探讨管道悬索桥抗风稳定性

探讨管道悬索桥抗风稳定性

陈龙贵

柳州铁道职业技术学院  广西柳州市545616

摘要：在现阶段的建设工程中，当遇到河流或其他障碍时需要搭桥时，通常采用管道悬索桥这一特殊的悬索桥。在搭建管道悬索桥时，需要考虑自然环境对其造成的影响，其中最总要的就是风对其造成的影响。在风对大跨桥梁造成的一系列影响中，有一种比较严重的影响为颤振作，它是一个发散性的运动，一旦产生颤振将对悬索桥造成巨大的损失，严重者甚至会导致悬索桥的损坏。因此，在对管道悬索桥进行设计和施工以及运营过程要充分考虑自然条件的影响，使其能够经受风的影响，从而减少颤振现象的出现。

关键词：管道悬索桥；抗风；稳定性

前言

管道悬索桥的作用为支撑管道，因为它的桥面是建设在悬索的上面，所以才被叫做管道悬索桥。相比于传统的拱桥，它的桥面支撑不再依靠打桥墩来提供支撑力，它主要依靠在悬索桥两侧的悬索来维持悬索桥桥面的平衡并依靠它们为桥面提供拉力，进一步保障管道悬索桥的平衡。除此之外，管道悬索桥还弥补传统拱桥的部分不足之处，比如，传统拱桥的桥墩的承重结构往往是刚性的，相比于管道悬索桥利用柔性承重结构的悬索而言，使用桥墩更容易出现损坏的现象。现阶段的悬索桥通常是由悬索、索塔、锚碇、吊杆以及桥面等多个部分组成。不同部分起到了不同的作用，比如，对于悬索而言，它的作用是为桥面提供拉力，从而保障桥面的平衡；对于索塔而言，它主要是为了固定悬索；对于锚碇和吊杆而言，它们起到了悬索和桥面之间的固定作用。为了有效地提高管索桥的稳定性和安全性，人们在建造管索桥时经常采用高强钢丝作为悬索桥的吊索。另外，采用悬索桥作为管道运输桥梁，即能提高桥梁的抗震性能，又能在一定程度上提高桥梁的美观程度。此外，利用悬索桥进行管道运输也可以在一定程度上起到控制建设成本的作用。

１管道悬索桥概述

管道悬索桥通常是由主塔、加强梁、主索、管道、抗风索、吊杆和风索吊杆等多个部分组成的，它的结构如图1所示。其中，利用管道来运送传输介质；利用主塔来支撑主缆；利用加劲梁来为管道提供支撑力；主缆是悬索桥基础的主要组成部分，通过它来传递荷载；利用抗风索当作管道悬索桥抗风的锚固素，从而增强其横向刚度；吊杆是管道悬索桥的主要承重构件，载荷主要通过中跨主缆传递到边缆和主塔上，最终作用到锚固墩和基础上。锚固墩则用于锚固主缆，平衡主缆所受到的拉力，并将其传达至地基。对于悬索桥而言，为了减少阵风对结构的影响，可以将抗风索安装在桥跨的两侧，增加其横向刚度，减小其结构的横向位移，但对于中小跨或总刚度较大的结构，当它的建设位置在风速较低的区域时，管道悬索桥可以考虑不加抗风索。

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图１ 管道悬索桥主要构造图

2管道悬索桥的发展

在管道悬索桥出现的初期，它的结构比较简单，直接利用吊杆把管道挂在主缆上面，没有加劲梁这一部分只是利用管道来承受荷载，当其投入实际的运营之后，很快就发现了稳定性上的弊端，比如主跨656米的美国密西西比河双管道悬索桥、主跨285米的前苏联伊尔库茨管道悬索桥。为了能够解决稳定性不足的弊端，在对已经建成的悬索桥进行维护时，工程师开始为其增加了一些拉力和截面都不大的斜吊杆或者加设紊流分流器，这些吊杆和分流器很大程度上改善了其抗风稳定性。

随着管道施工、变形抗力、温度和抗风稳定等多方面的要求越来越高，早期的悬索桥逐渐发展为带加强梁的悬索桥体系。带加强梁的悬索桥相比于最开始的无论是管道的安装还是制作都有了很大的改进。为了增加斜拉桥的横向约束，设计了安装抗风斜拉索的方法。经过长期的工程实践，人们已经认识到，传统的悬索桥由于其横向约束不足，往往使斜拉桥在风的作用下发生横向晃动甚至失稳破坏，因此设置了侧向抗风索。

管道悬索桥发展始于1926年，首座管道悬索桥是在美国建立的，自那以后，管道悬索桥迎来了它在世界各国的快速发展时期。二十世纪六十年代至八十年代在前苏联管道悬索桥的发展是十分快速的，其中，跨第聂伯河运输氨气的悬索桥是当时最大的一座（跨度720m），它代表了悬索桥在石油、天然气等运输领域的巨大优势，预计今后悬索桥将在跨流域、跨河流的桥梁结构中得到较大的发展。表1列出了国外建造的悬索桥截面。

表1国外部分管道悬索桥

我国的管道悬索桥发展较晚，1997年建成的陕甘宁至北京输气管道工程是国内第一座大型管道悬索桥。近年来，我国在黄河、长江等河流上以及高山峡谷中建造了许多管道悬索桥，如涩宁兰黄河八盘峡管道悬索桥、马水河管道悬索桥等。表2列举了国内部分管道悬索桥。

表2国内部分管道悬索桥

3 管道悬索桥静风稳定性及影响因素的分析

在分析管道悬索桥的静风稳定性和影响因素之前，首先应该掌握管道悬索桥稳定性的相关理论知识，除此之外还应该调查清楚其各个结构部分的风荷负载。

3.1 管道悬索桥稳定性相关理论研究

在开展悬索桥稳定性相关理论的研究工作时，第一步要了解悬索桥抗风性能的发展。1940年，美国的一座悬索桥在风荷载作用下发生倒塌，在此之后人们开始对悬索桥的静力稳定性进行研究。经过80多年的研究，我们发现桥梁风振主要有四种形式：颤振、驰振、抖振和涡激振动。这些形式的震动将严重影响桥梁结构，从而影响其坚固性。在了解了悬索桥抗风性能的发展历史之后，为了进一步提高桥梁结构的抗风性能，从而有效地提高桥梁的稳定性，还需要研究、分析桥梁结构的抗风振动控制措施。通过研究发现，在桥梁结构风振的控制方面，可能存在以下几种措施。第一个是结构措施，即对原悬索桥的吊杆机构进行改进，以提高其稳定性。例如，我们可以将悬索桥中的吊索改为交叉吊索的方式，从而提高悬索桥的稳定性和抗风性。其次，除了对悬索桥的结构进行改进外，还可以通过在桥梁结构截面上增加一些空气动力措施来减小风对桥梁稳定性的影响。例如，在桥梁结构的横截面上增加导流板等设备作为风嘴，从而减少了风对桥梁结构的冲击，从而有效地提高了悬索桥管系的稳定性。最后，通过在悬索桥加劲梁上增加一些力学装置来提高桥梁的稳定性。

3.2 结构各部分的风荷载

为了进一步分析悬索桥的静风稳定性及其影响因素，还需要对悬索桥结构各部分的风荷载进行测量、计算。悬索桥的结构构件大致可分为四种类型：桥塔、主缆、吊杆和加固梁。由于塔架、主缆和吊杆与悬索桥相似，风荷载可根据《公路桥梁抗风设计规范》计算。然而，为了便于计算，我们还需要测量相关结构构件在背风方向的投影面积、各部分的阻力系数以及它们的参考高度和参考风速等数据信息。在计算刚性梁的风荷载时，需要对其轴线进行剖分并进行计算。一般来说，人们在计算加固梁的风荷载时，往往要建立该桥主梁的三维坐标系，然后通过测量相应的阻力、标高和扭矩来计算加固梁的风荷载。

3.3 静风稳定影响因素的分析

通过对管道悬索桥结构稳定理论的研究，以及对悬索桥管系结构各部分风荷载的实测和计算，发现影响悬索桥管系结构静力风稳定的因素大致如下：第一点是结构对称性的影响。对称结构的风荷载分布均匀，而非对称结构的风荷载分布不均匀，使非对称结构趋于稳定。此外，主缆的风荷载也会影响悬索桥导管的静力稳定性。此外，风攻角的不同也会对悬索桥的静力稳定性产生影响。风攻角越大，静风稳定性越低。因此，为了能够加强悬索桥的静力稳定性，需要对悬索桥的结构进行进一步的改进，以有效降低桥梁的静力稳定性。
结语

综上所述，随着悬索桥的不断发展，现有悬索桥不仅可以供行人和车辆通行，还可以完成大跨度的管道运输工作。然而，为了保证管道悬索桥的安全稳定，需要对其静风稳定性及其影响因素进行分析。为了便于分析管道悬索桥的静风稳定性及其影响因素，在分析之前需要研究管道悬索桥稳定性的相关理论。同时，还需要对管道悬索桥结构各部分的风荷载进行测量和计算。通过学习与管道悬索桥稳定性相关的理论知识，计算和测量桥梁结构各部分的风荷载，可以发现影响管道悬索桥静风稳定性的因素大致包括风攻角、主缆风力和结构对称性。通过研究影响管道悬索桥静风稳定性的因素，可以进一步加强管道悬索桥的稳定性和安全性。

参考文献

[1]刘均华.大跨度石油管道悬索桥风缆设计参数研究[D].重庆交通大学,2021.

[2]余海燕.大跨度管道悬索桥覆冰特性及抗风性能研究[D].大连理工大学,2021.

[3]王磊,岳三琪,赵志超.天然气长输管道悬索桥承载力计算分析[J].工程建设,2020,52(03):23-27.

[4]魏连玉.管道悬索桥上部结构的施工技术探究[J].湖北理工学院学报,2018,34(05):43-45+51.

课题项目：2022年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“基于CFD方法单、双链式悬索桥静风响应对比分析与研究”(编号：2022KY1406)

作者简介：陈龙贵（1988-），男，汉族，重庆市忠县人，硕士研究生，讲师，研究方向：桥梁与隧道工程。