典型载荷作用下悬索管桥结构健康状态研究

摘要

在油气输送过程中，无论是长输管线，还是集输管线，由于受自然条件的限制，难免会遇到江河、山谷、沟壑等地形的阻碍，而悬索管桥是跨越这类地形最为常见的结构。由于所处地理环境的特殊性，悬索管桥长期处于湿度较高、昼夜温差较大的条件下工作，结构腐蚀比较严重;同时，因为其自身结构具有超柔性、低阻尼、大跨径比、轻自重的特性，在受到暴风、暴雪、地震等突发自然风险和施工作业等人为因素作用时，易出现大位移、大变形及裂纹等危险源。一旦发生失效事故，后果将不堪设想，不但影响油气介质的输送，而且还将会对环境造成严重污染，带来重大的经济损失和恶劣的社会影响。因此，为了保证悬索管桥的安全运行，以陕京一线黄河悬索管桥为研究对象，开展了相关载荷下的结构健康状态研究。
　　首先，针对悬索管桥大位移、小应变的几何非线性特点，运用有限元理论建立了黄河悬索管桥的三维仿真模型，并根据现场测量结果分别对索结构进行找形计算和对所建模型进行修正。在此基础上，研究了管桥在成桥状态（结构自重）、工作状态（结构自重和天然气介质）、载人状态（结构自重、天然气介质和30人）三种静载工况下的应力、位移响应情况。将正常工作状态下仿真模拟的数据与工程检测数据对比，发现基本偏差均在20％以内，说明所建模型和模拟方法具有可行性。
　　接下来，分别模拟了黄河悬索管桥在雪载（小雪、中雪、大雪以及暴雪）、风载（低风速2.8m/s、高风速27m/s）、清管和地震四种载荷作用下各部分结构的位移、应力变化情况。在不同等级的雪载荷作用下，悬索管桥的各个结构的最大应力和最大位移发生位置没有改变，其中最大位移值随着雪载荷的加大而增大，而最大应力值，主索、吊索、塔架、桥桁架的随着雪载荷的加大而增大，系索、风索、下稳定索的随着雪载荷的加大而减小。在风致振动分析中，对比风速2.8m/s和27m/s时悬索桥各个结构的响应情况，保德塔顶的位移略大于府谷塔顶的位移，桥桁架、主索、风索等结构振动最为剧烈、振幅最大的位置均出现在其结构的1/2处。在模拟清管过程时，选取清管球的速度2m/s，管道累计积液长度1m，分析了悬索管桥桥桁架开始处、1/8处、1/4处、3/8处、1/2处、5/8处、3/4处、7/8处和结束处的位移变化规律，其中1/2处和5/8处的变化幅度最大。通过地震载荷响应分析得到，主索与塔架连接处在地震载荷作用下位移变化较小，最大值仅为0.01m;桥桁架、主索、风索的位移响应较大，最大值超过1.5m，相关部门应预防6级以上的大地震对悬索管桥造成的破坏。
　　通过本文的研究，不仅分析了陕京一线黄河悬索管桥现阶段的健康状态，还为其它现役悬索管桥的风险、可靠性分析提供了参考依据，同时对今后同类管桥的设计、施工提供了技术支持。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 悬索管桥的雪载模拟研究

1．3．2 悬索管桥的风致振动研究

1．3．3 悬索管桥的清管响应研究

1．3．4 悬索管桥的地震振动研究

1．4 悬索管桥研究目前所存在的问题

1．5 学位论文研究目标和研究内容

1．5．1 研究目标

1．5．2 研究内容

1．5．3 创新点及难点

1．6 本章小结

2 有限元模型与工程验证

2．1 悬索管桥的有限元分析基础

2．1．1 几何非线性行为

2．1．2 耦合刚度矩阵

2．2 悬索管桥静力学特性仿真模拟分析

2．2．1 有限元模型的建立

2．2．2 静态工况模拟分析

2．3 悬索管桥模型的工程验证

2．3．1 黄河悬索管桥的健康状态监测

2．3．2 数值模拟与实际工程对比验证

2．4 本章小结

3 雪载荷对管桥结构影响的模拟分析

3．1 我国的降雪特点

3．2 雪等级的划分

3．3 不同工况下的模拟分析

3．3．1 管桥各个结构的模拟结果

3．3．2 索结构应力与位移响应规律

3．4 本章小结

4 风载荷对管桥结构影响的模拟分析

4．1 风的基本特性

4．2 脉动风模拟理论

4．3 脉动风载荷模拟

4．4 管桥的动力特性分析

4．5 悬索管桥风振响应时程分析

4．6 本章小结

5 清管作用对管桥结构影响的模拟分析

5．1 清管有限元分析法

5．2 清管动载荷

5．3 黄河悬索管桥清管模拟分析

5．3．1 清管工况

5．3．2 清管动力简化

5．3．3 清管模拟结果

5．4 缓解清管水击效应的措施

5．5 本章小结

6 地震作用对管桥结构影响的模拟分析

6．1 地震简介

6．2 地震的等级划分

6．3 地震分析理论

6．3．1 反应谱理论

6．3．2 时程分析理论

6．3．3 时程分析法的注意事项

6．4 黄河悬索管桥的地震响应分析

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

索引

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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