大跨度管道懸索橋跨越技術(shù)分析

大跨度管道懸索橋跨越技術(shù)分析

Summary：烏江懸索跨越工程為天然氣過江通道，江面寬度寬、河流通航、橋面載重大、鳳荷載大等因素對懸索跨越工程的建設(shè)帶來不小挑戰(zhàn)。為保障烏江通航及臨江的G319國道的正常通行，烏江懸索跨越采用隧道錨+預(yù)應(yīng)力錨+重力錨多種錨固形式以適應(yīng)不同的地形；采用雙主纜、雙索夾連接技術(shù)增加橋梁承載能力，提高安裝效率、節(jié)省工期，降低施工安全風(fēng)險；采用鋼桁架主塔結(jié)構(gòu)體系降低結(jié)構(gòu)自重、提高抗震性能、增加抗風(fēng)性能、降低施工難度；采用有限元應(yīng)力分析模擬技術(shù)，優(yōu)化索系應(yīng)力，提高橋梁抗風(fēng)性能。前言為響應(yīng)國家冬季保供的號召，我國大口徑油氣管道的建設(shè)規(guī)模逐年增大。管道穿越河流、峽谷及其他屏障時，受地形條件或地質(zhì)條件的影響，定向鉆穿越方案受到限制，尤其是川渝、云貴地區(qū)，跨越方案成為首選的方案。常見的跨越方式有桁架跨越、斜拉索跨越及懸索跨越，懸索跨越相比桁架式跨越在跨度上有明顯的優(yōu)勢；相比斜拉索跨越，可以避免水中施工、對航道的影響較小，工程造價也相對較低。重慶地區(qū)烏江懸索跨越采用了隧道錨+預(yù)應(yīng)力錨+重力錨組合，雙主纜、雙索夾連接，鋼桁架主塔一次性整體吊裝等技術(shù)實現(xiàn)了油氣管道大跨度跨越，滿足烏江航道要求，避免對G319國道交通的干擾。1工程簡介烏江懸索跨越是目前通航河流上跨度最大，荷載最重的油氣管道跨越工程，也是南川-涪陵管道沿線控制性工程之一?？缭教幬挥谥貞c市涪陵區(qū)白濤街道三門子村，距離烏江和長江穿越交匯口約15km，江面寬度約300m，該河段為III級航道（航道寬度150m，凈高最少18m），雙向通航，環(huán)保及航道要求高；穿越處為“V”字型山谷，地貌條件復(fù)雜，兩岸至江底最大落差達100m，水深約30m。懸索跨越主要結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)如下：（1）設(shè)計跨度總長：主跨跨度355m，西岸邊跨12m，總跨度367m；（2）主索索繩直徑：4732mm2；（3）跨越管道規(guī)格：油氣管道：Φ1016×26.2mm、采出水外輸管道：Φ159×10mm（20#無縫鋼管）、鍍鋅鋼管Φ114×4.5mm（通信光纜套管）；（4）燃氣管道設(shè)計壓力：10MPa；（5）支撐塔架結(jié)構(gòu)及高度：37.45m2隧道錨+預(yù)應(yīng)力錨+重力錨組合技術(shù)西岸臨G319國道，G319國道上方多為30m高陡崖，東岸臨渝懷鐵路，交通干擾因素大，施工場地受限。錨固墩設(shè)計主要考慮三個方面：（1）在主索拉力的水平分力作用下，不發(fā)生滑移，抗滑穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于1.3。（2）在主索拉力和錨固墩自重作用下，不發(fā)生傾覆，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于1.5。（3）在主索拉力和錨固墩自重作用下，基底最大壓應(yīng)力不大于修正后的地基承載力容許值的1.2倍。本工程錨固墩3個，巖錨2個，隧道錨1個。隧道錨：西岸緊鄰G319國道，根據(jù)地形條件，西岸錨固在G319國道上方山體上，山體巖性極為破碎無法采用重力錨固，采用了隧道錨固的方式，隧道錨固段長度為35m，隧道前端斷面為7.8×6m，底部斷面為7.8×9.1m。為減小隧道錨后部結(jié)構(gòu)受力，在隧道錨底部采用預(yù)應(yīng)力巖錨，設(shè)置8束預(yù)應(yīng)力錨索巖錨錨固，受制于場地限制，隧道錨采用了導(dǎo)洞的施工方式，不僅保證了工程質(zhì)量也保證了施工安全可極大降低傳統(tǒng)重力式錨固墩開挖對G319國道的影響，保證道路通行不受影響。巖錨：西岸風(fēng)纜邊坡陡、位置窄，采用了巖錨的設(shè)計形式，設(shè)置8束預(yù)應(yīng)力錨索錨固于山體內(nèi)，1#巖錨錨索長度為46m，錨固段長度10m；2#巖錨錨索長度為25m，錨固墩長度為16m；重力錨:東岸地形相對空曠，主纜與風(fēng)纜均采用重力錨的形式。主索錨固墩尺寸為：18.5×18×17m，風(fēng)索錨固采用鋼筋混凝土重力式錨固墩（3#、4#風(fēng)索錨固墩），尺寸為：8×8×6m，均采用C30混凝土。3雙主纜、雙索夾連接技術(shù)本工程主纜計算跨度51.7+355+55.1米，矢跨比為1/10，主纜設(shè)置兩組，中心間距3米，采用熱擠聚乙烯平行鋼絲索。平行鋼絲束采用多根鋼絲扭轉(zhuǎn)3°角組合而成，具有彈性模量大、變形量小、抗拉強度高的特點，目前在公路橋領(lǐng)域早已廣泛應(yīng)用，技術(shù)成熟。本工程每組主纜若采用一根主纜，直徑太大（約16cm），運輸和安裝均存在很大困難，因此將每組主纜分成兩根，由索夾連接，每根由241根直徑為5mm環(huán)氧涂層高強鋼絲組成，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度不小于1670MPa，單根束股有效截面積4732mm2，標(biāo)稱破斷荷載7902kN。雙主纜可在制造廠加工為現(xiàn)成品，運至現(xiàn)場直接進行安裝，能夠極大地提高安裝效率、節(jié)省工期，降低施工安全風(fēng)險。由于安裝誤差、管道試壓等工況對主纜的影響，雙主纜安裝完畢后，往往需要對索夾錨固螺栓進行復(fù)擰，以進一步確保索夾內(nèi)應(yīng)力的均勻性，提高索夾的抗滑移能力。[1]4鋼桁架主塔結(jié)構(gòu)體系目前懸索跨越的橋塔多采用兩種形式，即鋼塔架和鋼筋混凝土塔架，交通部門的橋梁多采用混凝土塔架，目前管道橋多采用鋼塔架，這兩種形式的塔架各有特點，分析如下：1)抗震性能方面，鋼塔架比較有優(yōu)勢，其剛度較小，和索系結(jié)構(gòu)形成一個大的柔性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)耗能能力強，而混凝土塔架屬于剛性結(jié)構(gòu)，在地震力作用下，結(jié)構(gòu)耗能能力較鋼塔架差一些，容易出現(xiàn)裂縫。鋼塔架比較有優(yōu)勢，其剛度較小，和索系結(jié)構(gòu)形成一個大的柔性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)耗能能力強。2)抗風(fēng)性能方面，混凝土塔架剛度大，抗風(fēng)性能良好，而鋼塔架的剛度小，在風(fēng)荷載作用下會產(chǎn)生較混凝土塔架更大的位移。3)施工難度方面，混凝土塔架需要高空作業(yè)，工期也比較長，施工比較復(fù)雜，鋼塔架相對施工簡便，避免了高空作業(yè)，一定程度上也降低了施工風(fēng)險。烏江跨越采用4根主纜方式（每兩根為一組），采用鋼塔架，主纜在塔頂斷開，設(shè)置索鞍實現(xiàn)主纜的錨固，塔頂索鞍與主纜配套。兩岸各有一座鋼塔架，塔架采用四柱鋼管塔架，塔架主肢采用φ420×26-Q345C無縫鋼管，橫桿、斜腹桿材質(zhì)均為Q345C無縫鋼管，塔架高37.448m，塔架頂部設(shè)置檢修平臺，塔腳與橋墩采用預(yù)埋錨栓連接。在大跨度大荷載管道懸索跨越中采用了鋼桁架主塔，由工廠預(yù)制后現(xiàn)場裝配并防腐，該結(jié)構(gòu)減輕了結(jié)構(gòu)自重，混凝土塔架需要高空作業(yè)，工期也比較長，施工比較復(fù)雜，鋼塔架相對施工簡便，避免了高空作業(yè)，一定程度上也降低了施工風(fēng)險。保證了作業(yè)人員的安全，節(jié)約了成本，縮短了工期。5有限元應(yīng)力分析模擬技術(shù)由于懸索跨越特殊的結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)偏柔性，對風(fēng)荷載十分敏感，需要進行專項抗風(fēng)設(shè)計，有限元法是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系分析的工具，有限元分析理論是懸索橋進行手算評估的基礎(chǔ)，通過有限元分析，模擬設(shè)計載荷條件并確定設(shè)計對這些條件的響應(yīng)，本設(shè)計利用離散的結(jié)構(gòu)單元來建模。此外，由于空間纜索懸索橋為三維索系，其成橋狀態(tài)下纜索的坐標(biāo)需要精準(zhǔn)計算，否則主纜線性會出現(xiàn)較大誤差，影響主纜的無應(yīng)力索長，最終影響成橋狀態(tài)的吊索力?？臻g懸索橋的計算模型必須采用三維，空間纜索懸索橋的線性及內(nèi)力的精確計算尤為重要。[2]烏江跨越根據(jù)跨越結(jié)構(gòu)分析所需的各種幾何尺寸、計算圖形、邊界條件、作用的取值和組合、材料性能的計算指標(biāo)、初始應(yīng)力和變形狀況等跨越結(jié)構(gòu)的實際工作狀況。利用MIDAS和ABAUQS軟件通過結(jié)構(gòu)布置、劃分節(jié)點和單元、數(shù)據(jù)輸入，計算分析四個步驟，進行有限元分析模擬設(shè)計，通過風(fēng)洞實驗優(yōu)化驗證，整跨設(shè)計可抗12級大風(fēng)。6結(jié)束語針對本項目管道跨越懸索橋荷載大、跨度大的特點，采用以上優(yōu)化，保障了烏江航道空間及G319國道的正常通行，提升了懸索跨越的承載能力