CN112395797B - 油气管悬索跨越仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了油气管悬索跨越仿真分析方法，包括以下步骤：搭建油气管悬索跨越仿真分析模型；针对实际施工过程的不同阶段，进行荷载工况分析，利用分析结果对油气管悬索跨越仿真分析模型施加外荷载，进行悬索跨越结构各施工阶段的仿真模拟计算；综合考虑悬索跨越结构施工过程中的各影响因素，对悬索跨越结构各施工阶段的仿真模拟计算结果进行静力分析和/或模态分析和/或动力分析，获取悬索跨越结构的各构件的位移变化和应力变化；将仿真计算结果形成动态稳塔荷载计算技术，以指导悬索跨越结构施工过程中各构件进行动态调整，生成施工方案。本发明能够分析实际施工中悬索跨越结构存在的非线性行为，对悬索跨越结构的施工设计提供参考。

Description

油气管悬索跨越仿真分析方法

技术领域

本发明涉及油气管道大型跨越仿真模型的分析方法，具体来讲，涉及一种油气管悬索跨越仿真分析方法。

背景技术

一般而言，油气管道跨越是一种采用类似桥梁结构的方式承载油气管道通过峡谷、河流等地域的工程结构。通常，油气管道跨越有悬索式、斜拉索式、桁架等主要结构形式，其中悬索式和斜拉索式是国内外应用最多的油气管道跨越结构形式。这两种结构主要由下部结构(基础及锚固结构)、塔架、索系、桥面结构等构成。

发明人经研究发现：油气管道悬索跨越结构在整个施工过程中会经过不同的荷载工况，存在明显的非线性行为和较为复杂的刚性受力变化。例如，悬索跨越结构属于大跨度、低阻尼、超柔性体系，变形特征为大位移、小应变，是典型的几何非线性结构。悬索跨越结构主要材料为钢索、型钢，钢材为典型的非线性材料，钢索是只能够承受拉力作用的典型柔性材料，整体结构主要节点都采用的销接链接，侧向刚度小，是典型的柔性结构。在实际施工和运行过程中，存在材料非线性和几何非线性，缆索在施工过程中由松弛状态到紧绷状态的状态改变，以及可能发生的一些振动，结构也会存在状态非线性行为。

此外，发明人还发现：现有悬索跨越结构安装，均不能有效掌控悬索跨越结构各个阶段的受力状态，无法实现对悬索跨越结构施工过程中各工况进行分析，也不能及时采取有效手段和措施合理应对悬索跨越结构各阶段的受力趋势。

因此，有必要发明一种油气管悬索跨越仿真分析方法，能够分析实际施工中悬索跨越结构存在的非线性行为，对悬索跨越结构的施工设计提供参考。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够分析实际施工中悬索跨越结构存在的非线性行为的油气管悬索跨越仿真分析方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种油气管悬索跨越仿真分析方法，所述仿真分析方法包括以下步骤：S1、搭建油气管悬索跨越仿真分析模型，所述仿真分析模型的搭建步骤包括：基于塔架、跨越承重梁以及管道的结构特点，分别对应建立塔架模型、跨越承重梁模型和管道模型，然后在悬索跨越结构搭建完毕状态且主索系未受外力的前提下，进行预设索系的索形计算，针对每条索进行单索找形找力，反推施工完成后索系的真实索形，从而建立索系模型，将塔架模型、跨越承重梁模型、管道模型、以及索系模型耦合，得到初步建立的悬索跨越模型，最后根据索系的真实索形，针对塔架、跨越承重梁和管道进行悬索跨越结构找形找力，反推悬索跨越结构搭建完毕后的结构状态，得到修正后的悬索跨越模型；S2、针对实际施工过程的不同阶段，进行荷载工况分析，利用分析结果对油气管悬索跨越仿真分析模型施加外荷载，进行悬索跨越结构各施工阶段的仿真模拟计算；S3、综合考虑悬索跨越结构施工过程中的各影响因素，对悬索跨越结构各施工阶段的仿真模拟计算结果进行静力分析和/或模态分析和/或动力分析，获取悬索跨越结构的各构件的位移变化和应力变化；S4、将仿真计算结果形成动态稳塔荷载计算技术，以指导悬索跨越结构施工过程中各构件进行动态调整，生成施工方案。

在本发明的一个示例性实施例中，所述实际施工过程的不同阶段可包括塔架吊装完毕后、安装跨越施工用施工索道系统、安装主索系。

在本发明的一个示例性实施例中，可在所述塔架吊装完毕后的施工阶段的仿真模拟计算中，对塔架建立主动及被动稳定措施，所述主动稳定措施是指修改塔架铰支座约束状态，所述被动稳定措施是指对被动牵引张紧系统采用有限元单元建模，并与所述悬索跨越模型耦合，形成全跨系统模型。

在本发明的一个示例性实施例中，所述塔架吊装完毕后的施工阶段的仿真模拟计算结果对应形成的施工方案可以是指，将下端带有上铰座的塔架吊起，并将所述上铰座与设置在塔架基础上的下铰座铰接连接，将主动封闭器以第一状态设置在所述上铰座与所述下铰座之间，同时通过可调节的被动牵引张进系统将所述塔架的身部与地面连接，所述第一状态指主动封闭器能够固定支撑在所述上铰座与下铰座之间，并使上铰座与下铰座的铰接连接暂时失效。

在本发明的一个示例性实施例中，可在所述安装跨越施工用施工索道系统的施工阶段的仿真模拟计算中，采用动态稳定方式进行施工用索道系统安装，所述动态稳定方式是指动态调整塔架铰支座和被动牵引张紧系统的约束状态。

在本发明的一个示例性实施例中，所述安装跨越施工用施工索道系统的施工阶段的仿真模拟计算结果对应形成的施工方案可以是指，将主动封闭器调整为第二状态，并调整被动牵引张进系统进行同步张拉，所述第二状态指主动封闭器位于上铰座与下铰座之间，并使上铰座与下铰座的铰接连接具有预定的自由度。

在本发明的一个示例性实施例中，可在所述安装主索系的施工阶段的仿真模拟计算中，采用动态稳定方式进行施工用主索系安装。

在本发明的一个示例性实施例中，所述安装主索系的施工阶段的仿真模拟计算结果对应形成的施工方案可以是指，完全拆除主动封闭器，并逐步对被动牵引张紧系统进行放张处理，以达到塔架能够通过塔架底部的铰接连接以及塔架顶部与主索的连接而实现平衡。

在本发明的一个示例性实施例中，所述悬索跨越结构施工过程中的各影响因素可包括风荷载的影响、局部加固过度的影响、管道自重不均的影响、以及地震影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果和优点包括以下内容中的一项或多项：

(1)能够分析实际施工中悬索跨越结构存在的非线性行为，对悬索跨越结构的施工设计提供参考；

(2)能够为施工过程的稳固措施提供理论依据，以合理应对塔架各阶段的受力趋势，彻底实现油气管道大型跨越摇摆塔架施工过程的风险可控。

附图说明

图1示出了本发明的一个示例性实施例的油气管悬索跨越仿真分析模型的技术路线图。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例和附图来详细说明本发明的油气管悬索跨越仿真分析方法。本文中，“第一”和“第二”仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性或具有严格的顺序性。

本发明所说的“x方向”、“y方向”、以及“z方向”是相对于悬索跨越结构而言的方位，具体是指边跨西岸朝向边跨东岸的方向为y轴正方向，跨越承重梁南面朝向跨越承重梁北面的方向为x轴正方向，跨越承重梁竖直向上方向为z轴正方向。

图1示出了本发明的一个示例性实施例的油气管悬索跨越仿真分析模型的技术路线图。

在本发明的一个示例性实施例中，本发明提供了一种油气管悬索跨越仿真分析方法，所述仿真分析方法包括以下步骤：

S1、搭建油气管悬索跨越仿真分析模型。

如图1所示，所述仿真分析模型的搭建步骤包括：

(i)基于塔架、跨越承重梁以及管道的结构特点，分别对应建立塔架模型、跨越承重梁模型和管道模型。

(ii)在悬索跨越结构搭建完毕状态且主索系未受外力的前提下，进行预设索系的索形计算，针对每条索进行单索找形找力，反推施工完成后索系的真实索形，从而建立索系模型。

(iii)将塔架模型、跨越承重梁模型、管道模型、以及索系模型耦合，得到初步建立的悬索跨越模型。

(iiii)最后根据索系的真实索形，针对塔架、跨越承重梁和管道进行悬索跨越结构找形找力，反推悬索跨越结构搭建完毕后的结构状态，得到修正后的悬索跨越模型。

具体来讲，悬索跨越结构包括塔架、跨越承重梁、管道和索系四个构件，所述悬索跨越结构的有限元数学模型为塔架模型、跨越承重梁模型、管道模型、以及索系模型耦合而成的数学模型。

在步骤(i)中，塔架、跨越承重梁以及管道为刚性结构，可根据自身结构尺寸直接建立塔架几何模型、跨越承重梁几何模型和管道几何模型，然后根据各个构件的材料特性和承载特点，选择各自合适的单元类型、材料参数、以及边界条件，即可对应建立塔架模型、跨越承重梁模型和管道模型。在本发明的一个示例性实施例中，在单元选取中，所述塔架、跨越承重梁、以及管道的单元类型可为BEAM188单元。在边界条件的施加中，所述塔架的塔底部可采用两个节点分别约束平动自由度Ux、Uy、Uz，并靠两个节点之间的刚度约束ROTx；所述跨越承重梁的两端可采用完全约束；所述管道可采用节点耦合的方法，将管道和跨越承重梁对应节点的六个方向的自由度完全耦合。

在步骤(ii)中，索系属于柔性结构，因此，索系几何模型的建立不能直接依据其自身结构尺寸，而应该先预设索系的索形，然后通过单索找形找力在所述预设索系的索形上不断修正，直到反推出施工完成后索系的真实索形，再根据索的材料特性和承载特点，选择各自合适的单元类型、材料参数、以及边界条件，即可建立索系模型。

在本发明的一个示例性实施例中，主索系在未受力的前提下是典型的悬链线，基础模型主索位置的确定可以采用悬链线计算模型。所述悬链线模型的计算方程如式(1)所示为：

式中，l为跨度，m；c为高度差，m；z为高度，m；H为水平力，N；q为沿线均布荷载，N；α为第一系数，且

β为第二系数，且

所述预设索系的索形计算可包括如下步骤：

(1)根据理论公式和基础数据，计算单根中跨主索悬链线坐标，从而计算悬索跨越主索系悬链线座标。

(2)将跨越承重梁荷载作为中跨主索附加密度施加在中跨主索上，得到中跨主索在受到跨越承重梁竖向荷载后的索形。此处将跨越承重梁荷载作为中跨主索附加密度施加在中跨主索上，即增大中跨主索密度，从而水平力增大。

(3)根据中跨主索计算出来的水平力反推塔架处于直立状态下的边跨主索的索形，从而计算两个边跨索系座标。

进行预设索系的索形计算后，需针对每条索进行单索找形找力，反推施工完成后索系的真实索形，所述单索找形找力的步骤可包括：

(1)进行预设索系的索形计算。

(2)对预设索系设置一个初始应变。

(3)对预设索系施加重力加速度进行计算，并将跨中z方向位移值与0进行比较。

(4)若跨中z方向位移值大于0，则增大初始应变值，再次循环对预设索系施加重力加速度进行计算；若跨中z方向位移值小于或等于0，则认为当次循环设置的初始应变值为悬索跨越结构搭建完毕状态下的初始应变值，单索找形找力结束。

在本发明的一个示例性实施例中，在单元选取中，所述索的单元类型可为LINK10单元，且所述索可通过KEYOPT设置为仅受拉单元，以模拟索只能受拉的特性。在边界条件的施加中，所述索系的边跨主索可采用完全约束，所述索系的风索也可采用完全约束。

在步骤(iii)中，初步建立的悬索跨越模型是指采用直接建模的方法初步建立的悬索跨越结构的有限元数学模型。所述有限元数学模型的建立包括以下内容：结构的几何模型的建立、单元类型选取、各个构件的材料参数确定、边界条件施加、以及其他荷载的施加方式及大小。

在步骤(iiii)中，悬索跨越结构找形找力是指在确定了索系的真实索形后，索系的位置和形态与初始预设的索形不一致，这意味着与索系相连接的构件(例如，跨越承重梁和塔架)所受的力也与其初始状态有所不用，为了保证在悬索跨越结构搭建完毕状态下，与索系相连接的构件仍处于直立状态，需查找这些构件所受的应力和产生的应变，并逐一修正。所述悬索跨越结构找形找力可包括以下步骤：

(1)在索系的真实索系基础上，根据等效的跨越承重梁荷载，建立真实状态下的跨越承载梁模型，并与相对应的索系模型连接，还原真实状态下的悬索跨越模型。

(2)对跨越承重梁模型加载z方向的重力加速度。

(3)对真实状态下的悬索跨越模型进行仿真非线性分析。

(4)得到真实状态下的悬索跨越结构的索形及跨越承重梁位移挠度。

这里，修正后的悬索跨越模型即为能够用于仿真模拟计算的油气管悬索跨越仿真分析模型。

S2、针对实际施工过程的不同阶段，进行荷载工况分析，利用分析结果对油气管悬索跨越仿真分析模型施加外荷载，进行悬索跨越结构各施工阶段的仿真模拟计算。

这里，所述实际施工过程的不同阶段可包括塔架吊装完毕后、安装跨越施工用施工索道系统、安装主索系。

在本发明的一个示例性实施例中，可在所述塔架吊装完毕后的施工阶段的仿真模拟计算中，对塔架建立主动及被动稳定措施，所述主动稳定措施是指修改塔架铰支座约束状态，所述被动稳定措施是指对被动牵引张紧系统采用有限元单元建模，并与所述悬索跨越模型耦合，形成全跨系统模型。

在本发明的又一个示例性实施例中，可在所述安装跨越施工用施工索道系统的施工阶段的仿真模拟计算中，采用动态稳定方式进行施工用索道系统安装，所述动态稳定方式是指动态调整塔架铰支座和被动牵引张紧系统的约束状态。采用仿真分析对悬索跨越结构建模，可以计算出每次吊装过程塔架位移值、塔架铰座应力值、被动牵引张紧系统各组张力。

在本发明的又一个示例性实施例中，可在所述安装主索系的施工阶段的仿真模拟计算中，采用动态稳定方式进行施工用主索系安装。采用仿真分析对悬索跨越结构建模，可以计算出每次吊装过程塔架位移值、塔架铰座应力值、被动牵引张紧系统各组张力。

S3、综合考虑悬索跨越结构施工过程中的各影响因素，对悬索跨越结构各施工阶段的仿真模拟计算结果进行静力分析和/或模态分析和/或动力分析，获取悬索跨越结构的各构件的位移变化和应力变化。

这里，所述悬索跨越结构施工过程中的各影响因素可包括风荷载的影响、局部加固过度的影响、管道自重不均的影响、以及地震影响。

S4、将仿真计算结果形成动态稳塔荷载计算技术，以指导悬索跨越结构施工过程中各构件进行动态调整，生成施工方案。

这里，动态稳塔荷载计算技术是指分析仿真计算结果与实际采集数据的差值，再提取差值并代入仿真计算模型进行闭合计算，分析出悬索跨越结构的各构件(例如，塔架)所需要调整的位移和应力。

在本发明的一个示例性实施例中，所述塔架吊装完毕后的施工阶段的仿真模拟计算结果对应形成的施工方案可以是指，将下端带有上铰座的塔架吊起，并将所述上铰座与设置在塔架基础上的下铰座铰接连接，将主动封闭器以第一状态设置在所述上铰座与所述下铰座之间，同时通过可调节的被动牵引张进系统将所述塔架的身部与地面连接，所述第一状态指主动封闭器能够固定支撑在所述上铰座与下铰座之间，并使上铰座与下铰座的铰接连接暂时失效。

所述安装跨越施工用施工索道系统的施工阶段的仿真模拟计算结果对应形成的施工方案可以是指，将主动封闭器调整为第二状态，并调整被动牵引张进系统进行同步张拉，所述第二状态指主动封闭器位于上铰座与下铰座之间，并使上铰座与下铰座的铰接连接具有预定的自由度。

所述安装主索系的施工阶段的仿真模拟计算结果对应形成的施工方案可以是指，完全拆除主动封闭器，并逐步对被动牵引张紧系统进行放张处理，以达到塔架能够通过塔架底部的铰接连接以及塔架顶部与主索的连接而实现平衡。

综上所述，本发明能够分析实际施工中悬索跨越结构存在的非线性行为，对悬索跨越结构的施工设计提供参考；能够为施工过程的稳固措施提供理论依据，以合理应对塔架各阶段的受力趋势，彻底实现油气管道大型跨越摇摆塔架施工过程的风险可控。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (5)

1.一种油气管悬索跨越仿真分析方法，其特征在于，所述仿真分析方法包括以下步骤：

S1、搭建油气管悬索跨越仿真分析模型，所述仿真分析模型的搭建步骤包括：基于塔架、跨越承重梁以及管道的结构特点，分别对应建立塔架模型、跨越承重梁模型和管道模型，然后在悬索跨越结构搭建完毕状态且主索系未受外力的前提下，进行预设索系的索形计算，针对每条索进行单索找形找力，反推施工完成后索系的真实索形，从而建立索系模型，将塔架模型、跨越承重梁模型、管道模型、以及索系模型耦合，得到初步建立的悬索跨越模型，最后根据索系的真实索形，针对塔架、跨越承重梁和管道进行悬索跨越结构找形找力，反推悬索跨越结构搭建完毕后的结构状态，得到修正后的悬索跨越模型；

S2、针对实际施工过程的不同阶段，进行荷载工况分析，利用分析结果对油气管悬索跨越仿真分析模型施加外荷载，进行悬索跨越结构各施工阶段的仿真模拟计算；

所述实际施工过程的不同阶段包括塔架吊装完毕后、安装跨越施工用施工索道系统、安装主索系；

在所述塔架吊装完毕后的施工阶段的仿真模拟计算中，对塔架建立主动及被动稳定措施，主动稳定措施是指修改塔架铰支座约束状态，所述被动稳定措施是指对被动牵引张紧系统采用有限元单元建模，并与所述悬索跨越模型耦合，形成全跨系统模型；

在所述安装跨越施工用施工索道系统的施工阶段的仿真模拟计算中，采用动态稳定方式进行施工用索道系统安装，所述动态稳定方式是指动态调整塔架铰支座和被动牵引张紧系统的约束状态；

在所述安装主索系的施工阶段的仿真模拟计算中，采用动态稳定方式进行施工用主索系安装；

S3、综合考虑悬索跨越结构施工过程中的各影响因素，对悬索跨越结构各施工阶段的仿真模拟计算结果进行静力分析和/或模态分析和/或动力分析，获取悬索跨越结构的各构件的位移变化和应力变化；

S4、将仿真计算结果形成动态稳塔荷载计算技术，以指导悬索跨越结构施工过程中各构件进行动态调整，生成施工方案。

2.根据权利要求1所述的油气管悬索跨越仿真分析方法，其特征在于，所述塔架吊装完毕后的施工阶段的仿真模拟计算结果对应形成的施工方案是指，将下端带有上铰座的塔架吊起，并将所述上铰座与设置在塔架基础上的下铰座铰接连接，将主动封闭器以第一状态设置在所述上铰座与所述下铰座之间，同时通过可调节的被动牵引张进系统将所述塔架的身部与地面连接，所述第一状态指主动封闭器能够固定支撑在所述上铰座与下铰座之间，并使上铰座与下铰座的铰接连接暂时失效。

3.根据权利要求1所述的油气管悬索跨越仿真分析方法，其特征在于，所述安装跨越施工用施工索道系统的施工阶段的仿真模拟计算结果对应形成的施工方案是指，将主动封闭器调整为第二状态，并调整被动牵引张进系统进行同步张拉，所述第二状态指主动封闭器位于上铰座与下铰座之间，并使上铰座与下铰座的铰接连接具有预定的自由度。

4.根据权利要求1所述的油气管悬索跨越仿真分析方法，其特征在于，所述安装主索系的施工阶段的仿真模拟计算结果对应形成的施工方案是指，完全拆除主动封闭器，并逐步对被动牵引张紧系统进行放张处理，以达到塔架能够通过塔架底部的铰接连接以及塔架顶部与主索的连接而实现平衡。

5.根据权利要求1所述的油气管悬索跨越仿真分析方法，其特征在于，所述悬索跨越结构施工过程中的各影响因素包括风荷载的影响、局部加固过度的影响、管道自重不均的影响、以及地震影响。

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