沈飛軍1 張凱歌2

1.國家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸武漢輸氣分公司；

2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

摘要：以忠武線木龍河懸索管道跨越線形調(diào)整為工程背景，研究大跨度懸索管道跨越結(jié)構(gòu)線形調(diào)整技術(shù)。首先根據(jù)現(xiàn)場病害情況并結(jié)合結(jié)構(gòu)施工和養(yǎng)護(hù)歷史分析導(dǎo)致病害的原因，形成線形調(diào)整的初步思路。然后對線形調(diào)整過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬，驗(yàn)證調(diào)整措施的可實(shí)施性。最后根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果制定跨越結(jié)構(gòu)線形調(diào)整方案并予以實(shí)施。結(jié)果表明：大跨度懸索管道跨越橫向偏位主要由風(fēng)纜內(nèi)力變化導(dǎo)致，定量張拉風(fēng)纜主纜可以簡便、有效的回歸結(jié)構(gòu)橫向偏位。

關(guān)鍵詞：懸索管道跨越；病害仿真分析；偏位；線形調(diào)整

忠武線木龍河懸索跨越結(jié)構(gòu)主要由承重結(jié)構(gòu)、傳力索系及橋面結(jié)構(gòu)三部分組成。其中承重結(jié)構(gòu)主要由塔架、塔架基礎(chǔ)、主索錨固墩、風(fēng)索錨固墩、橋面限位墩、管道固定墩等組成，兩塔頂中心線間距195 m，其中西塔設(shè)計(jì)凈高為20 m，東塔設(shè)計(jì)凈高為12 m；西側(cè)主索錨固點(diǎn)至塔頂中心距離為70 m，東側(cè)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，河床呈不對稱的U字型，平均坡度50度，河床與兩岸高差達(dá)90 m左右。懸吊段管道長度175 m。輸氣管道設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa，管道直徑711 mm，壁厚14.3 mm[1]。結(jié)構(gòu)于2004年建成投入使用。

圖 1 木龍河跨越結(jié)構(gòu)平立面布置圖（ mm）

圖 2 木龍河跨越主梁斷面

1  結(jié)構(gòu)偏移情況

在結(jié)構(gòu)定期檢測過程中發(fā)現(xiàn)主梁存在嚴(yán)重的橫向偏位，偏位數(shù)值如圖 3所示，在第13#—14#吊桿（吊索）附近最大橫向位移達(dá)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(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯晃動。在保證結(jié)構(gòu)安全前提下，需要對其橫向偏位進(jìn)行調(diào)整。

圖 3 主梁橫向位移值（ mm）

2  橫向偏位調(diào)整方案

2.1  病害分析

根據(jù)懸索跨越結(jié)構(gòu)的受力特性[3-12]，影響懸索跨越結(jié)構(gòu)線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(nèi)力偏差會使結(jié)構(gòu)主要產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形；而結(jié)構(gòu)橫向偏位受風(fēng)纜拉索內(nèi)力主控。

實(shí)測結(jié)果[2]表明：主纜內(nèi)力穩(wěn)定，上下游索力、線形基本一致；而上下游風(fēng)纜和風(fēng)纜拉索內(nèi)力和設(shè)計(jì)狀態(tài)有所偏差，出現(xiàn)較大的索力損失。故分析確定跨越結(jié)構(gòu)橫向偏位由風(fēng)纜拉索體系索力損失導(dǎo)致。

2.2  調(diào)整方案

根據(jù)病害分析可知，調(diào)整橫向偏位可從兩個(gè)方面考慮：一是調(diào)節(jié)風(fēng)纜拉索索力；二是調(diào)整風(fēng)纜主纜索力。在調(diào)索過程中需對結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行監(jiān)測，目標(biāo)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(jié)構(gòu)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(biāo)。

由圖 3可知，跨越主梁基本為整體偏位，若通過調(diào)節(jié)風(fēng)纜拉索索力達(dá)到糾偏目標(biāo)，首先需調(diào)整單側(cè)大部分風(fēng)纜拉索，共計(jì)31根，工程量很大，并且調(diào)節(jié)每根拉索對監(jiān)測目標(biāo)影響值很小，不容易施工控制；其次調(diào)索工程需搭建新的施工平臺，會增加結(jié)構(gòu)主體受力；再者現(xiàn)場監(jiān)測索力采用頻譜法進(jìn)行，最短的風(fēng)纜拉索長度不足2 m，測量誤差較大；跨越結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)狀態(tài)已有差異，具體狀態(tài)未知，調(diào)索過程會對拉索產(chǎn)生不可估量的損傷。

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

3  理論計(jì)算分析

3.1  有限元模型

懸索結(jié)構(gòu)靜力計(jì)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(jié)構(gòu)進(jìn)行線形迭代計(jì)算，即初步節(jié)線法迭代和最終分段懸鏈線線形迭代，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)有限元模型建立。模型中，主梁和索塔均采用梁單元模擬，主纜吊桿體系和風(fēng)纜結(jié)構(gòu)體系均采用索單元模擬。

3.2  病害識別

根據(jù)最近一次的檢測結(jié)果可知，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)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增加單側(cè)風(fēng)纜主纜無應(yīng)力長度來進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果表明，單側(cè)風(fēng)纜主纜無應(yīng)力長度增加180 mm時(shí)，跨越結(jié)構(gòu)主梁橫向產(chǎn)生265 mm位移，識別結(jié)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  線形調(diào)整仿真計(jì)算

經(jīng)過多次迭代計(jì)算得出，當(dāng)單側(cè)風(fēng)纜主纜無應(yīng)力長度縮短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 線形調(diào)整理論計(jì)算主梁線形變化

調(diào)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(shù)由4.5降至4.4，吊桿安全系數(shù)由11.8降至11.6，風(fēng)纜主纜安全系數(shù)由5.7降至5.3，風(fēng)纜拉索安全系數(shù)由24降至20；纜索系統(tǒng)索力雖有小幅增加，但安全系數(shù)皆在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

4  線形調(diào)整結(jié)果

現(xiàn)場實(shí)施風(fēng)纜主纜調(diào)節(jié)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(cè)結(jié)構(gòu)對風(fēng)纜調(diào)節(jié)更為敏感，分析原因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)東側(cè)為懸浮結(jié)構(gòu)，無支座約束，結(jié)構(gòu)更容易回位。

圖 6 線形調(diào)整后主梁橫向偏位情況

實(shí)測結(jié)果表明，線形調(diào)整過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力有所增大，變化規(guī)律與理論計(jì)算吻合，其中主纜安全系數(shù)為4.1，吊桿安全系數(shù)最小為11，風(fēng)纜主纜安全系數(shù)為5.1，風(fēng)纜拉索安全系數(shù)為18，安全系數(shù)皆在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

5  結(jié)語

大跨度懸索管道跨越結(jié)構(gòu)由于剛度小，為增加其穩(wěn)定性常設(shè)計(jì)有風(fēng)纜結(jié)構(gòu)體系。在建成運(yùn)營過程中，由于風(fēng)纜索力損失會造成跨越結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單方向的橫向偏位，由此引起管道支座脫空，結(jié)構(gòu)整體剛度降低等病害。張拉單側(cè)風(fēng)纜主纜可有效減小結(jié)構(gòu)橫向偏位，閉合管道支座脫空間隙，增加結(jié)構(gòu)整體剛度，并且最大程度降低了操作難度和施工監(jiān)測難度。

雖然目前較多大跨度懸索管道跨越結(jié)構(gòu)出現(xiàn)橫向偏位問題，但是大多數(shù)管養(yǎng)人員認(rèn)為是由于主纜、吊桿等主要受力構(gòu)件索力偏差導(dǎo)致，只有調(diào)整主纜、吊桿等主要受力構(gòu)件才能使結(jié)構(gòu)回歸線形。長期以來，由于大跨度懸索管道跨越結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，涵蓋了索、梁、塔（柱）等構(gòu)件形式，具有很強(qiáng)的分線性，軟件計(jì)算精度不高，并且管道跨越結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)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(shè)計(jì)的調(diào)索方法通過調(diào)整非主要受力構(gòu)件——風(fēng)纜，使結(jié)構(gòu)恢復(fù)部分橫向偏位，計(jì)算模擬精度較高，現(xiàn)場操作簡單，安全風(fēng)險(xiǎn)較低，為類似結(jié)構(gòu)的相似病害提供了處置思路和方法，具有較好的應(yīng)用前景。

 

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作者簡介：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，長期從事管道安全管理工作。聯(lián)系方式：15827265165，23468340@qq.com。