CN109505224A - 一种管道悬索跨越结构抗风系统的设计方法 - Google Patents

一种管道悬索跨越结构抗风系统的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明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。

Description

一种管道悬索跨越结构抗风系统的设计方法
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
发明内容
为解决上述问题，本发明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。本发明为峡谷地形条件下，解决管道跨越结构抗风安全问题提供了一种新的方式。
本发明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。
本发明的有益效果为：
本发明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为本发明所述管道悬索跨越结构抗风系统主视图；
图6为本发明所述管道悬索跨越结构抗风系统俯视图；
图7为本发明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为本发明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，9-主索锚固墩，10-主索背索，11-主索，12-管道悬索跨越桥塔，13-桥墩，14-承台，15-管道悬索跨越桥面，16-下弦杆，17-腹杆，18-锚板，19-锚固钢筋，20-上弦杆，21-水平抗风索锚固系统，22-共轭索锚固系统，23-耳板，24-耳板加强肋板，25-连接板，26-连接加强肋板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种管道悬索跨越结构抗风系统，如图5、6所示，设有两个管道悬索跨越桥塔12，所述管道悬索跨越桥塔12固定在桥墩13上，所述桥墩13下方设有承台14。两条主索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的下方通过若干根竖直平行布置的主索吊索吊有管道悬索跨越桥面15。所述管道悬索跨越桥面15的两端分别设有主索锚固墩3；两条主索11分别设有相应的主索背索10，所述主索背索10锚固在所述主索锚固墩上。
所述管道悬索跨越结构抗风系统还包括：
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。由于重力作用，所述水平抗风索1与水平面夹角范围可在0.3o～1.5o之间。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。通过两条水平抗风索1和若干根风拉索2，可抵抗管道悬索跨越结构的水平方向抗风荷载，并提供管道悬索跨越的侧向刚度。所述管道悬索跨越桥面15的两端可分别设有两个对称布置的水平抗风索锚固墩6，用于锚固水平抗风索1。如图8所示，水平抗风索锚固墩6内设有水平抗风索锚固系统21。
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；通过共轭索3和若干根共轭索拉索4的设置，可抵抗管道悬索跨越结构风荷载的升力，并提供管道悬索跨越结构的竖向刚度。所述管道悬索跨越桥面15的底部两端分别设有共轭索锚固墩7，用于锚固共轭索3。如图9所示，所述共轭索锚固墩7内设有共轭索锚固系统22。
当地形条件收到限制时，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。
水平抗风索系主要承担水平向风荷载和提供竖向刚度，水平抗风索与水平面角度控制在0.3°～1.5°，水平抗风索采用空间抛物线线形，考虑到水平抗风索的安装，风拉索最小长度不小于3m。共轭索索系主要提供竖向刚度，其线形采用与水平面垂直的反向抛物线线形(与主索线形方向相反)。
如图1所示，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。
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，尽量采用对称线形(h＝0)。
步骤2，建立所述管道悬索跨越结构的有限元模型，如图2所示，并计算所述管道悬索跨越结构的振动特性。
由于管道悬索跨越结构中各部分的受力特性不同，在建模中需根据它们各自的特性选择合适的单元类型，以通用有限元ANSYS为例，其中加劲桁架槽钢部分采用BEAM44单元模拟，通过自由度释放模拟与主索吊索相连。桥塔和加劲梁其它部分采用BEAM4单元模拟。主索、主索吊索、水平抗风索以及风拉索采用LINK10单元模拟，通过指定单元选项设定其为受拉单元。管道采用BEAM4单元，管道支座采用MASS21质量单元模拟。
根据各部件的材料特性，给各结构单元赋予相应的材料属性，具体材料特性见表1。在非线性静力分析和模态分析时，只考虑结构的恒荷载。
表1结构的材料特性表
根据管道悬索跨越结构特点及工程实际，选取管道悬索跨越结构有限元模型约束条件如下：
①主索、水平抗风索的锚固端采用固结的方式；
②架两端限制移动和z-y、x-z面的转动；
③底固结，塔顶与主索按同位移约束来考虑，采用耦合6个自由度；
④主索与主索吊索、水平抗风索与风拉索、主索吊索与桁架、风拉索与桁架均采用铰接。
⑤管道与其固定墩采用固结，约束沿桥垮的方向，与桁架桥支座耦合纵向自由度。
取加劲桁架中心为坐标原点，根据相对位置坐标，建立全桥各关键点的位置。主索各关键点坐标值按立面二次抛物线布置输入，水平抗风索按立面和水平面两侧二次抛物线输入。根据悬索桥的结构特点，作合适的简化，建立全桥的有限元模型。
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。
基本风速定义为桥梁所在地区开阔平坦地面以上10米高度处100年重现期的10min平均年最大风速，当跨越位置处无相关观测数据时，可以根据全国基本风速值和基本风速分布图确定基本风速。
管道悬索跨越结构上、下部结构构件的设计验算均应考虑风荷载的作用。作用在桥梁上的设计风荷载由设计基准风速下的等效静阵风荷载和结构惯性动力风荷载叠加而成。等效静阵风荷载定义为等效阵风风速算出的风荷载。它是在10分钟平均风速的基础上乘以一个等效阵风系数GV得到，其中包括了平均风荷载和脉动风中的背景响应。GV计算中应考虑风的空间相关性、不同地表粗糙度、不同桥梁基准高度的影响。
在横桥向风作用下，作用于加劲梁单位长度上的横向力、竖向力和扭矩分别为：
式中，ρ为空气密度，Vg为风速；CH,CV,CM分别为节段模型测力试验测取的主梁横向力系数、竖向力系数和力矩系数；H，B分别为加劲梁特征高度、特征宽度。
所述主索11、水平抗风索1、共轭索3、主索吊索、风拉索2和共轭索拉索4均由若干根钢丝组成，并在所述主索11、水平抗风索1、共轭索3、主索吊索、风拉索2和共轭索拉索4的两端分别设置有锚头；所述主索吊索、风拉索2和共轭索拉索4的两端锚头分别连接索夹和叉耳，用于主索、水平抗风索1或共轭索3与管道悬索跨越桥面15的连接，以实现力的传递。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。
以360m主跨悬索跨越工程为例，通过计算选择的水平抗风索型号为：采用热挤聚乙烯平行钢丝索，由151根直径5mm的镀锌涂层高强钢丝组成，单缆有效截面积为2964mm2，标称破断荷载4951kN。外挤双层PE防腐，PE外层颜色采用红色，强度安全系数≥2.50。索系锚具采用热铸锚，两端锚头均连接叉耳，叉耳与锚固墩锚固端耳板或风索转向支架的耳板结构连接。
共轭索由73根直径5mm的镀锌涂层高强钢丝组成，单缆有效截面积为1433mm2，标称破断荷载2394kN。外挤双层PE防腐，PE外层颜色采用红色。索系锚具采用热铸锚，两端锚头均连接叉耳，叉耳与锚固墩锚固端耳板连接。
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。
以360m主跨悬索跨越工程为例，选取相应索系索力即预张力分别为2000KN、2500KN、3000KN、3500KN、4000KN五种情况进行分析。
如图3～4所示，依据所述管道悬索跨越结构的的振动特性，随着水平抗风索预张力增加，管道悬索跨越结构关键振型一阶频率显著提高，特别是对扭转频率提高幅度较大，水平抗风索位移以及主梁的竖向位移随着水平抗风索索力同时提高。根据分析采用设计索力的20％时，管道悬索跨越结构关键振型一阶频率提高最为明显，随着水平抗风索索力继续增加，管道悬索跨越结构关键振型一阶频率提高幅度较小，因此水平抗风索索力采用设计索力的20％时比较合适。
共轭索预张力对竖向刚度的影响有着同样的效果，同样根据分析采用200kN的预张力较为合理。
步骤5，依据水平抗风索的受力情况，设计风索转向支架；
如图7所示，所述风索转向支架5以桥墩13为中心对称布置，且垂直于所述管道悬索跨越桥面15的纵向设置，所述风索转向支架5的两端均设置有耳板结构，所述水平抗风索1穿过所述耳板结构，用于实现的水平抗风索1的转向。
具体的，所述风索转向支架5采用Q345C钢管焊接的形式，包括上弦杆20、下弦杆16和腹杆17，所述上弦杆20和下弦杆16均通过锚板18和锚固钢筋19对称锚固在桥墩13的两侧，每一侧的上弦杆20、下弦杆16和桥墩13均组成直角三角形状，每一侧的上弦杆20和下弦杆16之间还均交叉布置有若干个腹杆17，其中所述上弦杆20垂直于管道悬索跨越桥面15的纵向设置，所述上弦杆20远离桥墩13的一端固定有所述耳板结构。
如图10所示，所述耳板结构包括耳板23，所述耳板23上设有供水平抗风索1穿过的孔，所述耳板23通过连接板25连接所述上弦杆20；所述耳板23上还设有若干个耳板加强肋板24，所述耳板23和上弦杆20之间还设有连接加强肋板26，所述耳板加强肋板24和连接加强肋板26均垂直于所述连接板25。
以360m主跨悬索跨越工程为例，南岸考虑水平抗风索和主索共用一个锚固墩，根据水平抗风索传递至风索转向支架即风索侧向支撑处的力，在桥塔处设置风索侧向支撑，支撑结构主要由两根钢管组成，分别为813mm×20.6mm X70M和610mm×14.3mm X65M级钢管。
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。
针对主跨360m悬索跨越风洞试验，在大型低速回流式风洞中进行，试验段长36米，宽22.5米，高4.5米，风速范围为0～16.5m/s，紊流度1.0％以下。考虑到跨越全长以及大型低速风洞试验段的尺寸，将模型的几何缩尺比定为CL＝1/30，则模型主跨长12m，安装模型后模型在风洞中的空气阻塞度小于3％(一般情况，风洞试验模型在风洞中的空气阻塞度应小于5％)。在试验中，可以利用加速度计或者位移计来测量模型的位移响应。
根据试验结果得出：来流为均匀流时，气弹模型在各种工况下，在试验风速范围内(实桥桥面高度处风速为0～53m/s)，均未发生颤振、驰振、静风失稳等振幅发散的气动失稳现象；来流为紊流时，气弹模型在各种工况下，在试验风速范围内(实桥桥面处风速约为0～36m/s)，均未出现振幅发散的颤振及驰振等气动失稳现象。在试验风速范围内各种试验工况下，模型主梁在横向、竖向及扭转等方向均未发生明显的涡激振动，满足抗风安全要求。
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。
步骤7中对各锚固墩均采用钢筋混凝土重力式锚固墩，由C30混凝土浇筑而成，内设钢筋骨架和锚固系统；各锚固墩的设计同时满足以下条件：
在相应索系拉力的水平分力作用下，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，水平抗风索和主索共用一个锚固墩时，考虑水平抗风索拉力和主索拉力。
以360m主跨悬索跨越工程为例，主索锚固墩设置在所述管道悬索跨越桥面的两端，南岸考虑水平抗风索和主索共用一个锚固墩。北岸水平抗风索和主索不共用锚固墩，且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。南岸主索和水平抗风索共用锚固墩尺寸18x10x21m，基础下部采用片石混凝土换填至基岩面；北岸主索锚固墩尺寸18x15x10m，水平抗风索锚固墩基础尺寸8x8x5m，共轭索锚固墩尺寸6x6x4m。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

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(1)、共轭索(3)、主索吊索、风拉索(2)和共轭索拉索(4)均由若干根钢丝组成，并在所述主索(11)、水平抗风索(1)、共轭索(3)、主索吊索、风拉索(2)和共轭索拉索(4)的两端分别设置有锚头，所述主索(11)、水平抗风索(1)和共轭索(3)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。
5.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5中，所述风索转向支架(5)以桥墩(13)为中心对称布置，且垂直于所述管道悬索跨越桥面(15)的纵向设置，所述风索转向支架(5)的两端均设置有耳板结构，所述水平抗风索(1)穿过所述耳板结构，用于实现的水平抗风索(1)的转向。
6.根据权利要求5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，所述风索转向支架(5)包括上弦杆(20)、下弦杆(16)和腹杆(17)，所述上弦杆(20)和下弦杆(16)均通过锚板(18)和锚固钢筋(19)对称锚固在桥墩(13)的两侧，每一侧的上弦杆(20)、下弦杆(16)和桥墩(13)均组成直角三角形状，每一侧的上弦杆(20)和下弦杆(16)之间还均交叉布置有若干个腹杆(17)，其中所述上弦杆(20)垂直于管道悬索跨越桥面(15)的纵向设置，所述上弦杆(20)远离桥墩(13)的一端固定有所述耳板结构。
7.根据权利要求6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，所述耳板结构包括耳板(23)，所述耳板(23)上设有供水平抗风索(1)穿过的孔，所述耳板(23)通过连接板(25)连接所述上弦杆(20)；所述耳板(23)上还设有若干个耳板加强肋板(24)，所述耳板(23)和上弦杆(20)之间还设有连接加强肋板(26)，所述耳板加强肋板(24)和连接加强肋板(26)均垂直于所述连接板(25)。
8.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，
主索锚固墩设置在所述管道悬索跨越桥面(15)的两端；两条主索(11)分别设有相应的主索背索(10)，所述主索背索(10)锚固在所述主索锚固墩上；
在所述水平抗风索(1)和主索(11)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(6)，用于锚固水平抗风索(1)；
所述管道悬索跨越桥面(15)的底部两端分别设有共轭索锚固墩(7)，用于锚固共轭索(3)。
9.根据权利要求8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。
10.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，由于重力作用，所述水平抗风索(1)与水平面夹角范围在0.3°～1.5°之间。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111089715A (zh) * 2020-01-10 2020-05-01 河海大学 一种桥梁拉索索力检测装置及检测方法
CN112035926A (zh) * 2020-08-31 2020-12-04 中国石油天然气集团有限公司 基于节线法的大跨径悬索管道桥成桥风索线形计算方法
CN112395797A (zh) * 2020-11-27 2021-02-23 四川石油天然气建设工程有限责任公司 油气管悬索跨越仿真分析方法
CN113389131A (zh) * 2021-07-26 2021-09-14 刘顺民 一种三索桥

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090058069A (ko) * 2007-12-04 2009-06-09 한양대학교 산학협력단 케이블 지지 교량
CN103526688A (zh) * 2013-10-21 2014-01-22 中国石油化工股份有限公司 一种管道桥悬吊系统
CN104818665A (zh) * 2015-04-27 2015-08-05 中国石油天然气管道工程有限公司 一种用于大跨度悬索管道桥的抗风方法
CN105002823A (zh) * 2015-06-09 2015-10-28 吉林省银河水利水电新技术设计有限公司 一种采用阻尼缆抗轻型大跨度桥面风振的方法
CN105319048A (zh) * 2015-11-24 2016-02-10 中国石油天然气管道工程有限公司 一种在风洞试验中模拟悬索管道桥抗风特性的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090058069A (ko) * 2007-12-04 2009-06-09 한양대학교 산학협력단 케이블 지지 교량
CN103526688A (zh) * 2013-10-21 2014-01-22 中国石油化工股份有限公司 一种管道桥悬吊系统
CN104818665A (zh) * 2015-04-27 2015-08-05 中国石油天然气管道工程有限公司 一种用于大跨度悬索管道桥的抗风方法
CN105002823A (zh) * 2015-06-09 2015-10-28 吉林省银河水利水电新技术设计有限公司 一种采用阻尼缆抗轻型大跨度桥面风振的方法
CN105319048A (zh) * 2015-11-24 2016-02-10 中国石油天然气管道工程有限公司 一种在风洞试验中模拟悬索管道桥抗风特性的方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111089715A (zh) * 2020-01-10 2020-05-01 河海大学 一种桥梁拉索索力检测装置及检测方法
CN111089715B (zh) * 2020-01-10 2022-07-15 河海大学 一种桥梁拉索索力检测装置及检测方法
CN112035926A (zh) * 2020-08-31 2020-12-04 中国石油天然气集团有限公司 基于节线法的大跨径悬索管道桥成桥风索线形计算方法
CN112395797A (zh) * 2020-11-27 2021-02-23 四川石油天然气建设工程有限责任公司 油气管悬索跨越仿真分析方法
CN112395797B (zh) * 2020-11-27 2023-03-10 四川石油天然气建设工程有限责任公司 油气管悬索跨越仿真分析方法
CN113389131A (zh) * 2021-07-26 2021-09-14 刘顺民 一种三索桥

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