大跨斜拉輸水管橋水錘沖擊響應(yīng)研究

張嘉瑞,宋志強(qiáng),劉 琛

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048； 2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

1 研究背景

在長距離管道輸送工程中，管道跨越河流、山谷等自然障礙物時(shí)，常采用管線過橋的穿越方式[1-2]，將管道作為橋面的附屬部分，既經(jīng)濟(jì)合理，又方便管線的檢修，有利于管道輸送工程的安全保障。對于大跨度管道懸索橋及管道斜拉橋這類長周期柔性結(jié)構(gòu)，掛橋管道自重及管內(nèi)移動荷載對橋梁全橋結(jié)構(gòu)受力性能的影響不可忽視[3]。張志東等[4]構(gòu)建了一種斜拉索跨越管橋安全狀況評定方法研究管橋的安全程度。王永振等[5]通過懸索管橋縮尺模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合，研究了掛橋管道荷載變化及吊索破壞對全橋結(jié)構(gòu)的影響。高行行[6]針對斜拉管橋的受力特點(diǎn)，研究了管梁不同連接形式對全橋動力特性的影響。另外，橋面敷設(shè)長距離管段相比埋地穿越管段更易受到外界條件的影響，研究管道橋梁的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)有著重要意義[7-8]。張平[9]研究了大跨度懸索管橋結(jié)構(gòu)在風(fēng)、雪、地震及清管[10-11]這些典型荷載作用下的全橋結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)并進(jìn)行了安全評價(jià)。

現(xiàn)有的管橋工程一般在行車橋梁的基礎(chǔ)上鋪設(shè)管道結(jié)構(gòu)，管道內(nèi)水荷載對橋梁整體的影響較小，而對于長距離專項(xiàng)輸水管橋，大管徑管道內(nèi)的水錘效應(yīng)對橋梁結(jié)構(gòu)的影響較大，隨著橋梁上敷設(shè)管道直徑的增大，除輸水管道自重和水重作用之外，輸水工況變換過程中管道閥門處產(chǎn)生的水錘效應(yīng)[12]也會對管橋結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生不可忽視的作用。而我國公路及城市橋梁相關(guān)規(guī)范[13-14]中缺乏關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)上敷設(shè)輸水管道的動力計(jì)算條文，國內(nèi)外針對水錘沖擊作用下橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的研究成果尚不多見。

目前研究者大都基于簡化的計(jì)算方法或試驗(yàn)手段來分析水錘效應(yīng)對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。莊小將等[15]、馬芹綱等[16]和Li等[17]采用擬靜力法將水錘效應(yīng)轉(zhuǎn)化為一定比例下作用在橋梁結(jié)構(gòu)上的行車荷載，研究了水錘作用下橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。孫建淵等[18-19]分別建立斜拉橋與輸水管道水錘有限元計(jì)算模型，研究得到了斜拉橋結(jié)構(gòu)在水錘激勵(lì)作用下的動力響應(yīng)。張博等[20]通過建立多塔斜拉管橋模型，得到了管橋各構(gòu)件在水錘效應(yīng)作用下的動力響應(yīng)。伍平等[21]、丁歡歡等[22]基于流固耦合理論對比分析了管橋結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果，判定過橋水管與橋梁結(jié)構(gòu)不會發(fā)生共振，并研究了水流流速對輸水管道的影響。

本文以某長距離輸水工程中斜拉輸水管橋跨越結(jié)構(gòu)為研究背景，建立了斜拉輸水管橋有限元模型，分析了水-管-橋梁結(jié)構(gòu)動力特性，進(jìn)行了壓力輸水管道、斜拉橋結(jié)構(gòu)共振復(fù)核；采用特征線法求解水錘基本方程計(jì)算了輸水工況轉(zhuǎn)換過程中的水錘效應(yīng)，研究了水錘沖擊作用下橋梁主要構(gòu)件的動力響應(yīng)特性，對比探討了不同加載方式和閥門不同關(guān)閉歷時(shí)對管橋動力響應(yīng)的影響規(guī)律。

2 管橋有限元模型及其動力特性

2.1 工程簡介

某輸水管橋工程主橋?yàn)樗乃蹇玟撹炝盒崩瓨颍鳂蚩缇喾謩e為65、120、120、120、65 m，總長490 m，橋梁總寬度為18.5 m；水滴形混凝土索塔順橋向?qū)ΨQ布置，主索塔總高為73.5 m，塔柱橫向?qū)挾葹?8 m；主梁采用由橋面系、主桁架等組成的鋼桁架結(jié)構(gòu)，主桁架內(nèi)凈寬為16.5 m，高為9.3 m；雙索面布置，斜拉索直接錨固在上弦桿上，塔上索間距為2.0 m,主梁上索間距為8.0 m，單塔布置12對，全橋共布置48對。斜拉管橋主橋整體布置如圖1所示。兩根Q345D鋼管順?biāo)飨驅(qū)ΨQ分布在鋼主梁橋面上，輸水管道內(nèi)徑為3.4 m，管壁厚度為22 mm，橋塔橫梁處設(shè)置鋼鎮(zhèn)墩組與管道固定連接。輸水管道與橋梁布置如圖2所示，在橋梁上游橋頭管道上設(shè)有閥門，給水泵房布設(shè)在橋梁下游。

2.2 斜拉管橋有限元模型建立

在有限元軟件ANSYS中建立斜拉管橋空間三維計(jì)算模型，分析橋梁結(jié)構(gòu)與輸水管道動力特性，計(jì)算水錘作用下橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。主橋塔塔柱、橋塔橫梁及橋墩采用SOLID45實(shí)體單元模擬。主梁、拉索采用空間桿系結(jié)構(gòu)模擬，鋼桁梁組各桿件采用BEAM188梁單元模擬，斜拉索采用只受拉不受壓的LINK10單元模擬，斜拉索與鋼桁架梁上平聯(lián)固定連接。鋼纖維混凝土橋面、兩根Q345D壓力鋼管、鋼鎮(zhèn)墩采用SHELL63板殼單元模擬。兩根DN3400壓力輸水管道順橋向?qū)ΨQ分布，管道在主塔橫梁處與鋼鎮(zhèn)墩固定連接，約束管道三向平移、轉(zhuǎn)動自由度。輸水管道順?biāo)鞣较蛏习? m間距約束管道橫向、豎向自由度，來模擬支墩對管道的影響。斜拉輸水管橋及輸水管道(局部)有限元計(jì)算模型如圖3、4所示。

圖1 斜拉管橋主橋整體分布圖 (單位：m)

圖2 輸水管道與斜拉橋分布圖 (單位：cm)

圖3 斜拉管橋有限元計(jì)算模型圖 圖4 輸水管道(局部)有限元計(jì)算模型圖

2.3 水-管-橋結(jié)構(gòu)動力特性分析

采用MASS21單元模擬管道中的水流，考慮管道施工完建期管道內(nèi)無水及管道正常運(yùn)行期管道內(nèi)充滿水時(shí)，全橋固有頻率對比分析。表1給出了橋梁結(jié)構(gòu)與壓力鋼管施工完建及正常運(yùn)行期動力特性計(jì)算結(jié)果。

由表1可以看出，大跨度斜拉橋?yàn)殚L周期柔性結(jié)構(gòu)，其自振頻率較低，且低階振型比較密集。輸水管道施工完建管內(nèi)無水及管道正常運(yùn)行管內(nèi)充滿水時(shí)，管道的前10階自振頻率與斜拉管橋的前10階自振頻率相差較大，二者前5階固有頻率錯(cuò)開度達(dá)到或超過90%。由輸水管道施工完建期轉(zhuǎn)變?yōu)檎＿\(yùn)行期造成管道固有頻率的改變，對斜拉橋結(jié)構(gòu)的影響不大，即橋梁結(jié)構(gòu)與輸水管道發(fā)生共振的可能性不大。

設(shè)置橋面敷設(shè)輸水管道邊界約束條件，分析管道固有頻率的變化，圖5給出了管道支座間隔設(shè)置約束長度變化對管道自振頻率的影響情況；考慮斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對橋梁結(jié)構(gòu)固有頻率的影響。圖6給出了斜拉橋橋面厚度變化對橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率的影響情況。

表1 斜拉橋及輸水管道(施工完建和正常運(yùn)行期)前10階動力特性計(jì)算結(jié)果

由圖5可知，在輸水管道處于施工完建期管道內(nèi)無水及正常運(yùn)行期充滿水時(shí)，輸水管道的自振頻率隨著管道支座間隔長度的增加呈非線性遞減趨勢；由圖6可以看出，斜拉橋結(jié)構(gòu)固有頻率隨橋面厚度增加近似呈線性遞增趨勢。管道處于正常運(yùn)行期(充水滿管)，且管道支座約束間隔長度為24 m時(shí)的自振頻率為0.56 Hz(圖5)，斜拉橋橋面厚度增加到0.3 m時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率為0.21 Hz(圖6)，此時(shí)輸水管道與斜拉橋的自振頻率相差較大，不會發(fā)生共振。圖5、6表明，在布置橋面管路系統(tǒng)時(shí)，合理增設(shè)輸水管道支座的總數(shù)量，適當(dāng)減小管道上邊界約束的長度，同時(shí)合理控制斜拉橋的橋面厚度，通過多種措施能有效降低輸水管道與斜拉橋發(fā)生共振的可能性。

圖5 支座約束改變對管道自振頻率的影響 圖6 橋面厚度改變對斜拉橋自振頻率的影響

3 水擊作用下管橋結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

3.1 輸水管道水錘沖擊作用分析

由于有壓管路內(nèi)閥門突然關(guān)閉，引起管道內(nèi)流量、壓強(qiáng)突變的水力現(xiàn)象稱為水錘效應(yīng)。當(dāng)管道內(nèi)發(fā)生水錘時(shí)，水錘波在管路內(nèi)傳遞，產(chǎn)生的沿管道縱向的沖擊力對管路系統(tǒng)的破壞程度極大。在長距離引水輸送工程中，管道內(nèi)發(fā)生水錘現(xiàn)象對管路系統(tǒng)的破壞不容忽視。通過求解水錘基本方程中的運(yùn)動方程、連續(xù)方程得到水錘波的時(shí)程曲線，運(yùn)動方程與連續(xù)方程見方程式(1)和(2)。

運(yùn)動方程：

(1)

連續(xù)方程：

(2)

式中：g為重力加速度，m/s2；H為測壓管水頭,m；V為管內(nèi)流速，m/s；x為順?biāo)鞣较?；t為時(shí)間，s；d為管徑，m；f為管內(nèi)阻力系數(shù)；a為管道軸線與水平線的夾角；c為水錘波速，m/s。

采用以x-t為坐標(biāo)場的特征線法求解水錘基本方程。代入任意常數(shù)λ將方程式(1)和(2)進(jìn)行線性組合，不計(jì)管道坡度，得到方程式(3)。

(3)

(4)

通過特征線法求解方程式(4)可得管內(nèi)流速的變化，由公式(5)求出水錘壓強(qiáng)的變化值與管道截面面積相乘可得隨時(shí)間變化的水錘沖擊力,再將所得水錘沖擊力作為作用在橋梁結(jié)構(gòu)上的荷載，計(jì)算橋梁動力響應(yīng)[19]。

ΔP=±ρcΔV

(5)

式中：ΔP為水錘壓強(qiáng)變化值，Pa；ρ為管內(nèi)流體密度，kg/m3；ΔV為管內(nèi)流速，m/s；c為水錘波速,m/s。

本文根據(jù)管道輸水工況轉(zhuǎn)換時(shí)的水錘沖擊作用計(jì)算結(jié)果，選取歷時(shí)300～600 s閥門關(guān)閉所產(chǎn)生的水錘波作為動力分析的荷載進(jìn)行計(jì)算，得到水錘沖擊作用下管橋各主要構(gòu)件的動力響應(yīng)。300～600 s閥門關(guān)閉產(chǎn)生的水錘沖擊力如圖7所示，由圖7可以看出，水錘沖擊力基本呈正弦變化，并迅速衰減，其中設(shè)計(jì)流量下300 s關(guān)閥歷時(shí)產(chǎn)生的水錘沖擊力幅值相對最大，為1 804.43 kN。

為研究輸水管道內(nèi)產(chǎn)生的水錘沖擊荷載在管橋結(jié)構(gòu)上的不同加載方式對管橋系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響，將主橋塔及其鎮(zhèn)墩按順?biāo)鞣较蛞来芜M(jìn)行了編號，如圖8所示。關(guān)閥引起管道內(nèi)流速及壓強(qiáng)突變，沿管道徑向變化產(chǎn)生的作用力相互平衡，對橋梁結(jié)構(gòu)影響不大；管道內(nèi)產(chǎn)生的縱向沖擊力作用在主梁上，對橋梁結(jié)構(gòu)影響較大，主要考慮順橋向施加水錘沖擊荷載對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。對水錘沖擊荷載施加方式分為均勻施加和比例施加，均勻施加方式即1#～6#鎮(zhèn)墩均勻承擔(dān)水錘荷載；比例施加方式即各鎮(zhèn)墩按距離閥門位置遠(yuǎn)近，承擔(dān)不同比例的荷載，將總荷載按6∶5∶4∶3∶2∶1對應(yīng)施加在1#～6#鋼鎮(zhèn)墩組上。與均勻輸入加載方式相比，比例施加方式可模擬橋梁的非一致輸入，分析管橋構(gòu)件的非一致變形引起的附加位移、應(yīng)力及內(nèi)力等響應(yīng)。

3.2 不同加載方式下管橋結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

3.2.1 位移響應(yīng)分析 將300 s關(guān)閥歷時(shí)產(chǎn)生的水錘激勵(lì)荷載按以上均勻和比例兩種加載方式進(jìn)行輸入，開展全橋瞬態(tài)動力響應(yīng)分析，得到主要構(gòu)件鋼桁梁中上弦桿、下弦桿、腹桿、橫梁、K型支撐梁以及橋塔的順橋向位移響應(yīng)最大值，匯總于表2。

圖7 不同閥門關(guān)閉歷時(shí)產(chǎn)生的水錘沖擊力 圖8 水錘沖擊力加載示意圖

表2 水錘激勵(lì)荷載兩種加載方式管橋主要構(gòu)件順橋向的最大位移 mm

從表2可以看出，在水錘沖擊的作用下管橋主要構(gòu)件的順橋向位移均在1 mm量級，與均勻施加相比，比例施加方式使得鋼桁梁各桿件及橋塔位移響應(yīng)值顯著增大，各桿件與橋塔結(jié)構(gòu)之間的非均勻相互作用使管橋系統(tǒng)位移變化幅度加大，如下弦桿順橋向位移增大了63%，達(dá)到了1.60 mm，橫梁順橋向位移增大了63%，達(dá)到了1.58 mm，塔頂順橋向位移增大了44%，達(dá)到了3.42 mm。

圖9給出了比例加載方式下鋼桁梁下弦桿位移在不同節(jié)點(diǎn)位置處的分布情況。不同加載方式下，橋梁主要構(gòu)件的位移隨空間位置的變化規(guī)律趨于一致，只是幅值的差別，因此均勻加載方式下橋梁構(gòu)件位移在不同空間位置處的分布情況不再給出。由圖9可見，下弦桿在最左端1號節(jié)點(diǎn)處順橋向位移最大，為1.60 mm，發(fā)生在靠近橋頭水錘沖擊力加載位置處，隨著節(jié)點(diǎn)編號的增加，下弦桿順橋向位移減小至約0.20 mm。圖10給出了比例加載方式下各橋塔塔頂位移的時(shí)間歷程曲線，由圖10可以看出，各塔頂位移呈波動衰減，塔頂最大位移為3.42 mm，A塔塔頂由于全橋位移的累加效應(yīng)，順橋向位移較大。

3.2.2 應(yīng)力響應(yīng)分析 在均勻和比例兩種加載方式下，橋梁主要構(gòu)件鋼桁梁中上弦桿、下弦桿、腹桿、橫梁、K型支撐梁的截面應(yīng)力、斜拉索應(yīng)力最大值匯總于表3。

圖9 比例加載方式下弦桿不同位置的位移 圖10 比例加載方式各橋塔塔頂位移時(shí)間歷程曲線

由表3可見，順橋向的水錘沖擊力主要使得鋼桁梁產(chǎn)生橫向的彎曲作用，鋼桁架梁組各桿件截面應(yīng)力以橫向彎曲應(yīng)力為主。鋼桁梁各組件橫向彎曲應(yīng)力最大值在1 MPa量級，在比例加載方式下，各構(gòu)件的應(yīng)力響應(yīng)值顯著增大，其中，下弦桿截面應(yīng)力值最大，為1.02 MPa，相對于均勻加載方式增加了89%；腹桿應(yīng)力由0.38 MPa增加至0.72 MPa，增加了90%；斜拉索應(yīng)力增大了56%，達(dá)到18.80 MPa。比例加載方式對鋼桁梁組中下弦桿、腹桿及橫梁的應(yīng)力相比均勻加載方式的變幅影響較大，應(yīng)力增幅均超過70%；上弦桿和K型支撐的應(yīng)力增幅不超過60%，相對較??；斜拉索應(yīng)力增幅為56%；橋塔塔底處應(yīng)力增幅最小為49%，水錘激勵(lì)不同施加方式對橋塔塔底的影響不大。

圖11給出了比例加載方式鋼桁梁中下弦桿在不同節(jié)點(diǎn)位置處的彎曲應(yīng)力分布情況。不同加載方式下橋梁主要構(gòu)件的應(yīng)力隨空間位置的變化規(guī)律趨于一致，只是幅值的差別，因此均勻加載方式下橋梁構(gòu)件應(yīng)力在不同空間位置處的分布情況不再給出。由圖11可見，下弦桿橫向彎曲應(yīng)力最大值在靠近主橋塔塔A支座處取得，最大值約為1 MPa，隨著節(jié)點(diǎn)編號的增加，下弦桿截面橫向彎曲應(yīng)力迅速減小，在順橋向其他位置截面，下弦桿橫向彎曲應(yīng)力變幅均不超過1 MPa量級，表明水錘荷載對下弦桿的沖擊影響不大。鋼桁梁組各桿件的位移及截面彎曲應(yīng)力分布情況基本一致。

斜拉索順橋向雙索面對稱布置，以斜拉橋一側(cè)48根拉索為研究對象，順橋向A、B、C、D 4座主橋塔上錨固的斜拉索分別編號為A～D組拉索，各組斜拉索由上游至下游依次編號為1～12號。圖12給出了管橋一側(cè)主塔上錨固的48根拉索在水錘激勵(lì)作用下的應(yīng)力極值分布及變幅。由圖12可以看出，由于斜拉索與鋼桁梁、主橋塔錨固處不協(xié)調(diào)變形，A塔上錨固的第7號斜拉索的應(yīng)力值和應(yīng)力變幅最大，分別為9.50、19.00 MPa。錨固在主塔B～主塔D上的斜拉索應(yīng)力分布類似，只是應(yīng)力值略低。在水錘沖擊作用下，斜拉索應(yīng)力變幅較大，在主塔附近錨固位置處的斜拉索更需關(guān)注。

3.3 關(guān)閥歷時(shí)對管橋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

3.3.1 位移響應(yīng)分析 將圖7中300、400、500和600 s 4種關(guān)閥歷時(shí)下產(chǎn)生的水錘沖擊力時(shí)間歷程，按均勻和比例兩種分配方式施加在各鎮(zhèn)墩上，得到斜拉管橋主要構(gòu)件在不同關(guān)閥歷時(shí)下的動力響應(yīng)，如表4所示。

表3 水錘激勵(lì)荷載兩種加載方式管橋主要構(gòu)件的截面最大應(yīng)力 MPa

圖11 比例加載方式下弦桿截面彎曲應(yīng)力分布 圖12 斜拉索在水錘作用下的應(yīng)力極值及變幅

由表4可以看出，隨著閥門關(guān)閉歷時(shí)的延長，水錘壓力的峰值逐漸降低，各構(gòu)件的位移響應(yīng)逐漸減小。以比例加載方式為例，鋼桁梁組中K型支撐梁在600 s關(guān)閥歷時(shí)產(chǎn)生的水錘壓力作用下的最大位移為0.49 mm，相對于300 s關(guān)閥歷時(shí)減小了64%；橫梁在600 s關(guān)閥歷時(shí)產(chǎn)生的水錘壓力作用下的最大位移為0.64 mm，相對于300 s關(guān)閥歷時(shí)減小了60%；相應(yīng)的塔頂最大位移由3.42 mm減小到2.03 mm，減幅為41%。

圖13給出了不同加載方式下K型支撐梁和上弦桿順橋向位移隨關(guān)閥歷時(shí)的變化規(guī)律。由圖13(a)可知，比例加載方式下的鋼桁梁組中K型支撐隨著關(guān)閥歷時(shí)的增加其位移減小呈先快后慢的非線性趨勢，而均勻加載方式下位移隨關(guān)閥歷時(shí)的增加呈近似線性的減小趨勢，最大減幅為64%。由圖13(b)可知，在兩種加載方式下，上弦桿隨著關(guān)閥歷時(shí)的增加其位移減小均呈先快后慢的非線性趨勢，最大減幅為59%。管橋各構(gòu)件中K型支撐梁、腹桿及橫梁的位移減小趨勢相似，最大降幅均在60%左右，上弦桿、下弦桿及橋塔塔頂?shù)奈灰茰p小趨勢相似，其中橋塔塔頂位移最大減幅為41%，相對較小。

3.3.2 應(yīng)力響應(yīng)分析 將4種不同關(guān)閥歷時(shí)下產(chǎn)生的水錘沖擊力按均勻和比例兩種分配方式施加在各鎮(zhèn)墩上，所得管橋主要構(gòu)件應(yīng)力響應(yīng)匯總于表5。

由表5可以看出，隨著閥門關(guān)閉歷時(shí)的增大，各構(gòu)件的應(yīng)力響應(yīng)逐漸減小，以比例加載方式為例，鋼桁梁組中腹桿在600 s關(guān)閥歷時(shí)產(chǎn)生的水錘壓力作用下的應(yīng)力最大值為0.24 MPa,相對于300 s關(guān)閥歷時(shí)減小了67%；下弦桿在600 s關(guān)閥歷時(shí)產(chǎn)生的水錘壓力作用下的應(yīng)力最大值為0.50 MPa，相對于300 s關(guān)閥歷時(shí)減小了51%，斜拉索應(yīng)力最大值由18.80 MPa減小至7.71 MPa，減幅為59%。

圖14給出了不同加載方式下鋼桁梁組中腹桿和下弦桿彎曲應(yīng)力隨關(guān)閥歷時(shí)的變化規(guī)律。

表4 不同關(guān)閥歷時(shí)下兩種加載方式管橋各構(gòu)件的順橋向位移 mm

圖13 兩種加載方式下管橋主要構(gòu)件順橋向位移隨關(guān)閥歷時(shí)的變化規(guī)律

表5 不同關(guān)閥歷時(shí)下兩種加載方式管橋各構(gòu)件的斷面應(yīng)力 MPa

圖14 兩種加載方式下管橋主要構(gòu)件彎曲應(yīng)力隨關(guān)閥歷時(shí)的變化規(guī)律

由圖14可知，600與300 s關(guān)閥歷時(shí)相比，腹桿的應(yīng)力最大降幅為67%，下弦桿的應(yīng)力最大降幅達(dá)51%，在均勻和比例兩種加載方式下，隨著關(guān)閥歷時(shí)的增加，腹桿和下弦桿應(yīng)力減小均呈先快后慢的非線性趨勢。管橋各構(gòu)件的應(yīng)力減小趨勢與腹桿、下弦桿一致，其中腹桿、K型支撐梁的應(yīng)力降幅最大值為67%，橫梁的應(yīng)力降幅最大值為71%，相對較大，斜拉索、上弦桿、下弦桿及塔底的應(yīng)力降幅最大值均不超過60%，相對較小。

4 結(jié) 論

本文以某長距離輸水工程中斜拉輸水管橋跨越結(jié)構(gòu)為研究背景，建立了斜拉輸水管橋有限元計(jì)算模型，分析了水-管-斜拉橋結(jié)構(gòu)動力特性，進(jìn)行了壓力輸水管道、斜拉橋結(jié)構(gòu)共振復(fù)核；基于特征線法求解水錘基本方程，計(jì)算了輸水工況轉(zhuǎn)換過程中的閥門快速關(guān)閉產(chǎn)生的水錘激勵(lì)效應(yīng)，分析了水錘激勵(lì)荷載作用下管橋主要構(gòu)件的動力響應(yīng)特性，深入研究了不同加載方式和閥門不同關(guān)閉歷時(shí)對構(gòu)件位移和應(yīng)力的影響規(guī)律，具體結(jié)論如下：

(1)壓力管道在無水及有水情況下，輸水管道與斜拉橋均無發(fā)生共振的可能性，隨著支墩間隔的增加，管道自振頻率略有降低，隨著橋面厚度的增加，橋梁自振頻率略有升高，但二者仍然存在較大的錯(cuò)開度，水力振源引起的管道振動不會引發(fā)管-橋耦合共振。

(2)水錘沖擊作用下管橋主要構(gòu)件主要發(fā)生順橋向位移，各工況位移幅值均在1 mm量級。鋼桁梁各組件主要發(fā)生橫向彎曲應(yīng)力，最大值在1 MPa量級，斜拉索最大應(yīng)力不超過20 MPa，計(jì)算中采用的水錘沖擊荷載作用不會對橋梁主要構(gòu)件的安全造成威脅或影響。

(3)水錘沖擊作用的非均勻加載方式使得管橋主要構(gòu)件動力響應(yīng)相對于均勻施加結(jié)果顯著增大，但仍不會引起構(gòu)件的失穩(wěn)或破壞。鋼桁梁組件中下弦桿、腹桿、橫梁及K型支撐的位移增幅超過60%，橋塔塔頂位移增幅為44%，相對較小。各構(gòu)件之間的不均勻變形使得構(gòu)件應(yīng)力幅值顯著增大，如鋼桁梁組中下弦桿、腹桿及橫梁的應(yīng)力增幅均超過70%；上弦桿和K型支撐的應(yīng)力增幅約為50%；斜拉索的應(yīng)力增幅達(dá)到56%；橋塔塔底處的應(yīng)力增幅相對較小。

(4)隨著閥門關(guān)閉歷時(shí)的增加，水錘壓力幅值逐漸降低，管橋主要構(gòu)件的動力響應(yīng)值也逐漸減小。鋼桁梁各組件在600 s關(guān)閥歷時(shí)下的最大位移相對于300 s關(guān)閥歷時(shí)減小60%左右；塔頂位移最大減幅為41%，相對較小。600 s關(guān)閥歷時(shí)下的最大應(yīng)力相對于300 s關(guān)閥歷時(shí)減小70%，主要發(fā)生在橫梁、腹桿、K型支撐梁等構(gòu)件上；斜拉索、塔底的應(yīng)力最大值減幅相對較小。