機(jī)動管線懸掛穿越裝置發(fā)展現(xiàn)狀及對策研究

文/盧邦洪 錢光杰 韓俊威

機(jī)動管線在鋪設(shè)過程中會遇到河流、湖泊、溝壑等障礙，機(jī)動管線懸掛穿越裝置可幫助機(jī)動管線快速、順利地通過這些特殊地段，在部隊廣泛應(yīng)用，但使用過程中存在穩(wěn)定性不足、跨距受限等問題，制約了油料保障效率的進(jìn)一步提高。因此，應(yīng)加強(qiáng)機(jī)動管線懸掛穿越裝置的研究力度，提高機(jī)動管線穿越障礙的能力，從而提高油料保障能力。

1.國內(nèi)外機(jī)動管線懸掛穿越裝置發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外管線懸掛穿越的主要形式有梁式、拱架式、懸索式、斜拉索式、托架式、桁架式等。懸索式管橋因橋身自重輕、結(jié)構(gòu)簡單、展開撤收方便、受外界影響小等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛運(yùn)用。各國部隊廣泛使用的懸索式管橋形式主要有單主索型、吊橋式結(jié)構(gòu)和雙主索型。

1.1 單主索結(jié)構(gòu)

俄軍機(jī)動管線懸掛穿越裝置的結(jié)構(gòu)形式是單主索型，該裝置由懸索、御風(fēng)索和拉纜、支塔、地錨等組成。圖1表示單主索型結(jié)構(gòu)跨中橫截面的形狀。整個懸空段的重量加載在主索上，管子與主索間距不等，越靠近支塔的部分吊繩長度越長，管線懸空段基本呈水平狀。管子兩側(cè)有兩根御風(fēng)索與管線基本同高，通過御風(fēng)拉鏈連接到管線上，限制管線的徑向移動，防止管線擺動，起到御風(fēng)作用。主索由支塔支撐，通過地錨固定。支塔可用廢鋼、報廢的管子等制作，長期使用還可以澆注鋼筋混凝土支塔。依懸索所受拉力大小，有8種不同規(guī)格地錨可選擇。

圖1 單主索結(jié)構(gòu)跨中截面形狀

1.2 吊橋式結(jié)構(gòu)

美軍懸掛穿越裝置的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，呈吊橋式，由懸掛部分和支撐部分組成。懸掛部分由主索、橫桿吊索、橫桿、墊板等組成，用來懸吊管線。支撐部分由叉桿地錨、塔架、斜拉索等組成，用來支撐懸索。圖2表示吊橋式結(jié)構(gòu)跨中橫截面的形狀。主索與橫桿由橫桿吊索聯(lián)結(jié)形成扶索，吊索下懸吊橫桿，上面鋪設(shè)墊板，組成吊橋式結(jié)構(gòu)，管線鋪設(shè)在墊板上通過懸空段。主索由塔架支撐，通過叉桿地錨固定。塔架通過四根斜拉索固定。該裝置可以適應(yīng)100、200、400英尺等不同跨距的鋪設(shè)要求。

1.3 雙主索結(jié)構(gòu)

我軍懸掛穿越裝置是雙主索V型結(jié)構(gòu)，該裝置基于懸索理論設(shè)計，由懸掛和支撐兩大部分組成。懸掛部分由承力鋼索、吊管裝置和鋼索支架組成，用來懸吊管線；支撐部分由塔架、地錨、鋼纜調(diào)節(jié)器等組成，用來支撐和拉緊鋼索，使懸掛部分牢牢固定在兩岸上。圖3表示雙主索型結(jié)構(gòu)跨中橫截面的形狀。懸空段的重量加載在兩根承力鋼索上，管子通過吊管裝置懸吊在平行的兩根鋼索下，與懸索間距保持一致；撐桿與吊桿形成V字型的空間結(jié)構(gòu)，通過三角形自身的穩(wěn)定性達(dá)到御風(fēng)的效果，可抗擊8級大風(fēng)。懸索由塔架支撐，通過地錨鋼索連接到地錨并固定在兩岸上。

圖2 吊橋式結(jié)構(gòu)跨中橫截面的形狀

圖3 雙主索結(jié)構(gòu)跨中橫截面的形狀

通過對比可知，雙主索結(jié)構(gòu)比另外兩種結(jié)構(gòu)形式更為簡單，架設(shè)速度快，由自身V型結(jié)構(gòu)的三角形穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)其御風(fēng)效果，減少了鋼絲繩的數(shù)量。單主索結(jié)構(gòu)懸空段的所有重量都加載在主索上，對主索的強(qiáng)度要求更高；懸空段由兩根御風(fēng)索穩(wěn)定管子，御風(fēng)性、穩(wěn)定性較好；管線懸空段基本水平，在塔架高出管線很多的情況下也可以保證管線不會折偏很多，更加適合大落差段的鋪設(shè)。美軍的吊橋式結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、吊橋安裝過程相對繁瑣，但懸空段穩(wěn)定性好，維修方便；俄軍的單主索型塔架由斜拉索進(jìn)行固定，穩(wěn)定性好于前兩種結(jié)構(gòu)形式；另外，該裝置可以適應(yīng)100、200、400英尺等不同跨距的鋪設(shè)要求，適用范圍更廣。

2.我軍現(xiàn)役裝置使用中存在的問題

經(jīng)過多年的使用和發(fā)展，現(xiàn)役機(jī)動管線懸掛穿越裝置基本達(dá)到快速、順利通過特殊地段的要求，但使用過程中仍存在大落差段穩(wěn)定性不夠、跨距受限、懸索材料技術(shù)落后等問題。

2.1 大落差段穩(wěn)定性不夠

現(xiàn)役機(jī)動管線懸掛穿越裝置按兩岸等高設(shè)計，但有時管線需要穿跨越大落差的地段。在兩岸等高的情況下，懸索曲線對稱，最低點(diǎn)的矢度最大；在大落差段，懸索在空載時的形狀即其矢度會隨著兩岸高差而變化，加載荷載后，懸空管段的受力也不同于兩岸等高的情況。以雙主索懸掛穿越裝置為例，在兩岸高差不是很大情況下，近似的以兩岸等高的公式進(jìn)行受力分析，如圖4所示。

假設(shè)鋼絲繩在塔架支點(diǎn)處所受的拉力為F，其水平方向分力為Fx，豎直方向分力為Fy，則有：

式中：q——單位長度總載荷；

l——跨距；

f——矢度。

由公式(3)可知，載荷一定，鋼絲繩所受拉力的大小取決于矢度與跨距之比，在某一跨距下懸索拉力的大小取決于矢度，矢度越小，拉力越大。在大落差段，管線矢度及懸索形狀發(fā)生改變，懸索在塔架支點(diǎn)處所受的拉力F、水平方向分力Fx都會改變，當(dāng)高差超出裝置設(shè)計時允許的范圍后，水平分力過大會導(dǎo)致管線出現(xiàn)側(cè)翻、傾覆等情況，存在安全隱患；若兩岸落差過大，現(xiàn)役裝置無法安裝使用，迫使管線改動鋪設(shè)路線。總之，在大落差段，現(xiàn)役裝置穩(wěn)定性不足問題明顯。

2.2 跨距受限制

雙主索懸掛穿越裝置與機(jī)動管線配套使用，其設(shè)計的最大跨距為120m。假設(shè)懸索受均布荷載，計算懸索的最大拉力：

圖4 雙主索型懸掛穿越裝置受力簡圖

式中：Tmax——主索最大拉力，f——矢度，q——單位長度總載荷，l——跨距， x——主索任意點(diǎn)相對于塔架的水平距離，y——主索任意點(diǎn)相對于塔架的曲線撓度， θ——主索任意點(diǎn)傾角，F(xiàn)x——主索水平力。

由此可見，在懸索矢度不變的情況下，跨距越大，塔架和懸索所受的力越大，當(dāng)跨距超過設(shè)計范圍時，懸索受的力會超過其承力范圍。

2.3 懸索材料技術(shù)落后

縱觀各國的機(jī)動管線懸掛穿越裝置，一般都是采用直徑較大的鋼絲繩作為承重索或者御風(fēng)索，但鋼絲繩的變形與受力不是成簡單的正比例關(guān)系——普通鋼絲繩的彈性模量小，在不同力作用下，鋼絲繩的彈性模量還會改變。國內(nèi)外在鋼絲繩拉索設(shè)計過程中，采用修正的彈性模量來處理這一非線性變形問題，即采用代替鋼絲繩彈性模量的理想彈性模量Ee，但在懸索管橋上能否用這一方法還需探討。隨著對機(jī)動管線懸掛穿越裝置跨距、穩(wěn)定性等要求的不斷提高，中小規(guī)格的鋼絲繩已經(jīng)不能適應(yīng)鋪設(shè)要求而大規(guī)格的鋼絲繩國內(nèi)生產(chǎn)還相當(dāng)困難，限制著我軍機(jī)動管線懸掛裝置穿跨越水平的進(jìn)一步提高。

3.改進(jìn)措施

3.1 加墊法

為解決現(xiàn)役裝置在大落差情況下穩(wěn)定性不夠的問題，在使用時應(yīng)盡量保持其兩岸等高。在兩岸高差不是很大的情況下，可以采用加墊法實(shí)現(xiàn)兩岸塔架的等高。一是利用就便器材，如石塊、磚頭、廢棄鋼材等墊高海拔低的一岸的塔架，使兩岸等高；二是通過灌注水泥墩加墊在塔架下面以達(dá)到裝置安裝使用的要求；三是在有條件的情況下，利用腳手架預(yù)先搭設(shè)安裝平臺，將塔架搭建在平臺上實(shí)現(xiàn)兩岸的等高。前兩種方法只能在較小的范圍調(diào)整塔架的高度，但安裝實(shí)施簡便，第三種方法可大幅度調(diào)整兩岸塔架的高差但安裝費(fèi)時且易受外界影響。

3.2 研制新型塔架

為了能快速、順利地通過障礙，機(jī)動管線懸掛穿越裝置應(yīng)能夠適應(yīng)各種地段的鋪設(shè)。我軍現(xiàn)役裝置塔架的結(jié)構(gòu)形式簡單，可調(diào)整范圍較小，在大落差段穩(wěn)定性不夠，不能很好地適應(yīng)大落差段、大跨距的鋪設(shè)要求。因此，應(yīng)研制新型塔架以適應(yīng)管線鋪設(shè)的要求。新型塔架可借鑒液壓式（如千斤頂）或塔吊等可調(diào)性塔架的形式，大幅增加現(xiàn)役懸掛穿越裝置塔架的可調(diào)范圍。同時，還可以借鑒美軍的吊橋式結(jié)構(gòu)，使用斜拉索固定塔架，提高塔架的穩(wěn)定性。

3.3 使用新材料

1965年在重慶長江管道跨越工程中，建成了我國第一座大跨度懸索式管橋（管徑為219mm），主索采用兩根φ50.5mm的鋼絲繩作為承重索。目前，鋼絲繩仍是各國懸掛穿越裝備主索和御風(fēng)索的主要材料，從鋼絲繩自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用角度來看，普通鋼絲繩的彈性模量較小，應(yīng)力與拉力不成線性關(guān)系，已經(jīng)越來越不適應(yīng)大跨距的要求。熱聚乙烯鋼絲繩、全防護(hù)拉索等新型材料彈性模量大，可大幅增加懸索管橋的整體剛度并提高懸索管橋的整體跨距和抗風(fēng)穩(wěn)定性。同時新型材料的應(yīng)力與拉力成線性比例，對管橋的設(shè)計和受力都很有好處。例如，蘇州華能熱電有限責(zé)任公司投資建設(shè)的跨越蘇運(yùn)河及胥江河的管橋均為懸索跨越式管橋，鋪設(shè)過程中使用了新型全防護(hù)拉索，不僅縮短了工程周期，還提高了懸索管橋的整體剛度和抗風(fēng)穩(wěn)定性。因此，在以后的機(jī)動管線懸掛穿越裝置研制過程中應(yīng)廣泛使用新型材料替代現(xiàn)有的鋼絲繩，以更好地適應(yīng)不同高差、不同跨距的鋪設(shè)要求。

4.結(jié)束語

本文介紹了三種結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計原理及特點(diǎn)不同的機(jī)動管線懸掛穿越裝置。通過對雙主索懸掛穿越裝置進(jìn)行定性分析，找出在大落差段穩(wěn)定性不夠和無法適應(yīng)大跨距鋪設(shè)的原因，指出現(xiàn)役裝置懸索技術(shù)落后的問題。結(jié)合現(xiàn)役裝置的不足之處，提出了解決問題的方法，對部隊裝備使用和新裝置研發(fā)有一定的指導(dǎo)意義。