大跨度悬索管道结构安全性分析

论文摘要

悬索管道跨越结构是管道输送中常用的一种形式,其结构主要是由主索、抗风索、塔基和锚固系统及桁架桥等部分组成,主索和抗风索的形状和尺寸随载荷的大小、位置和分布规律等的不同而改变,属于典型的大位移小变形结构。正是悬索管道跨越结构的这种柔性特性决定了其结构安全性设计的独特性。本文根据悬索管道跨越结构安全设计的特性,以忠—武输气管线木龙河悬索管道跨越为工程背景,从结构的重力静态稳定性、静风载荷作用稳定性、水压实验过程稳定性、地震作用下结构的响应等几个方面进行了系统的研究。首先本文基于有限元有限位移理论利用商业有限元软件根据工程实例离散建立了悬索管桥分析的有限元模型,并考虑了悬索管桥恒载产生的初始内力、拉索垂度等几何非线性因素。通过调节索系的初始应变赋予整个结构的初始刚度,得出重力状态下的结构初态,并以此作为结构有限元分析的基础。风载荷作用分析是悬索结构安全性能分析的重要组成部分,在强静风荷载作用下,大跨径跨越结构的几何非线性、静风荷载非线性的影响均不容忽视。因此,对大跨径悬索跨越管道结构的静风稳定性问题的研究是其抗风性能研究的一个重要方向。因此本文采用静风载荷离散于结构的相关节点的方法给结构施加作用载荷,并以此研究整个结构的载荷安全性行为。水压实验是管道完工投入使用前的一种静压力实验。水压实验中,在不考虑风载荷作用的情况下,整个结构所受的载荷远大于其使用状态下的载荷,因此通过试压水重力的加载模拟对结构此状态下的安全分析是必要的。我国属于多发地震国家,跨越管道作为长输管道工程的重要组成部分,不可避免的建在地震多发区。由于跨越管道具有柔度大、阻尼性低、频谱不均匀,垂直和水平弯曲振动及扭转振动的固有频率低等特点,其动力特性分析、地震响应分析、抗震设计方法的研究己成为管道跨越工程设计中的重要课题。本文在对结构的动态特性进行分析后的基础上,利用读取的结构动力特性数据,针对悬索跨越管道的大跨度柔性结构非线性强的特性采用基于直接动力分析理论的时程分析方法,更好的掌握地震波作用下与结构振型反应最大值和振型相关的重要信息,为结构的抗震设计提供有利参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 悬索式跨越结构的分析研究现状
• 1.2.1 悬索跨越结构概述
• 1.2.2 管道悬索结构的计算方法
• 1.2.3 管道悬索跨越结构的非线性问题
• 1.3 本文的主要研究工作及意义
• 2 悬索结构的几何非线性有限元方法
• 2.1 理论研究方法
• 2.2 悬索结构的有限位移研究方法
• 2.2.1 引言
• 2.2.2 结构位移特性
• 2.2.3 位移与应变关系
• 2.2.4 结构应力
• 2.2.5 悬索非线性结构应力应变关系
• 2.2.6 悬索结构的有限元分析方法
• 2.3 悬索结构非线性杆系有限元方法
• 2.3.1 悬索结构的非线性性质
• 2.3.2 有限元理论在悬索结构非线性研究中的应用
• 3 悬索跨越结构的找形及静力分析
• 3.1 悬索跨越结构数值分析有限元模型离散方法
• 3.1.1 悬索式跨越结构结构特性
• 3.1.2 适用单元分析
• 3.2 单元材料特性
• 3.3 单元设计特性
• 3.4 边界条件及实现方法
• 3.4.1 边界条件描述
• 3.4.2 载荷
• 3.4.3 有限元模型建立
• 3.5 重力作用下成桥分析
• 3.5.1 悬索管道静力分析特点
• 3.5.2 重力作用下成桥分析
• 3.5.3 风载作用下悬索式跨越管道的力学特性分析
• 3.5.4 水压试验下悬索式跨越管道力学特性分析
• 4 悬索式跨越管道结构动力分析
• 4.1 悬索式跨越管道结构动力特性分析方法
• 4.2 模态分析结果
• 4.3 重力加载对模态分析结果的影响
• 5 悬索式跨越管道结构的地震响应分析
• 5.1 引言
• 5.2 有限元振型组合
• 5.3 悬索跨越结构振型组合方法
• 5.4 悬索跨越管道结构的地震响应时程分析
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录