CN112524334B - 油气管道大型索式跨越的施工方法及其塔架动态稳定工艺 - Google Patents

油气管道大型索式跨越的施工方法及其塔架动态稳定工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种油气管道大型索式跨越的施工方法及其塔架动态稳定工艺,所述方法包括:将下端带有上铰座的塔架吊起,并将上铰座与设置在塔架基础上的下铰座铰接连接,将主动封闭器支撑设置在上、下铰座之间,并通过被动牵引张紧系统将塔架的身部与地面连接;安装跨越施工用施工索道系统和主索系,在安装过程中,分别将动态荷载计算结果与实时采集的塔架状态进行对比分析,并根据分析结果,调整主动封闭器和被动牵引张紧系统。本发明能够有效确保塔架始终处于安全可靠姿态的同时,又能保障塔架基础不受破坏,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;能够使油气管道大型跨越摇摆塔架自身稳定安全与跨越基础等结构安全均得到保障。

Description

油气管道大型索式跨越的施工方法及其塔架动态稳定工艺
技术领域
本发明涉及油气管道大型跨越的安装施工技术,具体来讲,涉及一种油气管道大型跨越的摇摆塔架的动态稳定工艺,以及一种油气管道大型索式跨越的施工方法。
背景技术
一般而言,油气管道跨越是一种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、索系结构等构成。其中主要荷载承载的塔架多采用铰支的形式,该种结构有利于跨越在受到地震、强风等外部荷载时,全跨越处于一种柔性状态,有利于避免油气管道受到局部刚性受力而破坏。
然而,鉴于油气管道跨越与普通桥梁跨越相比存在诸多特点,因此,油气管道跨越的施工安装具有其自身特点。
发明内容
发明人经过研究发现:油气管道跨越中的摇摆塔架结构在整个施工过程中会经过多个不同的荷载工况,例如,根据跨越缆索及安装工序的不同,其需要处于固接、半固接、自由等多个状态,这与设计最终成桥的铰接状况不同。
此外,发明人还发现:现有塔架安装,均未对塔架施工过程中各工况进行分析,无法识别施工不同阶段塔架的真实工况,也无法采取有效的应对措施,因此多采用简单的焊接钢结构件固接塔架底部铰座或多束缆风绳固定拉力牵引的方式稳塔,塔基部可能由于采用的稳固措施与实际工况不匹配,因过约束造成塔架根部局部失稳引起铰接装置破坏或欠约束造成塔架稳定系统约束不足引起全跨系统失稳。
也就是说,现有技术没有考虑到其在施工过程中实际处于多种状况转换,更没有考虑到后续施工索系架设、工程索系架设方式不同带来的全跨工况差异,可能造成稳塔措施不足塔架倒塌或局部加固过度对基础混凝土结构造成永久性结构损伤,均是重大工程事故隐患;过去在多个类似跨越结构施工过程中均出现过。因此,根据铰支塔悬索跨越施工过程中的不同特点,实时识别摇摆塔架施工过程状态,同时采用动态稳固措施是行业内急待解决的问题,因此采用动态稳定工艺可以很好的为此提供一个有效的解决途径。
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,本发明的另一目的在于解决摇摆塔架跨越在跨越施工过程中因不同工况状态转换,塔架荷载状况不明确等问题,以及因此可能带来全跨施工过程安全风险的问题。
为了实现上述目的,本发明的一方面提供了一种油气管道大型跨越摇摆塔架的动态稳定工艺,所述工艺包括以下步骤: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紧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;安装跨越施工用施工索道系统,在所述安装施工索道系统的过程中,利用油气管悬索跨越仿真分析模型得到塔架偏移位置及上、下铰座应力值的计算值,并将所述计算值与实际采集到的塔架偏移位置及上、下铰座应力值进行比较,提取差值后再代入油气管悬索跨越仿真分析模型进行闭合计算,以得出需要调整的塔架位移,并根据闭合计算结果将主动封闭器调整为第二状态,同时调整被动牵引张紧系统进行同步张拉,所述第二状态指主动封闭器位于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具有预定的自由度;安装主索系,在所述安装主索系过程中,利用油气管悬索跨越仿真分析模型得到塔架位移值、上、下铰座应力值、以及被动牵引张紧系统各组张力的计算值,并将所述计算值与实际采集到的塔架位移值、上、下铰座应力值、以及被动牵引张紧系统各组张力进行比较,提取差值后再代入油气管悬索跨越仿真分析模型进行计算,根据该计算结果提取被动牵引系统各组张拉力分别进行张放处理,且在张放处理前拆除所述主动封闭器,以达到所述塔架能够通过塔架底部的所述铰接连接、被动牵引系统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,所述油气管悬索跨越仿真分析模型通过以下步骤构建得到:S1、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;S2、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。进一步地,油气管悬索跨越仿真分析模型的构建步骤还包括:S3、针对实际施工过程的不同阶段,进行荷载工况分析,然后对修正后的悬索跨越模型施加外荷载,进行悬索跨越结构各施工阶段的仿真模拟计算,并对计算结果进行收敛性检查;S4、若仿真模拟计算不能收敛,则对修正后的悬索跨越模型的模型结构和模型参数进行修正,直至符合计算收敛要求。
在本发明的一个示例性实施例中,所述预设索系的索形计算可包括如下步骤: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;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;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。这里,所述悬链线模型的计算方程可如式(1)所示为
Figure BDA0002802569600000031
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
Figure BDA0002802569600000032
β为第二系数,且
Figure BDA0002802569600000033
在本发明的一个示例性实施例中,所述塔架、跨越承重梁、以及管道的单元类型可为BEAM188单元,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。这里,所述LINK10单元对应的实常数可为索的截面面积和初始应变,索的初始应变可通过式(2)计算,所述式(2)为ε=F/(EA),式中ε为索的初始应变,F为初始内力值,E为索的弹性模量,A为索的截面面积。
在本发明的一个示例性实施例中,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,所述索系的边跨主索可采用完全约束,所述索系的风索可采用完全约束,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。
在本发明的一个示例性实施例中,所述单索找形找力的步骤可包括:进行预设索系的索形计算;对预设索系设置一个初始应变;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;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,所述悬索跨越结构找形找力的步骤可包括: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;对跨越承重梁模型加载z方向的重力加速度;对真实状态下的悬索跨越模型进行仿真非线性分析;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。
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,所述主动封闭器可由一组或两组以上的可调节支撑组件构成,所述可调节支撑组件可包括能够与所述上铰座接触的上支撑板、能够与所述下铰座接触的下支撑板、以及连接上、下支撑板并伸缩调节的连杆。
在本发明的一个示例性实施例中,所述被动牵引张紧系统可包括三组以上的绳索和地锚,所述绳索可调节地将所述塔架的身部与地锚连接。
本发明的另一方面提供了一种油气管道大型索式跨越的施工方法,所述施工方法采用如上所述的动态稳定工艺来实现对油气管道大型跨越摇摆塔架的施工安装。
与现有技术相比,本发明的有益效果包括以下内容中的一项或多项:
1、能够有效解决油气管道大型跨越摇摆塔架在施工过程中不同阶段的结构力学安全问题;
2、能够有效确保塔架始终处于安全可靠姿态的同时,又能保障塔架基础不受破坏,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;
3、能够使油气管道大型跨越摇摆塔架自身稳定安全与跨越基础等结构安全均得到保障。
附图说明
图1示出了本发明的油气管道大型索式跨越的施工方法的一个示例性实施例的索式跨越的结构示意图;
图2示出了根据本发明的油气管道大型索式跨越的施工方法的一个示例性实施例施工完成并拆除主动封闭器和被动牵引张紧系统后的索式跨越的结构示意图;
图3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;
图4示出了本发明的一个示例性实施例的单索找形找力的流程图;
图5示出了本发明的一个示例性实施例的主索索形图。
附图标记说明如下:
1-主索系、2-塔架、3-主索锚固墩、4-塔架基础、5-被动牵引张紧系统、以及6-主动封闭器。
具体实施方式
在下文中,将结合示例性实施例来详细说明本发明的油气管道大型索式跨越的施工方法及其塔架动态稳定工艺。在本发明中,塔架通常非常巨大,例如,塔架的高度可以为30~50米,甚至更高;并且塔架的重量可以为30~ 60吨,甚至更重。
本发明油气管道大型索式跨越的施工方法及其塔架动态稳定工艺适合于油气田油气管道地面建设中的大型长输管道跨越。对于采用柔性结构摇摆塔架的跨越,由于在跨越全施工过程中,塔架的结构工况频繁转化,且与成跨越时的力学及位置均有较大差异,本发明的方法和工艺可有效解决跨越施工过程中不断变化的塔架根部边界条件,确保大型管道跨越施工过程中摇摆塔架结构的各工况力学状态良好,最终达到设计要求。
图1示出了本发明的油气管道大型索式跨越的施工方法的一个示例性实施例的索式跨越的结构示意图。图2示出了根据本发明的油气管道大型索式跨越的施工方法的一个示例性实施例施工完成并拆除主动封闭器和被动牵引张紧系统后的索式跨越的结构示意图。
在本发明的一个示例性实施例中,如图1所示,油气管道大型跨越摇摆塔架的动态稳定工艺由以下步骤实现:
(i)塔架的吊装及固定
具体来讲,将下端部带有上铰座的塔架2(也可称为跨越摇摆塔架)吊起,并将所述上铰座与设置在塔架基础4顶部的下铰座铰接连接;随后,将主动封闭器6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紧系统5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。也就是说,此时通过主动封闭器与被动牵引张紧系统能够完全将塔架固定在塔架基础上。
这里,主动封闭器可以由两组分别设置在铰接连接处两侧的可调节支撑组件构成。所述可调节支撑组件由能够与所述上铰座接触的上支撑板、能够与所述下铰座接触的下支撑板、以及连接上支撑板与下支撑板并可伸缩调节的一个或两个以上连杆构成。然而,本发明不限于此。例如,主动封闭器也可以由多个可调节支撑件构成,或者可以为一个一体化成型且能够安装于铰接连接处两侧的可调节支撑件。通过人工或机械调整可伸缩连杆,能够实现使主动封闭器处于第一状态、第二状态或完全拆卸状态。
被动牵引张紧系统包括三组以上彼此配对的绳索和地锚。例如,被动牵引张紧系统也可以为四组彼此配对的绳索和地锚。这里,绳索被设置为可调节地将所述塔架的身部与地锚连接,从而实现可调节地张紧、张拉或放张。
(ii)以动态稳定方式安装跨越施工用施工索道系统
具体来讲,在安装施工索道系统的过程中,利用油气管悬索跨越仿真分析模型得到塔架偏移位置及上、下铰座应力值的计算值,并将所述计算值与实际采集到的塔架偏移位置及上、下铰座应力值进行比较,提取差值后再代入油气管悬索跨越仿真分析模型进行闭合计算,以得出需要调整的塔架位移,并根据闭合计算结果将主动封闭器调整为第二状态,同时调整被动牵引张紧系统进行同步张拉,所述第二状态指主动封闭器位于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具有预定的自由度。
张拉的目的是,随着跨越索系的逐渐安装,跨中受力不断增大,因此塔架受力也随之增大,此时主动封闭器会随着塔架受力增加而受到更多的外荷载,因此需要增加被动牵引张紧系统来平衡塔架受力,通过几组被动牵引系统的同时调节张拉来达到塔架受力平衡的目的,同步调节时,需要根据计算荷载分别对不同组的被动牵引系统给予差异的调节,以通过不同方向上的受力牵引来达到塔架受力平衡目的。
(iii)以动态稳定方式安装主索系
具体来讲,在安装主索系1(也可称为跨越主缆)过程中,利用油气管悬索跨越仿真分析模型得到塔架位移值、上、下铰座应力值、以及被动牵引张紧系统各组张力的计算值,并将所述计算值与实际采集到的塔架位移值、上、下铰座应力值、以及被动牵引张紧系统各组张力进行比较,提取差值后再代入油气管悬索跨越仿真分析模型进行计算,根据该计算结果提取被动牵引系统各组张拉力分别进行张放处理,且在张放处理前拆除所述主动封闭器,以达到所述塔架能够通过塔架底部的所述铰接连接、被动牵引系统以及塔架顶部与主索的连接而实现平衡。主索锚固墩3用于配合主索系1的安装。
逐步张放处理是在完全拆除封闭器之后,放张需要根据跨中主索的不断安装后,整个跨越此时的受力状态进行采集,采集数据进行计算分析后,开始逐步放张被动牵引系统,此时整个跨越受力逐渐由已经安装完成的主索系平衡。也就是,因为主索系的逐渐安装,两岸塔架逐渐合为一个受力体系,原来需要分别平衡其位移及铰座受力的主动与被动系统均逐步退出对塔架的稳固,首先是主动封闭器先退出,然后是被动牵引系统牵引力的逐渐减小,到最后完全退出。施工完成并拆除主动封闭器和被动牵引张紧系统后的索式跨越的结构如图2所示。
如上述的示例性实施例所示,本发明的工艺和方法通过状态可调的主动封闭器、可调节的被动牵引张紧系统以及动态稳塔荷载计算方式的有机配合,能够有效掌握和调控油气管道大型跨越摇摆塔架各个阶段的受力状态和趋势,从而实现了对油气管道大型跨越摇摆塔架进行动态稳固并提高了安装质量。
在本发明的另一个示例性实施例中,油气管道大型跨越摇摆塔架的动态稳定工艺可根据悬索跨越塔架吊装、施工索道系统安装、主索系安装的工序及工艺特点,采用动态荷载计算方式对管道跨越塔架各典型阶段主要工况进行计算,明确塔架吊装完毕后、施工索系安装后、主索安装后等各关键阶段塔架所受荷载,来实现动态稳定安装。这里,管道跨越摇摆塔架塔高37.5米,塔重40吨,塔架采用铰支结构。
在塔架吊装完成后,安装状态可调的主动封闭器及被动牵引张紧系统,实现对摇摆塔架进行全面固接。其中,主动封闭器安装于塔架下部铰座位置,通过处于第一状态的主动封闭器的支撑作用,使塔架铰座的铰暂时失效,实现主动固接;被动牵引张紧系统由多束可调钢丝绳系统及地锚系统构成,一段捆绑于塔架上连接点,另一端采用可调装置连接于对应地锚上,通过可调张紧装置张拉钢丝绳,实现对塔架的被动固接。
安装跨越施工用施工索道系统,根据计算结果及现场塔架状态采集情况进行对比分析后,开始采用动态稳定工艺,即分阶段打开铰支主动封闭器,封闭器呈局部打开状态,被动牵引张紧系统同步进行张拉调整。
安装主索系过程中,根据计算结果及现场塔架状态采集情况进行对比分析后,完全拆除铰支主动封闭器并逐步对被动牵引张紧系统进行放张处理,达到摇摆塔架依靠塔底铰座及塔顶连接主索而实现平衡的目的,最终实现设计状态。
在本发明的有一个示例性实施例中,油气管道大型索式跨越的施工方法采用如上所述的任一示例性实施例中的动态稳定工艺来实现对油气管道大型跨越摇摆塔架的施工安装。
以下将结合示例性实施例和附图来详细说明本发明中的油气管悬索跨越仿真分析模型及其构建方法。这里,“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。“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3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。图4示出了本发明的一个示例性实施例的单索找形找力的流程图。图5示出了本发明的一个示例性实施例的主索索形图。
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模型的构建方法,如图3所示,所示构建方法包括以下步骤:
S1、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。
这里,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。
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。其中,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。索系属于柔性结构,悬索结构以一系列受拉的索作为主要承重构件,这些索按一定规律组成各种不同形式的体系,并悬挂在相应的支撑结构上。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,所述塔架、跨越承重梁、以及管道的单元类型可为BEAM188单元。BEAM188单元是一个2节点的三维线性单元,在每个节点上有6或7个自由度(Ux,Uy,Uz,Rotx,Roty,Rotz或增加 warp),而且允许自定义梁截面。在实际工程(即物理模型)中,塔底部为铰支座,其约束三方向平动自由度Ux、Uy、Uz,约束Ux方向转动自由度,释放ROTy、ROTz两个方向转动自由度。因此,在塔架模型的边界条件施加中,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。在实际工程(即物理模型)中,跨越承重梁的两端为螺栓固定,其约束两方向平动自由度Uy、Uz和三个方向的转动自由度ROTx、ROTy、ROTz,预留长孔,允许在x方向有少许移动。由于长孔允许移动范围相比于跨度来说很小,跨越承重梁的两端与塔基连接部位可简化为固结,因此,在跨越承重梁模型的边界条件施加中,所述跨越承重梁的两端可采用完全约束。在实际工程(即物理模型)中,管道与跨越承重梁之间用抱箍连接,管道距离跨越承重梁有一定距离。因此,在管道模型的边界条件施加中,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,如图4所示,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。
最终确定的主索形态如图5所示。
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。LINK10单元有两个节点,三个自由度(Ux、Uy、Uz)。LINK10单元为直线单元,只能承受节点力,当索中内力较大时,索可以简化为直线计算,但当索中内力较小时,索其实不是直线,此时可以通过划分更密的单元获得更高的精度,通过设置实常数可以设置索的初始内力以及索的截面面积。LINK10单元对应的实常数有两个,分别为索的截面面积(AREA)和初始应变(ISTRAN)。索的初始应变可通过式(2) 计算,所述式(2)为ε=F/(EA),式中ε为索的初始应变,F为初始内力值, E为索的弹性模量,A为索的截面面积。在实际工程(即物理模型)中,边跨主索和风索均为销子连接,他们约束三方向平动自由度Ux、Uy、Uz,约束Ux方向转动自由度,释放ROTy、ROTz两个方向转动自由度。而在LINK10 单元中仅有Ux、Uy、Uz三个方向的平动自由度,因此,在索系模型的边界条件施加中,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。
S2、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。
这里,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。
S3、针对实际施工过程的不同阶段,进行荷载工况分析,然后对修正后的悬索跨越模型施加外荷载,进行悬索跨越结构各施工阶段的仿真模拟计算,并对计算结果进行收敛性检查。
需要说明的是,模型预处理是保证建模正确性和结果收敛性的重要环节,悬索跨越各施工阶段的仿真计算的建模过程均要基于悬索跨越结构搭建完毕状态,主要包括索形计算、单元选取、材料参数确定、边界条件施加、荷载工况分析和跨越悬索结构整体找形找力分析。悬索结构在索找形找力结束后,才能施加外部荷载,进行下一步分析。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。例如,可悬索结构在索找形找力完成后,根据设计图纸,采用动态稳定方式进行施工用索道系统、主索系安装,采用仿真分析对跨越结构建模,从而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。又例如,可根据总体跨越承重梁吊装过程中的受力状态,对塔架建立主动及被动稳定措施,其中,主动稳定措施采用塔架铰支座约束状态修改进行计算,被动稳定措施采用有限元单元建模进入全跨模型整体仿真分析。
S4、若仿真模拟计算不能收敛,则对修正后的悬索跨越模型的模型结构和模型参数进行多次修正,直至符合计算收敛要求;若仿真模拟计算能够收敛,则根据模拟计算所对应的实际施工情况,对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。模型修正方法是通过修改索系的初应变来仿真初索拉力的修改,从而得到更能接近真实初索拉力的状态,从而提高计算收敛效率。
综上所述,本发明能够有效解决油气管道大型跨越摇摆塔架在施工过程中不同阶段的结构力学安全问题;而且通过在不同阶段实施上述措施,能够有效确保塔架始终处于安全可靠姿态的同时,又能保障塔架基础不受破坏,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 (6)

1.一种油气管道大型跨越摇摆塔架的动态稳定工艺,其特征在于,所述工艺包括以下步骤:
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紧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;
安装跨越施工用施工索道系统,在安装施工索道系统的过程中,利用油气管悬索跨越仿真分析模型得到塔架偏移位置及上、下铰座应力值的计算值,并将所述计算值与实际采集到的塔架偏移位置及上、下铰座应力值进行比较,提取差值后再代入油气管悬索跨越仿真分析模型进行闭合计算,以得出需要调整的塔架位移,并根据闭合计算结果将主动封闭器调整为第二状态,同时调整被动牵引张紧系统进行同步张拉,所述第二状态指主动封闭器位于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具有预定的自由度;
安装主索系,在所述安装主索系过程中,利用油气管悬索跨越仿真分析模型得到塔架位移值、上、下铰座应力值、以及被动牵引张紧系统各组张力的计算值,并将所述计算值与实际采集到的塔架位移值、上、下铰座应力值、以及被动牵引张紧系统各组张力进行比较,提取差值后再代入油气管悬索跨越仿真分析模型进行计算,根据该计算结果提取被动牵引系统各组张拉力分别进行张放处理,且在张放处理前拆除所述主动封闭器,以达到所述塔架能够通过塔架底部的所述铰接连接、被动牵引系统以及塔架顶部与主索的连接而实现平衡。
2.根据权利要求1所述的动态稳定工艺,其特征在于,所述油气管悬索跨越仿真分析模型通过以下步骤构建得到:
S1、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;
S2、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。
3.根据权利要求2所述的动态稳定工艺,其特征在于,所述油气管悬索跨越仿真分析模型的构建步骤还包括:
S3、针对实际施工过程的不同阶段,进行荷载工况分析,然后对修正后的悬索跨越模型施加外荷载,进行悬索跨越结构各施工阶段的仿真模拟计算,并对计算结果进行收敛性检查;
S4、若仿真模拟计算不能收敛,则对修正后的悬索跨越模型的模型结构和模型参数进行修正,直至符合计算收敛要求。
4.根据权利要求1所述的动态稳定工艺,其特征在于,所述主动封闭器由一组或两组以上的可调节支撑组件构成,所述可调节支撑组件包括能够与所述上铰座接触的上支撑板、能够与所述下铰座接触的下支撑板、以及连接上、下支撑板并伸缩调节的连杆。
5.根据权利要求1所述的动态稳定工艺,其特征在于,所述被动牵引张紧系统包括三组以上的绳索和地锚,所述绳索可调节地将所述塔架的身部与地锚连接。
6.一种油气管道大型索式跨越的施工方法,其特征在于,所述方法采用如权利要求1至5中任意一项所述的动态稳定工艺来实现对油气管道大型跨越摇摆塔架的施工安装。
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