沈飞军1 张凯歌2

1.国家管网集团西气东输武汉输气分公司；

2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室

摘要：以忠武线木龙河悬索管道跨越线形调整为工程背景，研究大跨度悬索管道跨越结构线形调整技术。首先根据现场病害情况并结合结构施工和养护历史分析导致病害的原因，形成线形调整的初步思路。然后对线形调整过程进行计算机仿真模拟，验证调整措施的可实施性。最后根据理论计算结果制定跨越结构线形调整方案并予以实施。结果表明：大跨度悬索管道跨越横向偏位主要由风缆内力变化导致，定量张拉风缆主缆可以简便、有效的回归结构横向偏位。

关键词：悬索管道跨越；病害仿真分析；偏位；线形调整

忠武线木龙河悬索跨越结构主要由承重结构、传力索系及桥面结构三部分组成。其中承重结构主要由塔架、塔架基础、主索锚固墩、风索锚固墩、桥面限位墩、管道固定墩等组成，两塔顶中心线间距195 m，其中西塔设计净高为20 m，东塔设计净高为12 m；西侧主索锚固点至塔顶中心距离为70 m，东侧主索锚固点至塔顶中心距离为50 m，主跨垂度14 m，详情如图 1、图 2所示。木龙河跨越处两岸岸坡陡峻，河床切割深度较大，河床呈不对称的U字型，平均坡度50度，河床与两岸高差达90 m左右。悬吊段管道长度175 m。输气管道设计压力6.3 MPa，管道直径711 mm，壁厚14.3 mm[1]。结构于2004年建成投入使用。

图 1 木龙河跨越结构平立面布置图（ mm）

图 2 木龙河跨越主梁断面

1  结构偏移情况

在结构定期检测过程中发现主梁存在严重的横向偏位，偏位数值如图 3所示，在第13#—14#吊杆（吊索）附近最大横向位移达到266 mm[2]。由于主梁横向偏位使得大量管道支座脱空，检修工人行至跨中附近时结构出现明显晃动。在保证结构安全前提下，需要对其横向偏位进行调整。

图 3 主梁横向位移值（ mm）

2  横向偏位调整方案

2.1  病害分析

根据悬索跨越结构的受力特性[3-12]，影响悬索跨越结构线形的因素主要有两个：主缆吊杆体系和风缆拉索体系。主缆或吊杆内力偏差会使结构主要产生扭转变形；而结构横向偏位受风缆拉索内力主控。

实测结果[2]表明：主缆内力稳定，上下游索力、线形基本一致；而上下游风缆和风缆拉索内力和设计状态有所偏差，出现较大的索力损失。故分析确定跨越结构横向偏位由风缆拉索体系索力损失导致。

2.2  调整方案

根据病害分析可知，调整横向偏位可从两个方面考虑：一是调节风缆拉索索力；二是调整风缆主缆索力。在调索过程中需对结构安全性进行监测，目标包括主缆、吊杆、输气管道、风缆、风缆拉索等。管道支座共有15处脱空，实测脱空最大间隙为21 mm，发生在21#吊杆附近。为尽量减小跨越结构纠偏对输气管道的影响，横向纠偏以闭合脱空支座最大间隙为目标。

由图 3可知，跨越主梁基本为整体偏位，若通过调节风缆拉索索力达到纠偏目标，首先需调整单侧大部分风缆拉索，共计31根，工程量很大，并且调节每根拉索对监测目标影响值很小，不容易施工控制；其次调索工程需搭建新的施工平台，会增加结构主体受力；再者现场监测索力采用频谱法进行，最短的风缆拉索长度不足2 m，测量误差较大；跨越结构建成使用已有16年时间，每根风缆拉索实际状态与设计状态已有差异，具体状态未知，调索过程会对拉索产生不可估量的损伤。

通过调整风缆主缆索力进行纠偏，其原理为主缆工作长度改变使得风缆主缆空间姿态改变，带动固定其上的风缆拉索一端产生位移，进而改变每根拉索受力，达到调整主梁横向偏位的目的。此调节措施可以减少调索工作量和施工监测工作量，但是需要建立准确的仿真计算模型。

3  理论计算分析

3.1  有限元模型

悬索结构静力计算有三大基本理论，分别为弹性理论、挠度理论和有限位移理论，研究表明[3-10]：有限位移理论具有更精确的解。本文利用通用有限元软件MIADS/Civil对管道悬索跨越结构进行线形迭代计算，即初步节线法迭代和最终分段悬链线线形迭代，从而实现结构有限元模型建立。模型中，主梁和索塔均采用梁单元模拟，主缆吊杆体系和风缆结构体系均采用索单元模拟。

3.2  病害识别

根据最近一次的检测结果可知，现有结构最大横向偏位266 mm，发生在第13#—14#吊杆处。横向偏位病害识别主要通过增加单侧风缆主缆无应力长度来进行，计算结果表明，单侧风缆主缆无应力长度增加180 mm时，跨越结构主梁横向产生265 mm位移，识别结果如图 4所示。

图 4 主梁横向偏位检测值与识别值对比

3.3  线形调整仿真计算

经过多次迭代计算得出，当单侧风缆主缆无应力长度缩短55 mm时，主梁在16#吊杆附近产生最大50 mm横向位移，在支座脱空间隙最大位置产生21.1 mm竖向位移，如图 5所示。分析可知，此时支座脱空间隙可闭合。

（a）主梁横向位移

（b）主梁竖向位移

图 5 线形调整理论计算主梁线形变化

调整风缆主缆使得主缆、吊杆以及风缆主缆、风缆拉索索力皆有一定程度增加，其中主缆安全系数由4.5降至4.4，吊杆安全系数由11.8降至11.6，风缆主缆安全系数由5.7降至5.3，风缆拉索安全系数由24降至20；缆索系统索力虽有小幅增加，但安全系数皆在规范要求范围内。

4  线形调整结果

现场实施风缆主缆调节后，15处管道支座间隙闭合13处，剩余2处间隙约为2 mm，通过支座下垫钢板消除。

由图 6可知，张拉风缆主缆后，主梁横向偏位有明显减小，东侧结构对风缆调节更为敏感，分析原因为结构东侧为悬浮结构，无支座约束，结构更容易回位。

图 6 线形调整后主梁横向偏位情况

实测结果表明，线形调整过程中结构内力有所增大，变化规律与理论计算吻合，其中主缆安全系数为4.1，吊杆安全系数最小为11，风缆主缆安全系数为5.1，风缆拉索安全系数为18，安全系数皆在规范要求范围内。

5  结语

大跨度悬索管道跨越结构由于刚度小，为增加其稳定性常设计有风缆结构体系。在建成运营过程中，由于风缆索力损失会造成跨越结构产生单方向的横向偏位，由此引起管道支座脱空，结构整体刚度降低等病害。张拉单侧风缆主缆可有效减小结构横向偏位，闭合管道支座脱空间隙，增加结构整体刚度，并且最大程度降低了操作难度和施工监测难度。

虽然目前较多大跨度悬索管道跨越结构出现横向偏位问题，但是大多数管养人员认为是由于主缆、吊杆等主要受力构件索力偏差导致，只有调整主缆、吊杆等主要受力构件才能使结构回归线形。长期以来，由于大跨度悬索管道跨越结构体系复杂，涵盖了索、梁、塔（柱）等构件形式，具有很强的分线性，软件计算精度不高，并且管道跨越结构安全风险较大，所以其横向偏位病害一直未能及时有效解决。本文设计的调索方法通过调整非主要受力构件——风缆，使结构恢复部分横向偏位，计算模拟精度较高，现场操作简单，安全风险较低，为类似结构的相似病害提供了处置思路和方法，具有较好的应用前景。

 

参考文献：

[1]中国石油天然气管道设计院.忠县—武汉输气管道工程木龙河悬索跨越设计 [Z].2001，04.

[2]中铁大桥科学研究院有限公司. 忠武输气管道七处跨越检测评估报告[R]. 2018，02.

[3]雷俊卿，郑明珠，徐恭义.悬索桥设计[M].北京：人民交通出版社，2002.

[4]钱冬生，陈仁福.大跨悬索桥的设计与施工[M].成都：西南交通大学出版社，1999.

[5]严国敏.现代悬索桥[M].北京：人民交通出版社，2002.

[6]周孟波，刘自明，王邦楣.悬索桥手册[M].北京：人民交通出版社，2003.

[7]孟凡超.悬索桥[M].北京：人民交通出版社，2011.

[8]项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京：人民交通出版社，2002.

[9]罗喜恒.复杂悬索桥施工过程精细化分析研究[D].上海：同济大学土木工程学院，2004.

[10]潘永仁.悬索桥结构非线性分析理论与方法[M].北京：人民交通出版社，2004

[11]张杰.大跨度悬索管道结构安全性分析[D].重庆：重庆大学，2008.

[12]赵小潘.大跨度管道悬索跨越结构受力行为研究[D].成都：西南交通大学，2013.

作者简介：沈飞军，国家管网西气东输武汉输气分公司管道科副科长，长期从事管道安全管理工作。联系方式：15827265165，23468340@qq.com。