桁架跨越結構的動力學響應

王曉陽　劉杏培

摘 ?要

為解決桁架跨越結構在抵御洪水和地震災害時的強度問題，本文采用有限元分析軟件Ansys，結合理論計算，分析了在洪水載荷下桁架跨越結構的應力及變形。在此基礎上，本文針對不同級別的地震，分析了桁架跨越結構固有頻率及應力分布情況。采用本文所述方法，可以在桁架跨越設計階段，對桁架跨越結構的抵御自然災害的能力做出初步判斷。

關鍵詞

桁架跨越;有限元方法;自然災害

中圖分類號： G633.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.73

桁架跨越架設的目的是方便石油、天然氣的運輸，在這種簡易的鋼架橋上鋪設輸運管道[1]。因此，跨越結構必須能夠適應各種惡劣的氣候，包括狂風、暴雨、急流等。本文主要考慮急流對桁架跨越結構力學性能的影響，分析了跨越結構抵抗流體載荷的能力，以期為工程設計和計算提供依據。針對桁架跨越在流體載荷下的強度以及剛度問題，采用有限元分析方法，分析了力學響應以及模態響應[2]。

桁架跨越結構需要適應各種地形[3]，同時，由于我國很多地區曾發生地震，為盡量避免因地震而導致的破壞，需要分析桁架跨越結構的抗震能力。本文從桁架跨越結構的模態、加速度下的應力與應變兩個角度分析了地震載荷對結構的影響。

1 水流沖擊參數計算

桁架跨越結構采用標準型鋼，彈性模量為210GPa，泊松比為0.28，水流沖擊力計算公式為：

其中，ρ為流體的密度，S為垂直于流速方向的固體壁面面積，v為流體的流速。

在此，選取流體密度為1000kg/m3，洪水流速為6m/s，正對流速方向的桁架跨越結構壁面由型鋼組成，總長度為319.5m，不同橫截面形狀的型鋼，只要型號編號一致，寬度均相同，在此取10號型鋼，寬度均為0.1m，固體壁面面積為31.95m2。

因此，總壓力為1150200N，表面壓強為36000Pa。

2 水流沖擊有限元分析

洪水沖擊力作用下，此桁架跨越結構迎水面較小，可以較好地疏導水流，其mises應力僅為125MPa，普通型鋼可以滿足強度要求。最大變形量為36.5mm，對于總跨度為65m的跨越結構而言，此變形量在許可范圍內。

3 地震載荷響應分析

桁架跨越結構密度為7800kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.28，七級地震峰值加速度為0.125g，八級地震峰值加速度為0.25g，九級地震峰值加速度為0.5g，十級地震峰值加速度為1g。

地震載荷作用下，一階振型固有頻率為1.8Hz，二階振型固有頻率為2.2Hz，三階陣型固有頻率為4.6Hz，四階陣型固有頻率為5.4Hz，五階振型固有頻率為6.1Hz。其應力分布如圖4—圖6所示。

各階固有頻率地給出，并結合施工地區地震史，可以由此分析由于共振造成的破壞可能性大小，進而對整體結構進行改進。在九級以下地震時，mises應力數值較低，桁架結構并不會發生破壞;當發生十級地震時，mises應力數值已經超過了桁架結構的屈服極限，會發生嚴重破壞事故。

4 結論

1）本文基于現代數值計算方法，合理選取計算參數，從而得到了桁架跨越結構在自然災害下的強度結論，為桁架結構設計提供了力學參考依據。

2）本文所得各階振型固有頻率與是否發生破壞緊密相關，該參數只與結構有關，與地震頻率對比，從而指導桁架跨越結構的設計。

參考文獻

[1]陳文國，程夢鵬.忠武輸氣管道跨越工程設計特點[J].油氣儲運，2005，24（7）：21-23.

[2]詹勝文，劉曉峰，程夢鵬，楊紅軍，宋文.忠武輸氣管道桁架梁式跨越設計的改進[J].油氣儲運，2005，24（4）：32-34.

[3]鄧漢忠，尤壯，李國權，鄔亞珠.長輸管道工程鋼管桁架跨越施工方法[J].油氣田地面工程，2006，25（12）：40-41.