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管道大跨度斜拉跨越风振响应分析 Wind vibration response analysis of large-span obliquely-cable stayed type pipeline aerial crossing 季雪迎 闫庆华 刘鹏 潘月宇 （中石化石油工程设计有限公司山东东营） 摘要：为研究大跨度斜拉跨越结构在风荷载作用下的振动响应，本文以广西液化天然气（LNG）项目输气管道工程龙江跨越为研究对象，应用有限元软件SNSYS建立龙江跨越有限元模型，分别对该斜拉跨越结构进行了静力分析及风振作用下的谐响应分析。通过静力分析得到了于结构受力最有利的斜拉索初始应变值，此时结构最大应力和最大位移均达到一个较小值；通过对结构进行模态分析得出，结构一阶阵型为桁架水平一阶弯曲，因此结构受动力作用时横向振动响应表现最剧烈，结构横向刚度较低；通过风荷载作用下的谐响应分析，得出容易引起结构共振响应的几个频率值，在结构设计中应根据当地常风向的风振频率值，注意采取适当的措施以避开共振。 关键词：斜拉索跨越；ANSYS；有限元分析；谐响应分析；静力分析；共振 0 前言 在长输管道铺设过程中难免要遇到河流、山谷、冲沟、道路等自然障碍物或人工构筑物[]，不得不采用地下穿越或空中跨越等敷设方式。但是当河床稳定性较差、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可实施性更强、更为经济合理]。 管道的穿跨越设计是油气管道输送工程设计的重要组成部分，尤其对于跨越长度较长的大中型跨越，其结构选型、设计、施工更应遵循严格的规范要求。而由斜拉索、钢桁架和塔三部分组成的“杂交结构”体系—斜拉跨越结构体系不需要增加结构高度和构件断面就能比较经济的跨越很大的跨度]。因而，该结构体系具有比较广阔的应用前景[]。 本文将以广西液化天然气（LNG）项目输气管道工程龙江跨越为研究对象，重点研究该斜拉索结构在结构自重、管道荷载、检修荷载、风荷载等作用下的静力分析及其风振响应分析。 龙江跨越位于柳州市柳江县江水主要在中部主河道通过，河道宽度约190m，年平均风速1.5m/s，年最大风速9.6m/s，基本风压0.2kN/m2。 龙江跨越采用斜拉索跨越结构，三跨跨越，主要由索塔、斜拉索、管桥、索塔基础以及跨越端部基础组成[]。 跨越跨度为260m，边跨跨度65.0m，中间跨跨度130.0m桁架与塔架采用矩型钢管结构，塔架高28.0m。管桥预起拱设计为0.2m。根据规范要求，计算并综合考虑结构特点，最外斜拉索角度为22.43°。斜拉桥整体效果图见图-1。 图1-1斜拉桥整体效果图 有限元 2.1 龙江跨越有限元建模 该结构所有斜拉索均采用相同的型号，为PES5-55，斜拉索间距10m]。塔架采用格构式钢塔架，塔架宽（平行于跨越方向长度）3.0m，塔架长（垂直于跨越方向长度）5.0m，总高度28m塔架顶部设置检修平台。桥面结构采用四柱式空间钢管桁架结构，桥面结构宽3.0m、高2.0m，总跨度260m。管道通过滚动支座搁置在桁架中。 根据本文龙江斜拉跨越的基本，建模直接利用节点生成单元的方法。将跨越结构自然离散为1796个杆单元，604个节点。其如图-1所示。 图2-1跨越结构有限元模型 2.2 斜拉跨越静力分析 在斜拉跨越中，斜拉索初始预应力大小对结构受力影响极大，按照一般工程经验，初始预应力过大或过小对结构受力均不利，因此，要完成对该斜拉跨越的研究分析，首先应确定斜拉索始应值]。结构自重、管线荷载风荷载、检修荷载]等结构最大位移0.059m、72.9MPa。，的斜拉索初始取为 静力分析得出结构整体等效应力如图所示 由图中可以看出，结构最大应力点位于桁架端部固定支座处，最大应力为72.MPa。 结构如图所示： 图2-3桁架位移云图 经受力分析得出，位于跨越中部，为0.059m支架顶部最大位移为0.01m。根据《油气输送管道跨越工程设计规范 GB 5459 - 2009》要求，桁架跨越的的允许挠度为0.325m，塔架顶部最大允许位移为0.14m，满足规范要求。 斜拉跨越在风荷载作用下的谐响应分析 .1结构模态分析 Block Lanczos（分块兰索斯）法考虑上一节所提到的除风荷载外的所有荷载，并将其作为预应力施加在结构上，对该结构进行模态分析前六阶阵型的自振频率及各阶阵型下的变形规律见。 由可知，斜拉跨越的水平弯曲，整个结构的横向刚度低。另外，第二以及第三个阵型均表现为塔架的水平摆动，因此在结构设计中保证支撑塔架具有足够的刚度也是该斜拉跨越设计的一个关键点。 自振频率阶次 自振频率/Hz 阵型描述 1 0.76983 桁架水平一阶弯曲 2 1.4443 塔架水平摆动（两塔架振动方向相反） 3 1.4445 塔架水平摆动（两塔架振动方向相同）