沈飛軍1 張凱歌2

1.國家管網(wǎng)集團西氣東輸武漢輸氣分公司；

2.橋梁結構健康與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗室

摘要：以忠武線(xiàn)木龍河懸索管道跨越線(xiàn)形調整為工程背景，研究大跨度懸索管道跨越結構線(xiàn)形調整技術(shù)。首先根據現場(chǎng)病害情況并結合結構施工和養護歷史分析導致病害的原因，形成線(xiàn)形調整的初步思路。然后對線(xiàn)形調整過(guò)程進(jìn)行計算機仿真模擬，驗證調整措施的可實(shí)施性。最后根據理論計算結果制定跨越結構線(xiàn)形調整方案并予以實(shí)施。結果表明：大跨度懸索管道跨越橫向偏位主要由風(fēng)纜內力變化導致，定量張拉風(fēng)纜主纜可以簡(jiǎn)便、有效的回歸結構橫向偏位。

關(guān)鍵詞：懸索管道跨越；病害仿真分析；偏位；線(xiàn)形調整

忠武線(xiàn)木龍河懸索跨越結構主要由承重結構、傳力索系及橋面結構三部分組成。其中承重結構主要由塔架、塔架基礎、主索錨固墩、風(fēng)索錨固墩、橋面限位墩、管道固定墩等組成，兩塔頂中心線(xiàn)間距195 m，其中西塔設計凈高為20 m，東塔設計凈高為12 m；西側主索錨固點(diǎn)至塔頂中心距離為70 m，東側主索錨固點(diǎn)至塔頂中心距離為50 m，主跨垂度14 m，詳情如圖 1、圖 2所示。木龍河跨越處兩岸岸坡陡峻，河床切割深度較大，河床呈不對稱(chēng)的U字型，平均坡度50度，河床與兩岸高差達90 m左右。懸吊段管道長(cháng)度175 m。輸氣管道設計壓力6.3 MPa，管道直徑711 mm，壁厚14.3 mm[1]。結構于2004年建成投入使用。

圖 1 木龍河跨越結構平立面布置圖（ mm）

圖 2 木龍河跨越主梁斷面

1  結構偏移情況

在結構定期檢測過(guò)程中發(fā)現主梁存在嚴重的橫向偏位，偏位數值如圖 3所示，在第13#—14#吊桿（吊索）附近最大橫向位移達到266 mm[2]。由于主梁橫向偏位使得大量管道支座脫空，檢修工人行至跨中附近時(shí)結構出現明顯晃動(dòng)。在保證結構安全前提下，需要對其橫向偏位進(jìn)行調整。

圖 3 主梁橫向位移值（ mm）

2  橫向偏位調整方案

2.1  病害分析

根據懸索跨越結構的受力特性[3-12]，影響懸索跨越結構線(xiàn)形的因素主要有兩個(gè)：主纜吊桿體系和風(fēng)纜拉索體系。主纜或吊桿內力偏差會(huì )使結構主要產(chǎn)生扭轉變形；而結構橫向偏位受風(fēng)纜拉索內力主控。

實(shí)測結果[2]表明：主纜內力穩定，上下游索力、線(xiàn)形基本一致；而上下游風(fēng)纜和風(fēng)纜拉索內力和設計狀態(tài)有所偏差，出現較大的索力損失。故分析確定跨越結構橫向偏位由風(fēng)纜拉索體系索力損失導致。

2.2  調整方案

根據病害分析可知，調整橫向偏位可從兩個(gè)方面考慮：一是調節風(fēng)纜拉索索力；二是調整風(fēng)纜主纜索力。在調索過(guò)程中需對結構安全性進(jìn)行監測，目標包括主纜、吊桿、輸氣管道、風(fēng)纜、風(fēng)纜拉索等。管道支座共有15處脫空，實(shí)測脫空最大間隙為21 mm，發(fā)生在21#吊桿附近。為盡量減小跨越結構糾偏對輸氣管道的影響，橫向糾偏以閉合脫空支座最大間隙為目標。

由圖 3可知，跨越主梁基本為整體偏位，若通過(guò)調節風(fēng)纜拉索索力達到糾偏目標，首先需調整單側大部分風(fēng)纜拉索，共計31根，工程量很大，并且調節每根拉索對監測目標影響值很小，不容易施工控制；其次調索工程需搭建新的施工平臺，會(huì )增加結構主體受力；再者現場(chǎng)監測索力采用頻譜法進(jìn)行，最短的風(fēng)纜拉索長(cháng)度不足2 m，測量誤差較大；跨越結構建成使用已有16年時(shí)間，每根風(fēng)纜拉索實(shí)際狀態(tài)與設計狀態(tài)已有差異，具體狀態(tài)未知，調索過(guò)程會(huì )對拉索產(chǎn)生不可估量的損傷。

通過(guò)調整風(fēng)纜主纜索力進(jìn)行糾偏，其原理為主纜工作長(cháng)度改變使得風(fēng)纜主纜空間姿態(tài)改變，帶動(dòng)固定其上的風(fēng)纜拉索一端產(chǎn)生位移，進(jìn)而改變每根拉索受力，達到調整主梁橫向偏位的目的。此調節措施可以減少調索工作量和施工監測工作量，但是需要建立準確的仿真計算模型。

3  理論計算分析

3.1  有限元模型

懸索結構靜力計算有三大基本理論，分別為彈性理論、撓度理論和有限位移理論，研究表明[3-10]：有限位移理論具有更精確的解。本文利用通用有限元軟件MIADS/Civil對管道懸索跨越結構進(jìn)行線(xiàn)形迭代計算，即初步節線(xiàn)法迭代和最終分段懸鏈線(xiàn)線(xiàn)形迭代，從而實(shí)現結構有限元模型建立。模型中，主梁和索塔均采用梁?jiǎn)卧�模擬，主纜吊桿體系和風(fēng)纜結構體系均采用索單元模擬。

3.2  病害識別

根據最近一次的檢測結果可知，現有結構最大橫向偏位266 mm，發(fā)生在第13#—14#吊桿處。橫向偏位病害識別主要通過(guò)增加單側風(fēng)纜主纜無(wú)應力長(cháng)度來(lái)進(jìn)行，計算結果表明，單側風(fēng)纜主纜無(wú)應力長(cháng)度增加180 mm時(shí)，跨越結構主梁橫向產(chǎn)生265 mm位移，識別結果如圖 4所示。

圖 4 主梁橫向偏位檢測值與識別值對比

3.3  線(xiàn)形調整仿真計算

經(jīng)過(guò)多次迭代計算得出，當單側風(fēng)纜主纜無(wú)應力長(cháng)度縮短55 mm時(shí)，主梁在16#吊桿附近產(chǎn)生最大50 mm橫向位移，在支座脫空間隙最大位置產(chǎn)生21.1 mm豎向位移，如圖 5所示。分析可知，此時(shí)支座脫空間隙可閉合。

（a）主梁橫向位移

（b）主梁豎向位移

圖 5 線(xiàn)形調整理論計算主梁線(xiàn)形變化

調整風(fēng)纜主纜使得主纜、吊桿以及風(fēng)纜主纜、風(fēng)纜拉索索力皆有一定程度增加，其中主纜安全系數由4.5降至4.4，吊桿安全系數由11.8降至11.6，風(fēng)纜主纜安全系數由5.7降至5.3，風(fēng)纜拉索安全系數由24降至20；纜索系統索力雖有小幅增加，但安全系數皆在規范要求范圍內。

4  線(xiàn)形調整結果

現場(chǎng)實(shí)施風(fēng)纜主纜調節后，15處管道支座間隙閉合13處，剩余2處間隙約為2 mm，通過(guò)支座下墊鋼板消除。

由圖 6可知，張拉風(fēng)纜主纜后，主梁橫向偏位有明顯減小，東側結構對風(fēng)纜調節更為敏感，分析原因為結構東側為懸浮結構，無(wú)支座約束，結構更容易回位。

圖 6 線(xiàn)形調整后主梁橫向偏位情況

實(shí)測結果表明，線(xiàn)形調整過(guò)程中結構內力有所增大，變化規律與理論計算吻合，其中主纜安全系數為4.1，吊桿安全系數最小為11，風(fēng)纜主纜安全系數為5.1，風(fēng)纜拉索安全系數為18，安全系數皆在規范要求范圍內。

5  結語(yǔ)

大跨度懸索管道跨越結構由于剛度小，為增加其穩定性常設計有風(fēng)纜結構體系。在建成運營(yíng)過(guò)程中，由于風(fēng)纜索力損失會(huì )造成跨越結構產(chǎn)生單方向的橫向偏位，由此引起管道支座脫空，結構整體剛度降低等病害。張拉單側風(fēng)纜主纜可有效減小結構橫向偏位，閉合管道支座脫空間隙，增加結構整體剛度，并且最大程度降低了操作難度和施工監測難度。

雖然目前較多大跨度懸索管道跨越結構出現橫向偏位問(wèn)題，但是大多數管養人員認為是由于主纜、吊桿等主要受力構件索力偏差導致，只有調整主纜、吊桿等主要受力構件才能使結構回歸線(xiàn)形。長(cháng)期以來(lái)，由于大跨度懸索管道跨越結構體系復雜，涵蓋了索、梁、塔（柱）等構件形式，具有很強的分線(xiàn)性，軟件計算精度不高，并且管道跨越結構安全風(fēng)險較大，所以其橫向偏位病害一直未能及時(shí)有效解決。本文設計的調索方法通過(guò)調整非主要受力構件——風(fēng)纜，使結構恢復部分橫向偏位，計算模擬精度較高，現場(chǎng)操作簡(jiǎn)單，安全風(fēng)險較低，為類(lèi)似結構的相似病害提供了處置思路和方法，具有較好的應用前景。

 

參考文獻：

[1]中國石油天然氣管道設計院.忠縣—武漢輸氣管道工程木龍河懸索跨越設計 [Z].2001，04.

[2]中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司. 忠武輸氣管道七處跨越檢測評估報告[R]. 2018，02.

[3]雷俊卿，鄭明珠，徐恭義.懸索橋設計[M].北京：人民交通出版社，2002.

[4]錢(qián)冬生，陳仁福.大跨懸索橋的設計與施工[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1999.

[5]嚴國敏.現代懸索橋[M].北京：人民交通出版社，2002.

[6]周孟波，劉自明，王邦楣.懸索橋手冊[M].北京：人民交通出版社，2003.

[7]孟凡超.懸索橋[M].北京：人民交通出版社，2011.

[8]項海帆.高等橋梁結構理論[M].北京：人民交通出版社，2002.

[9]羅喜恒.復雜懸索橋施工過(guò)程精細化分析研究[D].上海：同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，2004.

[10]潘永仁.懸索橋結構非線(xiàn)性分析理論與方法[M].北京：人民交通出版社，2004

[11]張杰.大跨度懸索管道結構安全性分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[12]趙小潘.大跨度管道懸索跨越結構受力行為研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

作者簡(jiǎn)介：沈飛軍，國家管網(wǎng)西氣東輸武漢輸氣分公司管道科副科長(cháng)，長(cháng)期從事管道安全管理工作。聯(lián)系方式：15827265165，23468340@qq.com。