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管道悬索跨越结构的有限元分析

发布于:2016-04-28 20:56
有限元分析

      当长输管道跨越铁路、公路、河流和山谷等障碍物时,通常选择地上跨越形式。悬索跨越结构跨越的跨度最大,且比较经济并易于实现,是目前采用较多的跨越形式之一。悬索跨越结构相对地面管道而言更易遭受自然因素作用的破坏,而且一旦破坏修复难度很大,造成的次生灾害非常严重,可是以往的研究均集中于地下管道的地震反应研究。模型试验可以很好地评价管道悬索跨越结构的安全性能,但模型制作周期较长,成本较高,且试验需要昂贵的试验设备。若能建立与实际工程固有特性相似的数值模型,则可以利用有限元分析模型完成多种工况下的实际工程受力分析,即可保证实际工程结构体系的安全,又节约成本。
      本研究以某天然气输气管道工程中的渭惠渠管道悬索跨越结构为原型,制作了缩尺比例为1:8的试验模型,在中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动开放试验室振动台上对试验模型进行了静力、模态、白噪声和不同强度的El Centro波输入下的地震模拟试验。然后利用ANSYSApp建立了工程原型和试验模型的有限元分析模型,对2个有限元模型进行静力、模态和地震反应分析,并将有限元计算结果与模型试验结果进行了比较。
      试验模型的原型取之于咸阳至宝鸡天然气输气管道工程的渭惠渠悬索跨越结构,该结构支承体系由河流两岸的塔架、塔架间架设的两道平行主索、塔架的斜拉索和连接于主索的吊架组成。塔架由Φ219x6的钢管制作,塔高7m,两塔之间跨越的距离为54m,塔架与地面锚固,并设置斜拉钢索(37Φ3.5)拉紧。主索(37Φ3.2)连接9只吊架以支撑管道,两端的吊架为由型钢制作的硬吊架,中间的吊架为软吊架,由钢缆(7Φ3.0)和型钢横梁组成。输气管道规格为Φ426x7,架设中形成倒拱,此悬索跨越结构总重近70kN。
      试验模型的缩尺比例为1:8。模型总长约9m,高1.4m,每根主索长6.78m,每根斜拉索长1.25m,管道跨中起拱矢高为25mm。试验模型中,河流两岸地面由与振动台固定连接的混凝土板模拟;管道和塔架分别采用Φ50x1.2和Φ25x0.8的不锈钢管制作,主索、斜拉索和软吊架钢索分别采用1Φ2.1、1Φ2.4和1Φ1.5钢绞线制作;其余构件均依原型按比例缩小后由钢材制成。管道经弯头折入地面,端部采用环氧树脂砂浆与混凝土板粘接。模型中还使用钢索卡具56个、铁砂 76 kg(人工质量)、拉力计2个。
应用ANSYS程序分别建立了实际工程和试验模型2个有限元计算模型,下文中分别称其为原型有限元模型和试验模型有限元计算模型,模型中管道、塔架下端固接,斜拉索下端铰接。试验模型的管道和塔架中附加人工质量、传感器质量采用增大管道、塔架横管和塔架立柱材料密度的方法等效到相应的构件上。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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