王晓阳 刘杏培
摘 要
为解决桁架跨越结构在抵御洪水和地震灾害时的强度问题，本文采用有限元分析软件Ansys，结合理论计算，分析了在洪水载荷下桁架跨越结构的应力及变形。在此基础上，本文针对不同级别的地震，分析了桁架跨越结构固有频率及应力分布情况。采用本文所述方法，可以在桁架跨越设计阶段，对桁架跨越结构的抵御自然灾害的能力做出初步判断。
关键词
桁架跨越;有限元方法;自然灾害
中图分类号： G633.6 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.73
桁架跨越架设的目的是方便石油、天然气的运输，在这种简易的钢架桥上铺设输运管道[1]。因此，跨越结构必须能够适应各种恶劣的气候，包括狂风、暴雨、急流等。本文主要考虑急流对桁架跨越结构力学性能的影响，分析了跨越结构抵抗流体载荷的能力，以期为工程设计和计算提供依据。针对桁架跨越在流体载荷下的强度以及刚度问题，采用有限元分析方法，分析了力学响应以及模态响应[2]。
桁架跨越结构需要适应各种地形[3]，同时，由于我国很多地区曾发生地震，为尽量避免因地震而导致的破坏，需要分析桁架跨越结构的抗震能力。本文从桁架跨越结构的模态、加速度下的应力与应变两个角度分析了地震载荷对结构的影响。
1 水流冲击参数计算
桁架跨越结构采用标准型钢，弹性模量为210GPa，泊松比为0.28，水流冲击力计算公式为：
其中，ρ为流体的密度，S为垂直于流速方向的固体壁面面积，v为流体的流速。
在此，选取流体密度为1000kg/m3，洪水流速为6m/s，正对流速方向的桁架跨越结构壁面由型钢组成，总长度为319.5m，不同横截面形状的型钢，只要型号编号一致，宽度均相同，在此取10号型钢，宽度均为0.1m，固体壁面面积为31.95m2。
因此，总压力为1150200N，表面压强为36000Pa。
2 水流冲击有限元分析
洪水冲击力作用下，此桁架跨越结构迎水面较小，可以较好地疏导水流，其mises应力仅为125MPa，普通型钢可以满足强度要求。最大变形量为36.5mm，对于总跨度为65m的跨越结构而言，此变形量在许可范围内。
3 地震载荷响应分析
桁架跨越结构密度为7800kg/m3，弹性模量为210GPa，泊松比为0.28，七级地震峰值加速度为0.125g，八级地震峰值加速度为0.25g，九级地震峰值加速度为0.5g，十级地震峰值加速度为1g。
地震载荷作用下，一阶振型固有频率为1.8Hz，二阶振型固有频率为2.2Hz，三阶阵型固有频率为4.6Hz，四阶阵型固有频率为5.4Hz，五阶振型固有频率为6.1Hz。其应力分布如图4—图6所示。
各阶固有频率地给出，并结合施工地区地震史，可以由此分析由于共振造成的破坏可能性大小，进而对整体结构进行改进。在九级以下地震时，mises应力数值较低，桁架结构并不会发生破坏;当发生十级地震时，mises应力数值已经超过了桁架结构的屈服极限，会发生严重破坏事故。
4 结论
1）本文基于现代数值计算方法，合理选取计算参数，从而得到了桁架跨越结构在自然灾害下的强度结论，为桁架结构设计提供了力学参考依据。
2）本文所得各阶振型固有频率与是否发生破坏紧密相关，该参数只与结构有关，与地震频率对比，从而指导桁架跨越结构的设计。
参考文献
[1]陈文国，程梦鹏.忠武输气管道跨越工程设计特点[J].油气储运，2005，24（7）：21-23.
[2]詹勝文，刘晓峰，程梦鹏，杨红军，宋文.忠武输气管道桁架梁式跨越设计的改进[J].油气储运，2005，24（4）：32-34.
[3]邓汉忠，尤壮，李国权，邬亚珠.长输管道工程钢管桁架跨越施工方法[J].油气田地面工程，2006，25（12）：40-41.
