根据管道悬索跨越结构的竖向刚度要求初步拟定共轭索型号；

步骤4，根据所述管道悬索跨越结构的振动特性和管道悬索跨越结构刚度要求确定水平抗风索和共轭索的预张力；

步骤5，组装管道悬索跨越结构抗风体系的缩尺模型并进行缩尺模型全桥风洞试验，验证极限状态下所述缩尺模型的抗风安全性能；如不能满足抗风安全要求，调整水平抗风索曲线和共轭索曲线，重复步骤1～步骤5；如满足抗风安全要求，则进行步骤6；

步骤6，根据最终的水平抗风索和共轭索计算主索、水平抗风索和共轭索的索力，并设计抗滑稳定安全系数和抗倾覆稳定安全系数均符合要求的主索锚固墩、共轭索锚固墩和风索锚固墩，从而完成管道悬索跨越结构抗风体系的设计。

进一步的，步骤1中，所述水平抗风索和共轭索的抛物线表达式均为：

其中：y为曲线纵坐标；x为曲线横坐标；h为当x＝l时，y的值；f为抛物线矢高；l为抛物线总跨度；水平抗风索矢高采用水平抗风索跨度的1/12～1/20，共轭索矢高采用共轭索跨度的1/15～1/30。

进一步的，

当水平抗风索或共轭索抛物线采用对称布置时，h＝0，抛物线表达式为：

拟定水平抗风索和共轭索的曲线要素时，根据管道悬索跨越结构所处地形条件，优先采用具有较小绝对值的h值，从h＝0开始选取。

进一步的，步骤3中，所述主索、水平抗风索、共轭索、主索吊索、风拉索和共轭索拉索均由若干根钢丝组成，并在所述主索、水平抗风索、共轭索、主索吊索、风拉索和共轭索拉索的两端分别设置有锚头，所述主索、水平抗风索和共轭索两端的锚头均连接叉耳，所述叉耳连接锚固墩锚固端耳板。

进一步的，主索锚固墩设置在所述管道悬索跨越桥面的两端；两条主索分别设有相应的主索背索，所述主索背索锚固在所述主索锚固墩上；

所述管道悬索跨越桥面的两端分别设有两个对称布置的水平抗风索锚固墩，用于锚固水平抗风索；

所述管道悬索跨越桥面的底部两端分别设有共轭索锚固墩，用于锚固共轭索。

进一步的，步骤6中对各锚固墩均采用钢筋混凝土重力式锚固墩，各锚固墩的设计同时满足以下条件：

在相应索系的水平分力作用下，各锚固墩不发生滑移，且各锚固墩的抗滑稳定安全系数不小于1.3；

在相应索系拉力和相应锚固墩自重作用下，各锚固墩不发生倾覆，各锚固墩的抗倾覆稳定安全系数不小于1.5；

在相应索系拉力和相应锚固墩自重作用下，各锚固墩基底最大压应力不大于修正后地基承载力容许值的1.2倍；

所述索系包括主索、水平抗风索和共轭索。

进一步的，由于重力作用，所述水平抗风索与水平面夹角范围在0.3o～1.5o之间。

本发明的有益效果为：

本发明为管道悬索跨越结构提供了一种完整的抗风体系设计方法，能够满足悬索跨越结构的抗风安全要求，适用于设置小角度风索(0.3o～1.5o)的悬索跨越结构的抗风设计。通过设置水平抗风索及风拉索、竖向共轭索及共轭索拉索，实现了管道悬索跨越结构抵抗水平风荷载和风荷载升力以及提高结构侧向和竖向刚度的目的，为峡谷地形条件下，解决管道跨越结构抗风安全问题提供了一种新的方式。

附图说明

图1为管道悬索跨越结构抗风体系的水平风索及共轭索线形方程曲线；

图2为管道悬索跨越结构抗风体系的有限元计算模型；

图3为管道悬索跨越结构抗风体系的有限元计算一阶振型；

图4为管道悬索跨越结构抗风体系在不同预张力条件下关键振型一阶频率变化示意图；

图5为本发明所述管道悬索跨越结构抗风体系主视图；

图6为本发明所述管道悬索跨越结构抗风体系俯视图；

图7为水平抗风索锚固系统示意图；

图8为共轭索锚固系统示意图；

其中，1-水平抗风索，2-风拉索，3-共轭索，4-共轭索拉索，6-水平抗风索锚固墩，7-共轭索锚固墩，8-主索锚固墩，10-主索背索，11-主索，12-管道悬索跨越桥塔，13-桥墩，14-承台，15-管道悬索跨越桥面，21-水平抗风索锚固系统，22-共轭索锚固系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种管道悬索跨越结构抗风体系，如图5、6所示，设有两个管道悬索跨越桥塔12，所述管道悬索跨越桥塔12固定在桥墩13上，所述桥墩13下方设有承台14。两条主索11分别穿过两个管道悬索跨越桥塔12的顶端且在竖直方向均呈抛物线型设置，所述两条主索11的下方通过若干根竖直平行布置的主索吊索吊有管道悬索跨越桥面15。所述管道悬索跨越桥面15的两端分别设有主索锚固墩3；两条主索11分别设有相应的主索背索10，所述主索背索10锚固在所述主索锚固墩上。

所述管道悬索跨越结构抗风体系还包括：

两条水平抗风索1，在水平方向均呈抛物线型设置，并与所述管道悬索跨越桥面15在水平方向上平齐，且分别设置在所述管道悬索跨越桥面15的两侧。由于重力作用，所述水平抗风索1与水平面夹角范围可在0.3°～1.5°之间。所述两条水平抗风索1分别通过若干根平行布置的风拉索2与所述管道悬索跨越桥面15连接。通过两条水平抗风索1和若干根风拉索2，可抵抗管道悬索跨越结构的水平方向抗风荷载，并提供管道悬索跨越的侧向刚度。所述管道悬索跨越桥面15的两端可分别设有两个对称布置的水平抗风索锚固墩6，用于锚固水平抗风索1。如图7所示，水平抗风索锚固墩6内设有水平抗风索锚固系统21。

共轭索3，在竖直方向呈反向抛物线型设置，且设置在所述管道悬索跨越桥面15的底部；所述共轭索3通过若干根平行布置的共轭索拉索4与所述管道悬索跨越桥面15连接；通过共轭索3和若干根共轭索拉索4的设置，可抵抗管道悬索跨越结构风荷载的升力，并提供管道悬索跨越结构的竖向刚度。所述管道悬索跨越桥面15的底部两端分别设有共轭索锚固墩7，用于锚固共轭索3。如图8所示，所述共轭索锚固墩7内设有共轭索锚固系统22。

所述管道悬索跨越结构抗风体系的设计方法包括以下步骤：

步骤1，根据管道悬索跨越结构所处地形条件，拟定水平抗风索和共轭索的曲线要素。

水平抗风索系主要承担水平向风荷载和提供竖向刚度，水平抗风索与水平面角度控制在0.3°～1.5°，水平抗风索采用空间抛物线线形，考虑到水平抗风索的安装，风拉索最小长度不小于3m。共轭索索系主要提供竖向刚度，其线形采用与水平面垂直的反向抛物线线形(与主索线形方向相反)。

如图1所示，所述水平抗风索和共轭索的抛物线表达式均为：

其中：y为曲线纵坐标；x为曲线横坐标；h为当x＝l时，y的值；f为抛物线矢高；l为抛物线总跨度；水平抗风索矢高采用水平抗风索跨度的1/12～1/20，共轭索矢高采用共轭索跨度的1/15～1/30。

当水平抗风索或共轭索抛物线采用对称布置时，h＝0，抛物线表达式为：

拟定水平抗风索和共轭索的曲线要素时，根据管道悬索跨越结构所处地形条件，优先采用具有较小绝对值的h值，从h＝0开始选取，尽量采用对称线形(h＝0)。

步骤2，建立所述管道悬索跨越结构的有限元模型，如图2所示，并计算所述管道悬索跨越结构的振动特性。

由于管道悬索跨越结构中各部分的受力特性不同，在建模中需根据它们各自的特性选择合适的单元类型，以通用有限元ansys为例，其中加劲桁架槽钢部分采用beam44单元模拟，通过自由度释放模拟与主索吊索相连。桥塔和加劲梁其它部分采用beam4单元模拟。主索、主索吊索、水平抗风索以及风拉索采用link10单元模拟，通过指定单元选项设定其为受拉单元。管道采用beam4单元，管道支座采用mass21质量单元模拟。

根据各部件的材料特性，给各结构单元赋予相应的材料属性，具体材料特性见表1。在非线性静力分析和模态分析时，只考虑结构的恒荷载。

表1结构的材料特性表

根据管道悬索跨越结构特点及工程实际，选取管道悬索跨越结构有限元模型约束条件如下：

①主索、水平抗风索的锚固端采用固结的方式；

②架两端限制移动和z-y、x-z面的转动；

③底固结，塔顶与主索按同位移约束来考虑，采用耦合6个自由度；

④主索与主索吊索、水平抗风索与风拉索、主索吊索与桁架、风拉索与桁架均采用铰接。

⑤管道与其固定墩采用固结，约束沿桥垮的方向，与桁架桥支座耦合纵向自由度。

取加劲桁架中心为坐标原点，根据相对位置坐标，建立全桥各关键点的位置。主索各关键点坐标值按立面二次抛物线布置输入，水平抗风索按立面和水平面两侧二次抛物线输入。根据悬索桥的结构特点，作合适的简化，建立全桥的有限元模型。

步骤3，根据管道悬索跨越结构所处地区计算风速并初步拟定水平抗风索型号；根据管道悬索跨越结构的竖向刚度要求初步拟定共轭索型号。

基本风速定义为桥梁所在地区开阔平坦地面以上10米高度处100年重现期的10min平均年最大风速，当跨越位置处无相关观测数据时，可以根据全国基本风速值和基本风速分布图确定基本风速。

管道悬索跨越结构上、下部结构构件的设计验算均应考虑风荷载的作用。作用在桥梁上的设计风荷载由设计基准风速下的等效静阵风荷载和结构惯性动力风荷载叠加而成。等效静阵风荷载定义为等效阵风风速算出的风荷载。它是在10分钟平均风速的基础上乘以一个等效阵风系数gv得到，其中包括了平均风荷载和脉动风中的背景响应。gv计算中应考虑风的空间相关性、不同地表粗糙度、不同桥梁基准高度的影响。

在横桥向风作用下，作用于加劲梁单位长度上的横向力、竖向力和扭矩分别为：

式中，ρ为空气密度，vg为风速；ch,cv,cm分别为节段模型测力试验测取的主梁横向力系数、竖向力系数和力矩系数；h，b分别为加劲梁特征高度、特征宽度。

所述主索11、水平抗风索1、共轭索3、主索吊索、风拉索2和共轭索拉索4均由若干根钢丝组成，并在所述主索11、水平抗风索1、共轭索3、主索吊索、风拉索2和共轭索拉索4的两端分别设置有锚头；所述主索吊索、风拉索2和共轭索拉索4的两端锚头分别连接索夹和叉耳，用于主索、水平抗风索1或共轭索3与管道悬索跨越桥面15的连接，以实现力的传递。所述主索、水平抗风索和共轭索两端的锚头均连接叉耳，所述叉耳连接锚固墩锚固端耳板。

以360m主跨悬索跨越工程为例，通过计算选择的水平抗风索型号为：采用热挤聚乙烯平行钢丝索，由151根直径5mm的镀锌涂层高强钢丝组成，单缆有效截面积为2964mm²，标称破断荷载4951kn。外挤双层pe防腐，pe外层颜色采用红色，强度安全系数≥2.50。索系锚具采用热铸锚，两端锚头均连接叉耳，叉耳连接锚固墩锚固端耳板。

共轭索由73根直径5mm的镀锌涂层高强钢丝组成，单缆有效截面积为1433mm²，标称破断荷载2394kn。外挤双层pe防腐，pe外层颜色采用红色。索系锚具采用热铸锚，两端锚头均连接叉耳，叉耳与锚固墩锚固端耳板连接。

步骤4，根据所述管道悬索跨越结构的振动特性和管道悬索跨越结构刚度要求确定水平抗风索和共轭索的预张力。

以360m主跨悬索跨越工程为例，选取相应索系索力即预张力分别为2000kn、2500kn、3000kn、3500kn、4000kn五种情况进行分析。

如图3～4所示，依据所述管道悬索跨越结构的的振动特性，随着水平抗风索预张力增加，管道悬索跨越结构关键振型一阶频率显著提高，特别是对扭转频率提高幅度较大，水平抗风索位移以及主梁的竖向位移随着水平抗风索索力同时提高。根据分析采用设计索力的20％时，管道悬索跨越结构关键振型一阶频率提高最为明显，随着水平抗风索索力继续增加，管道悬索跨越结构关键振型一阶频率提高幅度较小，因此水平抗风索索力采用设计索力的20％时比较合适。

共轭索预张力对竖向刚度的影响有着同样的效果，同样根据分析采用200kn的预张力较为合理。

步骤5，组装管道悬索跨越结构抗风体系的缩尺模型并进行缩尺模型全桥风洞试验，验证极限状态下所述缩尺模型的抗风安全性能；如不能满足抗风安全要求，调整水平抗风索曲线和共轭索曲线，重复步骤1～步骤5；如满足抗风安全要求，则进行步骤6。

针对主跨360m悬索跨越风洞试验，在大型低速回流式风洞中进行，试验段长36米，宽22.5米，高4.5米，风速范围为0～16.5m/s，紊流度1.0％以下。考虑到跨越全长以及大型低速风洞试验段的尺寸，将模型的几何缩尺比定为cl＝1/30，则模型主跨长12m，安装模型后模型在风洞中的空气阻塞度小于3％(一般情况，风洞试验模型在风洞中的空气阻塞度应小于5％)。在试验中，可以利用加速度计或者位移计来测量模型的位移响应。

根据试验结果得出：来流为均匀流时，气弹模型在各种工况下，在试验风速范围内(实桥桥面高度处风速为0～53m/s)，均未发生颤振、驰振、静风失稳等振幅发散的气动失稳现象；来流为紊流时，气弹模型在各种工况下，在试验风速范围内(实桥桥面处风速约为0～36m/s)，均未出现振幅发散的颤振及驰振等气动失稳现象。在试验风速范围内各种试验工况下，模型主梁在横向、竖向及扭转等方向均未发生明显的涡激振动，满足抗风安全要求。

步骤6，根据最终的水平抗风索和共轭索计算主索、水平抗风索和共轭索的索力，并设计抗滑稳定安全系数和抗倾覆稳定安全系数均符合要求的主索锚固墩、共轭索锚固墩和风索锚固墩，从而完成管道悬索跨越结构抗风体系的设计。

步骤6中对各锚固墩均采用钢筋混凝土重力式锚固墩，由c30混凝土浇筑而成，内设钢筋骨架和锚固系统；各锚固墩的设计同时满足以下条件：

在相应索系拉力的水平分力作用下，各锚固墩不发生滑移，且各锚固墩的抗滑稳定安全系数不小于1.3；

在相应索系拉力和相应锚固墩自重作用下，各锚固墩不发生倾覆，各锚固墩的抗倾覆稳定安全系数不小于1.5；

在相应索系拉力和相应锚固墩自重作用下，各锚固墩基底最大压应力不大于修正后地基承载力容许值的1.2倍。

所述索系包括主索、水平抗风索和共轭索。

管道悬索跨越工程设计主跨跨度360m，南岸锚跨109.9m，北岸锚跨75.7m，全长545.6m。主索矢跨比采用1/10，水平抗风索立面投影跨度360m，平面投影总宽54.6m，水平抗风索矢跨比采用1/15。跨越南侧与北侧分别设置有一个主索锚固墩和两个水平抗风索锚固墩。在桥面结构下方设置两道共轭索，共轭索吊索范围为290m，矢跨比采用1/42，在南岸和北岸各设置一个共轭索锚固墩。

管道悬索跨越工程共设置锚固墩共有8个，其中主索锚固墩2个，风索锚固墩4个，共轭索锚固墩2个。参考图2，南侧即左侧主索锚固墩采用钢筋混凝土重力式锚固墩，采用c30混凝土，如果土层不均匀，统一下挖1m，采用片石混凝土换填。右侧主索锚固墩、两侧水平抗风索锚固墩和共轭索锚固墩均采用钢筋混凝土重力式锚固墩，采用c30混凝土。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。