一种悬索管道桥成桥风索线形计算方法技术

本发明专利技术涉及一种悬索管道桥成桥风索线形计算方法，属于油气管道跨越设计领域，包括：根据空间抛物线理论估算风索始端三向分力；以风索始端三向分力为迭代初值，计算风索线形坐标及各索段无应力长度；利用影响矩阵法修正风索始端三向分力，重新计算得到风索线形坐标及各索段无应力长度。本发明专利技术解决了以往设计不精、假设过多，计算误差太大的问题，采用本方法开展设计和计算，可以大大提高悬索管道桥成桥风索线形及无应力长度计算精度。

【技术实现步骤摘要】
一种悬索管道桥成桥风索线形计算方法
本专利技术涉及一种悬索管道桥成桥风索线形计算方法，属于油气管道跨越设计领域。
技术介绍
管道悬索桥一般由主索、吊索、风索、风拉索、稳定索(共轭索)、加劲梁、索塔和锚碇等组成。由于其主要用途是输送石油、天然气或水，桥面上通常会设置支座用于架设管道，并设置简易检修道以方便管道的施工和后期维修。管道悬索桥宽跨比小，结构刚度小，抗风问题敏感，一般需设置风索体系。管道悬索桥的受力特征是：作用在桥面上的荷载和因风索产生的竖向荷载通过吊索传至主索，再传至索塔和锚碇；作用在桥面的水平荷载通过风拉索传至风索主索，再传至锚碇；传力途径明确。管道悬索桥是以柔性索结构为主要承重结构的缆索体系。索结构受力后，反映出小应变大变形的受力特征，对空间风索索结构尤其如此。在荷载作用下，荷载与变形呈现出明显的非线性的关系，经典结构力学已不再适用，因为经典结构力学忽略了结构的微小变形，平衡方程建立在变形前的几何位置上。计算大变形的结构，应在变形后的位置上建立平衡方程，并且需要迭代计算。目前，工程上设计人员主要利用平面抛物线理论进行风索系统设计：即假定风索和风拉索在同一斜平面内，仅在该平面内分析计算风索、风拉索的线形和无应力长度。但是位于拉索间的风索节段实际线形为空间悬链线，不仅整个风索线形与抛物线有很大差距，而且风索和风拉索并不在一个平面内。仅仅利用空间抛物线理论计算风索线形和无应力长度，不仅会使得真实线形与设计线形有较大差距，甚至会产生风索系统难以安装，甚至无法安装的问题。
技术实现思路
为解决上述问题，准确计算悬索跨越成桥风索线形，本专利技术的目的在于提供一种悬索管道桥成桥风索线形计算方法。通过引入分段悬链线理论和影响矩阵法计算成桥风索线形，多次迭代计算，最终收敛于设计目标线形。一种悬索管道桥成桥风索线形计算方法，包括以下步骤：步骤1，根据空间抛物线理论估算风索始端三向分力HFX0、HFY0和VF0；步骤2，以风索始端三向分力HFX0、HFY0和VF0为迭代初值，由始端至末端对风索各索段进行计算包括：步骤2.1，根据第i索段起始端三向分力、第i索段纵桥向长度xi和风索平衡方程计算出风索第i索段无应力长度SFi及横、竖桥向长度yi、zi；步骤2.2，对于第i根风拉索，由步骤2.1中所述风索平衡方程计算得到的风拉索下吊点坐标，同时根据已知的风拉索上吊点坐标、上吊点设计横向分力，计算出风拉索上吊点竖向分力PEDZJi和风拉索的无应力长度SFDi；步骤2.3，由第i索段末端节点平衡方程计算得到第i+1索段起始端三向分力，重复步骤2.1-2.2，计算得到风索第i+1索段无应力长度SFi+1及第i+1索段横、竖桥向长度yi+1、zi+1和第i+1根风拉索上吊点竖向分力PFDZJi+1和第i+1根风拉索的无应力长度SFDi+1，直至第n索段和第N根风拉索；步骤3，以风索末端的横、竖向坐标及跨内指定点横向坐标为目标值，利用影响矩阵法修正风索始端三向分力HFX0、HFY0、VF0，反复迭代，直至目标变量误差小于允许值，计算得到成桥风索线形及各索段无应力长度。进一步的，步骤1中根据空间抛物线理论估算风索始端三向分力HFX0、HFY0和VF0如下：其中，式中，HFX0、HFY0和VF0分别为风索始端纵向、横向和竖向分力，l为风索跨径，w为风索在风索平面内沿跨长的等效均布荷载；f为风索在风索平面内垂度；yFDJi，zFDJi，yFDIi，zFDIi分别为风拉索上、下吊点的横向及竖向坐标；Pyi，Pzi分别为风拉索上端的竖向和横向分力，i为1～n的正整数，n为风索始端到末端索段数。进一步的，步骤2.1中计算风索第i索段横桥向长度yi和竖桥向长度zi及无应力长度SFi方法如下：式中，xi，yi，zi分别为风索第i索段纵桥向、横桥向和竖桥向长度；SFi，E和AF分别为风索第i索段无应力长度、弹性模量和截面面积；qF为风索索段的自重集度；HFXi-1，HFYi-1和VFi-1分别为风索第i索段起始端的纵向、横向和竖向分力；Hi-1为风索第i索段起始端的水平面合力；其中，已知量包括风索第i索段纵桥向长度xi，风索弹性模量E和风索截面面积AF，风索索段自重集度qF，风索第i索段起始端的纵向分力HFXi-1、横向分力HFYi-1和竖向分力VFi-1。进一步的，步骤2.2中计算风拉索上吊点竖向分力PFDZJi和风拉索的无应力长度SFDi方法如下：风索各索段始端三向分力的递推关系如下：HFX0、HFY0和VF0分别为风索始端纵向、横向和竖向分力；HFXi，HFYi和VFi分别为风索第i索段始端的纵向、横向和竖向分力；对于每根风拉索，已知量包括：风拉索上下吊点横向距离yFDJi-yFDIi，风拉索上下吊点竖向距离zFDJi-zFDIi，风拉索自重集度qFD和风拉索上吊点横向分力PFDYJi。进一步的，步骤3中利用影响矩阵法迭代计算得到风索各索段无应力长度及横、竖向坐标和各风拉索上吊点竖向分力、无应力长度包括以下步骤：步骤3.1，建立目标函数F(X)，其中X＝(HFX0，HFY0，VF0)；式中，HFX0、HFY0和VF0分别为风索始端纵向、横向和竖向分力；n为风索始端到末端索段数，m为风索始端到跨内指定点索段数；yi，zi分别为风索第i索段横向和竖向长度；Δy和Δz分别为风索始端和末端的坐标差值，fz为跨内指定点和风索始端的竖向坐标差值；ey为风索末端横向坐标误差，ex为风索末端竖向坐标误差，ef为跨内指定点竖向坐标误差；将HFX0＝HFX0+1，HFY0＝HFY0，VF0＝VF0，HFX0＝HFX0，HFY0＝HFY0+1，VF0＝VF0和HFX0＝HFX0，HFY0＝HFY0，VF0＝VF0+1分别带入公式(11)，计算出相应的误差改变量，从而得到影响矩阵：其中第一、二和三列元素分别为HFX0，HFY0，VF0引起的误差ey，ez和ef的改变量；步骤3.2，求解初值修正向量(ΔHFX0，ΔHFY0，ΔVF0)T；步骤3.3，修正风索始端纵向、横向和竖向分力VF0＝VF0+ΔVF0，重新迭代计算，直至误差ey，ez和ef小于允许值，得到修正后的风索始端三向分力HFX0、HFY0、VF0，再重复步骤2.1-2.3，重新计算得到风索各索段无应力长度及横、竖桥向长度和各风拉索上吊点竖向分力、无应力长度，从而得到风索线形。本专利技术的有益效果为：本专利技术所述用于悬索管道桥成桥风索线形及无应力长度计算方法是目前油气管道跨越行业尚无具体规范，设计尚未形成体系的情况下悬索跨越风索系统设计的一次突破，为悬索管道桥成桥风索线形及无应力长度计算提供一套完整的设计理论和计算方法，能够结合设计控制点坐标和设计风拉索力，最终设计出满足要求的成桥风索线形的计算方法。本专利技术所述计算方法采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种悬索管道桥成桥风索线形计算方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，根据空间抛物线理论估算风索始端三向分力H

【技术特征摘要】
1.一种悬索管道桥成桥风索线形计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据空间抛物线理论估算风索始端三向分力HFX0、HFY0和VF0；
步骤2，以风索始端三向分力HFX0、HFY0和VF0为迭代初值，由始端至末端对风索各索段进行计算包括：
步骤2.1，根据第i索段起始端三向分力、第i索段纵桥向长度xi和风索平衡方程计算出风索第i索段无应力长度SFi及横、竖桥向长度yi、zi；
步骤2.2，对于第i根风拉索，由步骤2.1中所述风索平衡方程计算得到的风拉索下吊点坐标，同时根据已知的风拉索上吊点坐标、上吊点设计横向分力，计算出风拉索上吊点竖向分力PFDZJi和风拉索的无应力长度SFDi；
步骤2.3，由第i索段末端节点平衡方程计算得到第i+1索段起始端三向分力，重复步骤2.1-2.2，计算得到风索第i+1索段无应力长度SFi+1及第i+1索段横、竖桥向长度yi+1、zi+1和第i+1根风拉索上吊点竖向分力PFDZJi+1和第i+1根风拉索的无应力长度SFDi+1，直至第n索段和第N根风拉索；
步骤3，以风索末端的横、竖向坐标及跨内指定点横向坐标为目标值，利用影响矩阵法修正风索始端三向分力HFX0、HFY0、VF0，反复迭代，直至目标变量误差小于允许值，计算得到成桥风索线形及各索段无应力长度。


2.根据权利要求1所述的悬索管道桥成桥风索线形计算方法，其特征在于，步骤1中根据空间抛物线理论估算风索始端三向分力HFX0、HFY0和VF0如下：









其中，
式中，HFX0、HFY0和VF0分别为风索始端纵向、横向和竖向分力，l为风索跨径，w为风索在风索平面内沿跨长的等效均布荷载；f为风索在风索平面内垂度；yFDJi，zFDJi，yFDIi，zFDIi分别为风拉索上、下吊点的横向及竖向坐标；Pyi，Pzi分别为风拉索上端的竖向和横向分力，i为1～n的正整数，n为风索始端到末端索段数，。


3.根据权利要求1所述的悬索管道桥成桥风索线形计算方法，其特征在于，步骤2.1中计算风索第i索段横桥向长度yi和竖桥向长度zi及无应力长度SFi方法如下：












式中，xi,yi,zi分别为风索第i索段纵桥向、横桥向和竖桥向长度；SFi,E和AF分别为风索第i索段无应力长度、弹性模量和截面面积；qF为风索索段的自重集度；HFXi-1,HFYi-1和VFi-1分别为风索第i索段起始端的纵向、横向和竖向分力；Hi-1为风索...

【专利技术属性】
技术研发人员：左雷彬，胡川川，杨威，詹胜文，刘思萌，陈晓晖，李国辉，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团有限公司，中国石油管道局工程有限公司，中国石油天然气管道工程有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11