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标题: 长输管道跨越结构 [打印本页]

作者: tt0459 时间: 2002-12-2 12:11 标题: 长输管道跨越结构

在长输管道工程设计中，当需要跨越铁路、公路、河流和山谷等障碍物时，常采用跨越结构敷设管道作为管道工程设计中的辅助结构。跨越结构是一种应用较广的特种结构，在设计上自成体系，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，其设计水平也得到了很大的提高。目前常采用的结构形式包括：
（1）梁式跨越；
（2）桁架式跨越；
（3）单管拱、组合拱跨越；
（4）桁架式跨越；
（5）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。

为保证整个结构的稳定，尚应进行基础，主索门架，斜拉索的强度与稳定验算。可按国家标准《建筑抗震设计规范》、《地基基础设计规范》、《钢结构设计规范》、《混凝土结构设计》规范等为设计依据。另外，由于悬索跨越对于技术、安全性要求较高，一旦损坏，对周围环境危害较大，修复与重建工作十分艰巨，可将其强度设计值除以0.45~0.65的增大系数。
悬索在荷载收集与组合时，除考虑管道与悬索结构自重外，尚应考虑风荷载及雪荷载（如上有走人检修过桥外，还应考虑活荷载组合）。其中对结构影响较大的是风荷载作用，目前对悬索管架结构所承受风荷载尚无较能综合反应实际受力情况理论，但可参照悬索桥梁结构的工作进行类比分析。悬索管架较桥梁受风荷载影响又有许多不同之处，如管架的平面刚度与自重均较桥面劲梁为小，而弹性又远大于桥面。因此风荷载对悬索管架影响主要应关注于其对结构的侧向静风载效应与振动影响。

对于悬索结构而言，由于其工作环境位处于高空，潮气、雨水及污染物的侵蚀，使结构易腐蚀，直接危及管架结构寿命，应采用高质量，不易于脱落、附着力强，耐水性好、色调均匀的防腐层材料，因此可在施工订货时建议取消钢绞线表面现场油膜工序，以利于涂刷包扎保护层防腐。埋入土中部分索及索具还需要沥青玻漓布将其紧密包扎起来。

作者: tt0459 时间: 2002-12-2 12:12 标题: 回复：长输管道跨越结构

设计中还应注意的问题就是该结构在长期荷载效应作用下，易产生金属疲劳和应力松弛。此类问题应在设计时予以考虑，加以避免。为此在安装管道时，应利用吊架和主索自重张力，将管道由跨中起拱，起拱长度为主跨长度的l/100~l/150，以便使管道保持微小的拱形，这样在结构主索或吊索松驰后，由于管道预先起拱，使吊索和主索仍能保持原有的设计拉应力，不致使管道由于拉索松驰而下垂，发生“塌腰”现象。由于主索、吊索在这种状态下自始至终均满布张力，使整个结构的稳定性得到很大保证。跨越工程所选用的钢绞线也必须在施工前进行预张拉，这同样是为了使结构保证一个满布张力的状态。

作者: tt0459 时间: 2002-12-2 12:18 标题: 回复：长输管道跨越结构

浅析管道跨越工程中的斜拉索管桥

一．  目前管道跨越工程中斜拉索管桥的应用

        斜拉索管桥是随着斜拉桥技术的进步而在长输管道工程设计发展起来的新型结构形式。实践表明，斜拉索管桥是位于悬索式管桥和传统的梁式跨越管桥之间经济合理的结构形式，并且在造型上轻巧美观。

        斜拉索管桥结构利用管道自身的力学性能，充当结构的主梁，管道兼有输送介质和结构承力构件的双重功能，而预应力拉索相当于传统传统的梁式跨越管桥的支墩。以此相比较而言，以往采用梁式跨越结构形式无论是利用管道自身作梁的普通梁式跨越还是利用桁架作梁的梁式跨越，都必须在跨越地带设立大量的高桩墩。在某些水流湍急的河流和低洼地，受水流水平的冲击力，从而使他们承受较大的横向力和弯距。这样形式的管道工程，存在大量的围堰水中施工，工期较长，费用高。斜拉索管桥在施工时均为空管架设，所以可以采用浮运和拖拉等简易施工方式，不需要专门施工机械。
        斜拉索管桥的设计则相对复杂。原因是由于斜拉索结构在设计中需要考虑设计的变量很多，如主跨和边跨的比例，支架（塔）的形式和高度，主索锚固墩和边支索锚固墩的设置，以及上述各个部分之间的连接方式和构造处理，甚至斜拉索管桥结构本身和长输管道之间的相互影响也要一并考虑进来。

        另外设计方案和施工方案的密切关系也是斜拉索管桥的设计的一个特色。因为施工方案极大影响了设计方案，左右着总体布局和各个部分的设计，在很多情况下施工起到了主导作用。

2.  近年来工程实践经验

        近年来，原油天然气长输管道的建设数量和长度都大幅度上升。国内的设计人员在这一技术领域取得了一些先进的技术成果并建成了一系列不同跨度的斜拉索管桥。这其中居于领先水平的是四川石油设计院和长庆管道局设计院等。另外非石油行业的建设设计单位，如华东和华南地区部分城市的市政设计院在长距离输水管道跨越上也建成了一批大跨度斜拉索管桥。



二．  斜拉索管桥的技术内容分析

1．  计算模型介绍和原理简单分析

       斜拉索管桥是一种高柔度结构，建立其计算模型的时候可以借鉴公路斜拉索桥的设计经验，对于施工各个阶段，考虑结构的各个部分随工程进程不断扩大，建立索-塔-梁一体的空间计算模型。由于斜拉索管桥中的钢管即为承重结构的主梁，它的刚度远远小于一般的公路斜拉索桥结构主梁，加上索和塔柱都属于柔性构件，所以和公路斜拉索桥在结构分析上还有很大的区别。

         首先表现在低应力作用下索的非线形刚度变化十分明显，在斜拉索张拉过程中，索之间的相互影响也不容忽视。两端锚固的斜拉索在自重作用下，将产生下垂。此时索的刚度主要取决于拉索的长度，倾斜角度和拉索应力的大小。

        目前常用Ernst的等代模量公式来表示索的结构和材料特征

        分析公式，可以看出斜拉索的应力对等代模量的影响较大，为在设计中控制索中应力，应进一步研究索的“应力――应变”关系。

2．  管道和斜拉索管桥二者的相互作用

        斜拉索管桥在架设时期管道为空管，其中荷载主要为空管自重，待结构体系建成后对拉索施加并调节预应力。而在运行时期管道内为介质（主要指液体），这时的荷载比空管自重大为增加。以输水管道为例，单位的水重为管道重量的4倍。类比一般公路斜拉索桥，其车辆运行的荷载比桥梁的自重要轻得多，并随着跨度的增大，影响会显著减小。吸收了公路斜拉索桥的设计经验，对斜拉索管桥进行结构分析和实测可以得出结论：在拉索张拉施工及满管荷载时，结构（主跨）的内力和位移变化幅度很大，为此在安装管道时，应利用管道自身的力学特性，将管道由跨中起拱，以便使管道保持微小的拱形，这样在结构运行时期管道内注入液体介质后，由于管道预先起拱，使拉索仍能保持原有的设计拉应力，在这种状态下自始至终均满布张力，使整个结构的稳定性得到很大保证，在充满介质的时候起到了平衡作用。另外在全桥空管张拉时，管道的拱管段产生的拉弯效应也抵消了管道本身自重的影响。

三．目前在该技术领域的研究进展

1．  斜拉索管桥的构造处理

         对于斜拉索管桥结构主体而言，由于其工作环境位处于野外环境，长时间受到潮气、雨水及其他污染物的侵蚀，使结构易腐蚀，直接危及管架结构寿命，应采用承载力高，韧性好，抗腐蚀能力强的新型组合建筑材料，因此可在设计和施工选择合理的方案。钢管混凝土由普通混凝土填入薄壁圆形钢管内部，钢管壁具有钢筋的作用也是耐侧压的模板，不需要配筋，已经在工业和民用建筑结构上应用多年。由于上述特性，非常适用于建造斜拉索管桥的塔柱，另外塔柱也可以省去外部脚手架的搭设，直接做为扒杆的立杆，不影响安装塔顶部的拉索锚固装置。

2．  现阶段的技术难点和解决方案

        由于柔性结构对外力影响较为敏感，同样，斜拉索之间在张拉时相互影响也十分明显，这些影响还相互叠加，因此索在预应力张拉时状态分析比较复杂，与多种因素有关，目前解决处理该问题，还要依靠经验和近似理论相结合。在公路桥梁设计中，由于塔与梁的刚度远远大于斜拉索管桥的相应结构部分，所以这种相互影响明显减弱，常用刚性支撑连续梁的方法来计算斜拉索张力。设计斜拉索管桥时应该充分考虑这些不同之处，根据现场拉索张拉的数据来调整理论计算结果，相互校正，保证斜拉索管桥具有更高安全度。

        对于温度变化引起的伸缩和应力，也要采用专门的措施解决。通常的做法是和工艺专业相结构，在管道和结构相接触的部位加设缓释装置，如滑轮和弹簧等滑动支座，减少温度变化引发结构的伸缩，抵消温度应力的影响。

        对结构影响较大的水平荷载作用是风荷载。目前对斜拉索管桥结构所承受风荷载尚无较能综合反应实际受力情况理论，但可参照桥梁结构的工作进行类比分析，吸收其节点的做法来处理相应的问题。节点的做法应着重于消除或减少由于风荷载而使结构产生共振的概率，使主索在风振下保持摆一致，减少重要节点产生金属疲劳的可能性。


3．  斜拉索管桥今后在管道跨越工程的发展前景

          跨越结构的设计是在长输管道工程中经常遇到的设计课题，当管道跨距跨度在40m~150m左右的时候，采用斜拉索管桥较为经济合理。跨距跨度如果近一步增加会使斜拉索管桥的塔架高度加大，因为斜拉索的倾斜角度受到一定的限制（一般不小于25度），太小了则会引起较大的变形并增加管道的拉力。另外塔架的高度不宜过大，应尽量减少高空作业的次数，降低施工难度。斜拉索结构属高次超静定柔性结构，具有多向受力性，安全储备大，倘若单一构件失效，也不影响整体的稳定，在地形复杂的跨越地带采用这种结构形式，可以减少或取消管道支撑墩的设置，实践表明这是一种具有发展前途的结构形式。但在大跨度上应用，设计分析复杂，施工精度要求高，需要从经过最优化论证，从经济与工程的要求等多角度考虑。

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