長輸管道在跨越鐵路、公路、河流和山谷等障礙物時，常采用空間跨越結構敷設管道。跨越結構是一種應用較廣的特種結構，在管道設計上能夠自成體系，具有其特殊性。隨著我國石油、化工、電力、冶金工業規模的迅速發展，跨越結構也得到廣泛的使用。目前常采用的跨越結構形式包括梁式跨越、桁架式跨越、單管拱(組合拱跨越)、桁架式跨越、懸索、斜拉索及其組合式跨越等，其中懸索、斜拉索兩種結構形式是近年得到較快發展的新技術。管橋在長輸管道當中具有相當重要的地位，一旦發生事故，不僅中斷輸油，影響油田的繼續開采和油廠的原油供應，而且還會嚴重污染環境，造成重大的經濟損失和社會影響，需要對長輸管道進行詳細的有限元分析。
      國內某懸索斜拉索組合跨越式管橋，總長為1045 m，主跨500 m，邊跨分別為320 m和225 m，橋面寬約0.6 m。輸油管道材質為API 5LX(X60)鋼管，規格為457×15.88 mm，設有兩處U形管補償器，最高輸送壓力為4.2 MPa，最高工作溫度為90℃。主跨由對稱布置的17組規格為 25.5～30 mm的斜拉索拉緊，2根規格為 52 mm的主索作為固定塔架使用，橋面鋪設巡檢維修用的人行通道，南北兩岸各設高70 m的橋塔一座，塔架重120 t，為桅桿式鉸接塔架。南塔位于堤內，采用17根規格為 508×12 mm的開口鋼樁。北塔位于江心，采用44根規格為 720×14 mm的開口鋼樁。基礎為鋼筋混凝土高樁承臺，承臺上部為高7 m的墩身。管橋兩端各設一座錨固墩室。管橋設計輸量為1×104t/d，目前輸量為2 500 t/d左右。該管橋于1984年建成投入使用，已經使用20多年。
      懸索與斜拉索組合式管橋與普通管橋相比，具有的跨度大、柔性大和管橋結構的不對稱性的特點增加了管橋分析的難度。
      根據管橋的實際結構特點，建立懸索斜拉索組合式管橋的有限元模型管橋空間有限元模型。管橋塔架、管道及“牛腿”(管道吊耳)采用三維梁單元BEAM188離散，主索和斜拉索主要承受拉伸載荷，在建模時，采用單壓或單拉的桿單元LINK10。桿單元與梁單元的連接處用梁單元的自然節點。在索與塔的連接點處的滑動采用接觸單元CONTAC52模擬。根據管橋的實際固定方式，對有限元模型施加約束。管道及主索的兩端采用固定端約束，塔架的底部用鉸鏈約束，膨脹節處約束三個轉動自由度。管橋的有限元分析采用ANSYS通用有限元軟件，通過界面操作與編制命令流文件相結合的方式建立有限元模型，完成有限元分析計算。
      管橋主要由管道、斜拉及懸索和橋塔三大部分組成。管道材質為X60鋼，斜拉索及懸索為高強度鋼絞線，而塔架為結構鋼。模型中各部分材料參數的初始值見表。
      恒載是管橋主要的受力方式。這里的恒載主要包括管道的自重、所輸的油重和巡檢修通道的自重。此管橋是專門為走管道而架設的，因此不考慮車載或人載之類的活載存在。在有限元計算中，為簡化模型，將所輸的油重和檢修通道的自重等效到管道的自重中作為均布載荷處理。
      非線性是指荷載條件下的力與位移之間的關系呈現非線性的特征，包括幾何非線性和物理(材料)非線性。懸索斜拉索組合式管橋的幾何非線性主要表現在拉索的幾何非線性，橋塔和主梁中的軸向力與彎矩相互作用效應，結構大位移效應。ANSYS程序中的初應力效應、大變形效應和應力剛化效應，可以很好地處理管橋的非線性行為。

                                                                                  專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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