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長(zhǎng)輸管道在跨越鐵路、公路、河流和山谷等障礙物時(shí)，常采用空間跨越結(jié)構(gòu)敷設(shè)管道。跨越結(jié)構(gòu)是一種應(yīng)用較廣的特種結(jié)構(gòu)，在管道設(shè)計(jì)上能夠自成體系，具有其特殊性。隨著我國(guó)石油、化工、電力、冶金工業(yè)規(guī)模的迅速發(fā)展，跨越結(jié)構(gòu)也得到廣泛的使用。目前常采用的跨越結(jié)構(gòu)形式包括梁式跨越、桁架式跨越、單管拱(組合拱跨越)、桁架式跨越、懸索、斜拉索及其組合式跨越等，其中懸索、斜拉索兩種結(jié)構(gòu)形式是近年得到較快發(fā)展的新技術(shù)。管橋在長(zhǎng)輸管道當(dāng)中具有相當(dāng)重要的地位，一旦發(fā)生事故，不僅中斷輸油，影響油田的繼續(xù)開(kāi)采和油廠的原油供應(yīng)，而且還會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，需要對(duì)長(zhǎng)輸管道進(jìn)行詳細(xì)的有限元分析。
國(guó)內(nèi)某懸索斜拉索組合跨越式管橋，總長(zhǎng)為1045 m，主跨500 m，邊跨分別為320 m和225 m，橋面寬約0.6 m。輸油管道材質(zhì)為API 5LX(X60)鋼管，規(guī)格為457×15.88 mm，設(shè)有兩處U形管補(bǔ)償器，最高輸送壓力為4.2 MPa，最高工作溫度為90℃。主跨由對(duì)稱(chēng)布置的17組規(guī)格為 25.5～30 mm的斜拉索拉緊，2根規(guī)格為 52 mm的主索作為固定塔架使用，橋面鋪設(shè)巡檢維修用的人行通道，南北兩岸各設(shè)高70 m的橋塔一座，塔架重120 t，為桅桿式鉸接塔架。南塔位于堤內(nèi)，采用17根規(guī)格為 508×12 mm的開(kāi)口鋼樁。北塔位于江心，采用44根規(guī)格為 720×14 mm的開(kāi)口鋼樁。基礎(chǔ)為鋼筋混凝土高樁承臺(tái)，承臺(tái)上部為高7 m的墩身。管橋兩端各設(shè)一座錨固墩室。管橋設(shè)計(jì)輸量為1×104t/d，目前輸量為2 500 t/d左右。該管橋于1984年建成投入使用，已經(jīng)使用20多年。
懸索與斜拉索組合式管橋與普通管橋相比，具有的跨度大、柔性大和管橋結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性的特點(diǎn)增加了管橋分析的難度。
根據(jù)管橋的實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立懸索斜拉索組合式管橋的有限元模型管橋空間有限元模型。管橋塔架、管道及“牛腿”(管道吊耳)采用三維梁?jiǎn)卧狟EAM188離散，主索和斜拉索主要承受拉伸載荷，在建模時(shí)，采用單壓或單拉的桿單元LINK10。桿單元與梁?jiǎn)卧倪B接處用梁?jiǎn)卧淖匀还?jié)點(diǎn)。在索與塔的連接點(diǎn)處的滑動(dòng)采用接觸單元CONTAC52模擬。根據(jù)管橋的實(shí)際固定方式，對(duì)有限元模型施加約束。管道及主索的兩端采用固定端約束，塔架的底部用鉸鏈約束，膨脹節(jié)處約束三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。管橋的有限元分析采用ANSYS通用有限元軟件，通過(guò)界面操作與編制命令流文件相結(jié)合的方式建立有限元模型，完成有限元分析計(jì)算。
管橋主要由管道、斜拉及懸索和橋塔三大部分組成。管道材質(zhì)為X60鋼，斜拉索及懸索為高強(qiáng)度鋼絞線(xiàn)，而塔架為結(jié)構(gòu)鋼。模型中各部分材料參數(shù)的初始值見(jiàn)表。
恒載是管橋主要的受力方式。這里的恒載主要包括管道的自重、所輸?shù)挠椭睾脱矙z修通道的自重。此管橋是專(zhuān)門(mén)為走管道而架設(shè)的，因此不考慮車(chē)載或人載之類(lèi)的活載存在。在有限元計(jì)算中，為簡(jiǎn)化模型，將所輸?shù)挠椭睾蜋z修通道的自重等效到管道的自重中作為均布載荷處理。
非線(xiàn)性是指荷載條件下的力與位移之間的關(guān)系呈現(xiàn)非線(xiàn)性的特征，包括幾何非線(xiàn)性和物理(材料)非線(xiàn)性。懸索斜拉索組合式管橋的幾何非線(xiàn)性主要表現(xiàn)在拉索的幾何非線(xiàn)性，橋塔和主梁中的軸向力與彎矩相互作用效應(yīng)，結(jié)構(gòu)大位移效應(yīng)。ANSYS程序中的初應(yīng)力效應(yīng)、大變形效應(yīng)和應(yīng)力剛化效應(yīng)，可以很好地處理管橋的非線(xiàn)性行為。
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