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當長輸管道跨越鐵路、公路、河流和山谷等障礙物時，通常選擇地上跨越形式。懸索跨越結(jié)構(gòu)跨越的跨度最大，且比較經(jīng)濟并易于實現(xiàn)，是目前采用較多的跨越形式之一。懸索跨越結(jié)構(gòu)相對地面管道而言更易遭受自然因素作用的破壞，而且一旦破壞修復難度很大，造成的次生災害非常嚴重，可是以往的研究均集中于地下管道的地震反應研究。模型試驗可以很好地評價管道懸索跨越結(jié)構(gòu)的安全性能，但模型制作周期較長，成本較高，且試驗需要昂貴的試驗設備。若能建立與實際工程固有特性相似的數(shù)值模型，則可以利用有限元分析模型完成多種工況下的實際工程受力分析，即可保證實際工程結(jié)構(gòu)體系的安全，又節(jié)約成本。
本研究以某天然氣輸氣管道工程中的渭惠渠管道懸索跨越結(jié)構(gòu)為原型，制作了縮尺比例為1：8的試驗模型，在中國地震局工程力學研究所地震工程與工程振動開放試驗室振動臺上對試驗模型進行了靜力、模態(tài)、白噪聲和不同強度的El Centro波輸入下的地震模擬試驗。然后利用ANSYS軟件建立了工程原型和試驗模型的有限元分析模型，對2個有限元模型進行靜力、模態(tài)和地震反應分析，并將有限元計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果進行了比較。
試驗模型的原型取之于咸陽至寶雞天然氣輸氣管道工程的渭惠渠懸索跨越結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)支承體系由河流兩岸的塔架、塔架間架設的兩道平行主索、塔架的斜拉索和連接于主索的吊架組成。塔架由Φ219x6的鋼管制作，塔高7m，兩塔之間跨越的距離為54m，塔架與地面錨固，并設置斜拉鋼索(37Φ3.5)拉緊。主索(37Φ3.2)連接9只吊架以支撐管道，兩端的吊架為由型鋼制作的硬吊架，中間的吊架為軟吊架，由鋼纜(7Φ3.0)和型鋼橫梁組成。輸氣管道規(guī)格為Φ426x7，架設中形成倒拱，此懸索跨越結(jié)構(gòu)總重近70kN。
試驗模型的縮尺比例為1：8。模型總長約9m，高1.4m，每根主索長6.78m，每根斜拉索長1.25m，管道跨中起拱矢高為25mm。試驗模型中，河流兩岸地面由與振動臺固定連接的混凝土板模擬；管道和塔架分別采用Φ50x1.2和Φ25x0.8的不銹鋼管制作，主索、斜拉索和軟吊架鋼索分別采用1Φ2.1、1Φ2.4和1Φ1.5鋼絞線制作；其余構(gòu)件均依原型按比例縮小后由鋼材制成。管道經(jīng)彎頭折入地面，端部采用環(huán)氧樹脂砂漿與混凝土板粘接。模型中還使用鋼索卡具56個、鐵砂 76 kg(人工質(zhì)量)、拉力計2個。
應用ANSYS程序分別建立了實際工程和試驗模型2個有限元計算模型，下文中分別稱其為原型有限元模型和試驗模型有限元計算模型，模型中管道、塔架下端固接，斜拉索下端鉸接。試驗模型的管道和塔架中附加人工質(zhì)量、傳感器質(zhì)量采用增大管道、塔架橫管和塔架立柱材料密度的方法等效到相應的構(gòu)件上。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設計│有限元分析│強度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務與解決方案
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