一种管道悬索跨越结构抗风系统的设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种管道悬索跨越结构抗风体系设计方法，包括：步骤1，拟定水平抗风索和共轭索的曲线要素；步骤2，建立有限元模型并其振动特性；步骤3，初步拟定水平抗风索和共轭索型号；步骤4，确定水平抗风索和共轭索的预张力；步骤5，设计风索转向支架；步骤6，组装管道悬索跨越结构抗风体系的缩尺模型并进行风洞试验，验证极限状态下缩尺模型的抗风安全性能；步骤7，计算最终主索、水平抗风索和共轭索的索力，并设计符合要求的主索锚固墩、共轭索锚固墩和风索锚固墩。本发明专利技术实现了管道悬索跨越结构抵抗水平风荷载和风荷载升力以及提高结构侧向和竖向刚度的目的，为峡谷地形条件下解决管道跨越结构抗风安全问题提供了一种新的方式。

【技术实现步骤摘要】
一种管道悬索跨越结构抗风系统的设计方法
本专利技术涉及一种管道悬索跨越结构抗风系统设计方法，属于油气管道跨越工程设计领域。
技术介绍
管道悬索跨越工程是油气长输管道跨越河流最常用的方式之一，悬索跨越结构具有跨越能力强、结构刚度小、阻尼低等特点，对风荷载极为敏感，尤其在峡谷河流地区，受到峡谷风的影响，结构风振安全是管道跨越工程最为关注的方面之一。以往工程设计中，一般采用与水平面夹角较大的抗风索系统或者采用刚度较大的桥面结构，但受峡谷地形影响，常规的抗风索布置难度极大，且受抗风索安装的限制，不能提供足够的侧向和竖向刚度，同时刚度较大的桥面结构带来的工程费用较高。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种管道悬索跨越结构抗风系统设计方法，通过设置合理的水平抗风索系(0.3°～1.5°)、共轭索系以及风索转向支架，实现大跨度管道悬索跨越结构的抗风安全。本专利技术为峡谷地形条件下，解决管道跨越结构抗风安全问题提供了一种新的方式。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：管道悬索跨越结构抗风系统包括：两条主索，每条主索分别穿过两个管道悬索跨越桥塔的顶端且在竖直方向均呈抛物线型设置，所述两条主索的下方通过若干根平行布置的主索吊索吊有管道悬索跨越桥面；两条水平抗风索，在水平方向均呈抛物线型设置，并与所述管道悬索跨越桥面在水平方向上平齐，且分别设置在所述管道悬索跨越桥面的两侧；所述两条水平抗风索分别通过若干根平行布置的风拉索与所述管道悬索跨越桥面连接；共轭索，在竖直方向呈反向抛物线型设置，且设置在所述管道悬索跨越桥面的底部；所述共轭索通过若干根平行布置的共轭索拉索与所述管道悬索跨越桥面连接；在所述管道悬索跨越桥面的一端或两端，所述水平抗风索和主索共用锚固墩；所述水平抗风索和主索共用锚固墩时，在所述桥墩的两侧设置风索转向支架实现水平抗风索的转向，所述水平抗风索的经风索转向支架锚固在风索和主索共用锚固墩上；基于上述管道悬索跨越结构抗风系统，所述管道悬索跨越结构抗风系统的设计方法包括以下步骤：步骤1，根据管道悬索跨越结构所处地形条件，拟定水平抗风索和共轭索的曲线要素；步骤2，建立所述管道悬索跨越结构的有限元模型并计算所述管道悬索跨越结构的振动特性；步骤3，根据管道悬索跨越结构所处地区计算风速并初步拟定水平抗风索型号；根据管道悬索跨越结构的竖向刚度要求初步拟定共轭索型号；步骤4，根据所述管道悬索跨越结构的振动特性和管道悬索跨越结构刚度要求确定水平抗风索和共轭索的预张力；步骤5，依据水平抗风索的受力情况，设计风索转向支架；步骤6，组装管道悬索跨越结构抗风系统的缩尺模型并进行缩尺模型全桥风洞试验，验证极限状态下所述缩尺模型的抗风安全性能；如不能满足抗风安全要求，调整水平抗风索曲线和共轭索曲线，重复步骤1～步骤6；如满足抗风安全要求，则进行步骤7；步骤7，根据最终的水平抗风索和共轭索计算主索、水平抗风索和共轭索的索力，并设计抗滑稳定安全系数和抗倾覆稳定安全系数均符合要求的主索锚固墩、共轭索锚固墩和风索锚固墩，从而完成管道悬索跨越结构抗风系统的设计。进一步的，步骤1中，所述水平抗风索和共轭索的抛物线表达式均为：其中：y为曲线纵坐标；x为曲线横坐标；h为当x＝l时，y的值；f为抛物线矢高；l为抛物线总跨度；水平抗风索矢高采用水平抗风索跨度的1/12～1/20，共轭索矢高采用共轭索跨度的1/15～1/30。进一步的，当水平抗风索或共轭索抛物线采用对称布置时，h＝0，抛物线表达式为：拟定水平抗风索和共轭索的曲线要素时，根据管道悬索跨越结构所处地形条件，优先采用具有较小绝对值的h值，从h＝0开始选取。进一步的，步骤3中，所述主索、水平抗风索、共轭索、主索吊索、风拉索和共轭索拉索均由若干根钢丝组成，并在所述主索、水平抗风索、共轭索、主索吊索、风拉索和共轭索拉索的两端分别设置有锚头，所述主索、水平抗风索和共轭索两端的锚头均连接叉耳，所述叉耳连接锚固墩锚固端耳板或风索转向支架的耳板结构。进一步的，步骤5中，所述风索转向支架以桥墩为中心对称布置，且垂直于所述管道悬索跨越桥面的纵向设置，所述风索转向支架的两端均设置有耳板结构，所述水平抗风索穿过所述耳板结构，用于实现的水平抗风索的转向。进一步的，所述风索转向支架包括上弦杆、下弦杆和腹杆，所述上弦杆和下弦杆均通过锚板和锚固钢筋对称锚固在桥墩的两侧，每一侧的上弦杆、下弦杆和桥墩均组成直角三角形状，每一侧的上弦杆和下弦杆之间还均交叉布置有若干个腹杆，其中所述上弦杆垂直于管道悬索跨越桥面的纵向设置，所述上弦杆远离桥墩的一端固定有所述耳板结构。进一步的，所述耳板结构包括耳板，所述耳板上设有供水平抗风索穿过的孔，所述耳板通过连接板连接所述上弦杆；所述耳板上还设有若干个耳板加强肋板，所述耳板和上弦杆之间还设有连接加强肋板，所述耳板加强肋板和连接加强肋板均垂直于所述连接板。进一步的，主索锚固墩设置在所述管道悬索跨越桥面的两端；两条主索分别设有相应的主索背索，所述主索背索锚固在所述主索锚固墩上；在所述水平抗风索和主索不共用锚固墩的一端，设有两个对称布置的水平抗风索锚固墩，用于锚固水平抗风索；所述管道悬索跨越桥面的底部两端分别设有共轭索锚固墩，用于锚固共轭索。进一步的，步骤7中对各锚固墩均采用钢筋混凝土重力式锚固墩，各锚固墩的设计同时满足以下条件：在相应索系的水平分力作用下，各锚固墩不发生滑移，且各锚固墩的抗滑稳定安全系数不小于1.3；在相应索系拉力和相应锚固墩自重作用下，各锚固墩不发生倾覆，各锚固墩的抗倾覆稳定安全系数不小于1.5；在相应索系拉力和相应锚固墩自重作用下，各锚固墩基底最大压应力不大于修正后地基承载力容许值的1.2倍；所述索系包括主索、水平抗风索和共轭索。进一步的，由于重力作用，所述水平抗风索与水平面夹角范围在0.3°～1.5°之间。本专利技术的有益效果为：本专利技术为管道悬索跨越结构提供了一种完整的抗风系统设计方法，能够满足悬索跨越结构的抗风安全要求，适用于设置小角度风索(0.3°～1.5°)的悬索跨越结构的抗风设计。通过设置水平抗风索及风拉索、竖向共轭索及共轭索拉索，实现了管道悬索跨越结构抵抗水平风荷载和风荷载升力以及提高结构侧向和竖向刚度的目的，为峡谷地形条件下，解决管道跨越结构抗风安全问题提供了一种新的方式。同时，当地形条件收到限制时，在管道悬索跨越结构的一端或两端，通过设置风索转向支架，所述水平抗风索和主索可共用锚固墩，为地形受到限制的条件下，解决管道跨越结构抗风安全问题提供了一种新的方式。附图说明图1为管道悬索跨越结构抗风系统的水平风索及共轭索线形方程曲线；图2为管道悬索跨越结构抗风系统的有限元计算模型；图3为管道悬索跨越结构抗风系统的有限元计算一阶振型；图4为管道悬索跨越结构抗风系统在不同预张力条件下关键振型一阶频率变化示意图；图5为本专利技术所述管道悬索跨越结构抗风系统主视图；图6为本专利技术所述管道悬索跨越结构抗风系统俯视图；图7为本专利技术所述风索转向支架示意图；图8为水平抗风索锚固系统示意图；图9为共轭索锚固系统示意图；图10为本专利技术所述耳板结构示意图；其中，1-水平抗风索，2-风拉索，3-共轭索，4-共轭索拉索，5-风索转向支架，6-水平抗风索锚固墩，7-共轭索锚固墩，8-风索和主索共用锚固墩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种管道悬索跨越结构抗风系统的设计方法，其特征在于，所述管道悬索跨越结构抗风系统包括：两条主索(11)，每条主索(11)分别穿过两个管道悬索跨越桥塔(12)的顶端且在竖直方向均呈抛物线型设置，所述两条主索(11)的下方通过若干根平行布置的主索吊索吊有管道悬索跨越桥面(15)；两条水平抗风索(1)，在水平方向均呈抛物线型设置，并与所述管道悬索跨越桥面(15)在水平方向上平齐，且分别设置在所述管道悬索跨越桥面(15)的两侧；所述两条水平抗风索(1)分别通过若干根平行布置的风拉索(2)与所述管道悬索跨越桥面(15)连接；共轭索(3)，在竖直方向呈反向抛物线型设置，且设置在所述管道悬索跨越桥面(15)的底部；所述共轭索(3)通过若干根平行布置的共轭索拉索(4)与所述管道悬索跨越桥面(15)连接；在所述管道悬索跨越桥面(15)的一端或两端，所述水平抗风索(1)和主索(11)共用锚固墩；所述水平抗风索(1)和主索(11)共用锚固墩时，在所述桥墩(13)的两侧设置风索转向支架(5)实现水平抗风索(1)的转向，所述水平抗风索(1)的经风索转向支架(5)锚固在风索和主索共用锚固墩(8)上；所述管道悬索跨越结构抗风系统的设计方法包括以下步骤：步骤1，根据管道悬索跨越结构所处地形条件，拟定水平抗风索和共轭索的曲线要素；步骤2，建立所述管道悬索跨越结构的有限元模型并计算所述管道悬索跨越结构的振动特性；步骤3，根据管道悬索跨越结构所处地区计算风速并初步拟定水平抗风索型号；根据管道悬索跨越结构的竖向刚度要求初步拟定共轭索型号；步骤4，根据所述管道悬索跨越结构的振动特性和管道悬索跨越结构刚度要求确定水平抗风索和共轭索的预张力；步骤5，依据水平抗风索的受力情况，设计风索转向支架；步骤6，组装管道悬索跨越结构抗风系统的缩尺模型并进行缩尺模型全桥风洞试验，验证极限状态下所述缩尺模型的抗风安全性能；如不能满足抗风安全要求，调整水平抗风索曲线和共轭索曲线，重复步骤1～步骤6；如满足抗风安全要求，则进行步骤7；步骤7，根据最终的水平抗风索和共轭索计算主索、水平抗风索和共轭索的索力，并设计抗滑稳定安全系数和抗倾覆稳定安全系数均符合要求的主索锚固墩、共轭索锚固墩和风索锚固墩，从而完成管道悬索跨越结构抗风系统的设计。...

【技术特征摘要】
1.一种管道悬索跨越结构抗风系统的设计方法，其特征在于，所述管道悬索跨越结构抗风系统包括：两条主索(11)，每条主索(11)分别穿过两个管道悬索跨越桥塔(12)的顶端且在竖直方向均呈抛物线型设置，所述两条主索(11)的下方通过若干根平行布置的主索吊索吊有管道悬索跨越桥面(15)；两条水平抗风索(1)，在水平方向均呈抛物线型设置，并与所述管道悬索跨越桥面(15)在水平方向上平齐，且分别设置在所述管道悬索跨越桥面(15)的两侧；所述两条水平抗风索(1)分别通过若干根平行布置的风拉索(2)与所述管道悬索跨越桥面(15)连接；共轭索(3)，在竖直方向呈反向抛物线型设置，且设置在所述管道悬索跨越桥面(15)的底部；所述共轭索(3)通过若干根平行布置的共轭索拉索(4)与所述管道悬索跨越桥面(15)连接；在所述管道悬索跨越桥面(15)的一端或两端，所述水平抗风索(1)和主索(11)共用锚固墩；所述水平抗风索(1)和主索(11)共用锚固墩时，在所述桥墩(13)的两侧设置风索转向支架(5)实现水平抗风索(1)的转向，所述水平抗风索(1)的经风索转向支架(5)锚固在风索和主索共用锚固墩(8)上；所述管道悬索跨越结构抗风系统的设计方法包括以下步骤：步骤1，根据管道悬索跨越结构所处地形条件，拟定水平抗风索和共轭索的曲线要素；步骤2，建立所述管道悬索跨越结构的有限元模型并计算所述管道悬索跨越结构的振动特性；步骤3，根据管道悬索跨越结构所处地区计算风速并初步拟定水平抗风索型号；根据管道悬索跨越结构的竖向刚度要求初步拟定共轭索型号；步骤4，根据所述管道悬索跨越结构的振动特性和管道悬索跨越结构刚度要求确定水平抗风索和共轭索的预张力；步骤5，依据水平抗风索的受力情况，设计风索转向支架；步骤6，组装管道悬索跨越结构抗风系统的缩尺模型并进行缩尺模型全桥风洞试验，验证极限状态下所述缩尺模型的抗风安全性能；如不能满足抗风安全要求，调整水平抗风索曲线和共轭索曲线，重复步骤1～步骤6；如满足抗风安全要求，则进行步骤7；步骤7，根据最终的水平抗风索和共轭索计算主索、水平抗风索和共轭索的索力，并设计抗滑稳定安全系数和抗倾覆稳定安全系数均符合要求的主索锚固墩、共轭索锚固墩和风索锚固墩，从而完成管道悬索跨越结构抗风系统的设计。2.根据权利要求1所述的管道悬索跨越结构抗风系统的设计方法，其特征在于，步骤1中，所述水平抗风索和共轭索的抛物线表达式均为：其中：y为曲线纵坐标；x为曲线横坐标；h为当x＝l时，y的值；f为抛物线矢高；l为抛物线总跨度；水平抗风索矢高采用水平抗风索跨度的1/12～1/20，共轭索矢高采用共轭索跨度的1/15～1/30。3.根据权利要求2所述的管道悬索跨越结构抗风系统的设计方法，其特征在于，当水平抗风索或共轭索抛物线采用对称布置时，h＝0，抛物线表达式为：拟定水平抗风索和共轭索的曲线要素时，根据管道悬索跨越结构所处地形条件，优先采用具有较小绝对值的h值，从h＝0开始选取。4.根据权利要求1所述的管道悬索跨越结构抗风系统的设计方法，其特征在于，步骤3中，所述主索(11)、水平抗风索(...

【专利技术属性】
技术研发人员：左雷彬，马晓成，李国辉，任文明，詹胜文，王丽，李金玲，陈晓晖，邵强，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司，中国石油管道局工程有限公司，中国石油管道局工程有限公司设计分公司，
类型：发明
国别省市：北京,11