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悬索斜拉索组合式跨越管桥的有限元分析

发布于:2016-09-14 18:22
有限元分析

      长输管道在跨越铁路、公路、河流和山谷等障碍物时,常采用空间跨越结构敷设管道。跨越结构是一种应用较广的特种结构,在管道设计上能够自成体系,具有其特殊性。随着我国石油、化工、电力、冶金工业规模的迅速发展,跨越结构也得到广泛的使用。目前常采用的跨越结构形式包括梁式跨越、桁架式跨越、单管拱(组合拱跨越)、桁架式跨越、悬索、斜拉索及其组合式跨越等,其中悬索、斜拉索两种结构形式是近年得到较快发展的新技术。管桥在长输管道当中具有相当重要的地位,一旦发生事故,不仅中断输油,影响油田的继续开采和油厂的原油供应,而且还会严重污染环境,造成重大的经济损失和社会影响,需要对长输管道进行详细的有限元分析
      国内某悬索斜拉索组合跨越式管桥,总长为1045 m,主跨500 m,边跨分别为320 m和225 m,桥面宽约0.6 m。输油管道材质为API 5LX(X60)钢管,规格为457×15.88 mm,设有两处U形管补偿器,最高输送压力为4.2 MPa,最高工作温度为90℃。主跨由对称布置的17组规格为 25.5~30 mm的斜拉索拉紧,2根规格为 52 mm的主索作为固定塔架使用,桥面铺设巡检维修用的人行通道,南北两岸各设高70 m的桥塔一座,塔架重120 t,为桅杆式铰接塔架。南塔位于堤内,采用17根规格为 508×12 mm的开口钢桩。北塔位于江心,采用44根规格为 720×14 mm的开口钢桩。基础为钢筋混凝土高桩承台,承台上部为高7 m的墩身。管桥两端各设一座锚固墩室。管桥设计输量为1×104t/d,目前输量为2 500 t/d左右。该管桥于1984年建成投入使用,已经使用20多年。
      悬索与斜拉索组合式管桥与普通管桥相比,具有的跨度大、柔性大和管桥结构的不对称性的特点增加了管桥分析的难度。
      根据管桥的实际结构特点,建立悬索斜拉索组合式管桥的有限元模型管桥空间有限元模型。管桥塔架、管道及“牛腿”(管道吊耳)采用三维梁单元BEAM188离散,主索和斜拉索主要承受拉伸载荷,在建模时,采用单压或单拉的杆单元LINK10。杆单元与梁单元的连接处用梁单元的自然节点。在索与塔的连接点处的滑动采用接触单元CONTAC52模拟。根据管桥的实际固定方式,对有限元模型施加约束。管道及主索的两端采用固定端约束,塔架的底部用铰链约束,膨胀节处约束三个转动自由度。管桥的有限元分析采用ANSYS通用有限元App,通过界面操作与编制命令流文件相结合的方式建立有限元模型,完成有限元分析计算。
      管桥主要由管道、斜拉及悬索和桥塔三大部分组成。管道材质为X60钢,斜拉索及悬索为高强度钢绞线,而塔架为结构钢。模型中各部分材料参数的初始值见表。
      恒载是管桥主要的受力方式。这里的恒载主要包括管道的自重、所输的油重和巡检修通道的自重。此管桥是专门为走管道而架设的,因此不考虑车载或人载之类的活载存在。在有限元计算中,为简化模型,将所输的油重和检修通道的自重等效到管道的自重中作为均布载荷处理。
      非线性是指荷载条件下的力与位移之间的关系呈现非线性的特征,包括几何非线性和物理(材料)非线性。悬索斜拉索组合式管桥的几何非线性主要表现在拉索的几何非线性,桥塔和主梁中的轴向力与弯矩相互作用效应,结构大位移效应。ANSYS程序中的初应力效应、大变形效应和应力刚化效应,可以很好地处理管桥的非线性行为。


                                                                                  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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