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摘 要：長输油管道输送工程设计的重要组成部分中就是跨越设计，桁架结构评价其简单的结构以及布置的灵活性、成熟的施工技术等等的优点广泛应用于跨越工程中。本文主要介绍尤其长输油管道桁架跨越结构设计问题进行说明。
关键词：输油管道 桁架跨越 优化设计 ANSYS有限元分析软件
跨越设计被当做是输油管道工程设计中的重点组成，然而其中的桁架跨越结构凭借其简单的结构以及就装备布置的灵活性等等的优点被广泛的应用到跨越工程中。支井河桁架跨越结构的设计是否合理是由其能否满足各式各样的工程施工环境下的工程强度以及稳定性决定的。除此之外，在设计支井河桁架跨越工程时，还要尽可能的节约工程的施工材料以及节省施工投资。对桁架跨越结构的结构优化设计以及分析工程的稳定性、模态和地震动态响应等等可以通过ANSYS软件实现。
一、长输油管道支井河桁架跨越结构
桁架结构安装布置比较灵活，具有广泛的应用，比较常用的工程有桥梁以及井架、塔架等等，它的作用就是起支撑稳定的作用。长输油管道输送桁架跨越结构的桁架式梁结构特点在于其大多杆件的受力都是单向的拉、压力，借由合理有效的布置上下弦杆以及腹杆，对结构内部弯矩以及剪力有很高的适应性。
桁架跨越结构设计要符合施工环境，环境不同应当采取不用的跨越策略。跨越距离不足百米时应当采用结构比较简单，具有明确受力以及方便施工的跨越方式。桁架截面的不同采取矩形以及三角形等等的形式。跨越距离大于百米，宜采用斜拉索、悬索或者两者结合的跨越方式。进行跨越，凭借地形优化跨越结构。若采用悬索跨越，利用山势不设塔架，在锚固墩上直接锚固主索，既缩短主索跨长，还能够对工程的投资进行减少。
二、输油管道桁架结构优化设计分析
从输油管道桁架结构设计方案设计过程中发现，桁架较为薄弱的地方在于弦杆，对弦杆的尺寸以及桁架梁抗弯强度进行考虑，进而对桁架结构进行优化是可行的。但是缺点在于会增加钢材的使用量。
据材料力学可得，简支架在均匀荷载作用下，弯矩在纵向的分布形式呈抛物线的形式，其中简支梁中部为最大弯矩的出现处，整个管桥抗弯强度受到桁架横截面高度的直接影响，同时还能够节省钢材的使用量，以总体受力性能仅相当于简支梁的桁架梁而言，因为在靠近支座处的弯矩并不大，等截面桁架的作用没有得到应有的体现，变截面桁架在保证结构强度以及稳定性等等的要求的同时还要使得桁架结构的所有杆件的作用能够完美的体现出来，变截面桁架对材料的节省也是非常有利的。
三、输油管道桁架跨越结构优化计算分析
采用ANSYS有限元分析软件来分析桁架结构设计方案，此分析软件主要解决工程结构的安全性能以及经济性、制作工艺等等方面存在的问题。此软件的使用受限要做的就是建立有限元分析模型。以巴东支井河路桥跨越结构工程为例进行说明。
通常情况下管桥有限元分析，单元类型有杆、梁、管三种。ANSYS软件分析中发现，杆单元对弯曲以及扭转变形没有考虑到，具有较高计算误差；管单元单一的类型，缺乏应用的灵活性；梁单元对截面形状能够自主定义，有广泛的应用。整个工程管桥所有构件的材料都是普通碳素钢，材料弹性模量定位210GPa，泊松比为0.3，密度为7.85kg/m?。以所有单元类型杆件截面特性为依据，建立起合适的截面尺寸。桁架下弦端点为原点，凭借对应坐标，建立点位置，最终将点连接起来形成模型。
通过ANSYS有限元分析软件分析计算可得，桁架中节点位移最大的部位为桁架中部，达到了20.6m，与之相对应的桁架下弦面主肢与中部相邻的部位拉应力最大为192MPa。材料（普通碳钢）屈服极限最小为216MPa，最大为235MPa。与之相对应的安全系数在1.13到1.22之间，明显偏低，所以，凭借大量模型计算结果来优化管桥结构具有非常重要的意义。依据上述优化，对改进后模型计算结果进行比较如下表：
模型编号 模型名称 最大应力/MPa 安全系数 跨中绕度/km 钢材消耗量/kg
1 原长方形设计方案 192 1.13 20.6 44083.14
2 矩形截面（弦杆D325mm*16mm） 153 1.41 16.9 50.528.31
3 矩形截面
（高3.0m） 161 1.34 15.1 46344.44
4 矩形截面
（高3.5m） 141 1.53 11.8 48664.94
5 等截面梯形（高2.5m，宽4m） 193 1.12 20.4 43760.11
由上表可知，最低屈服应力216MPa能够计算出最小安全系数，根据多年施工经验可知，1.4左右的安全系数为最合理安全系数。
根据上表数据得出，相同强度下，横截面高度增加比增加弦杆壁厚更能够节省材料；减小梯形截面底面宽度，能够降低安全系数，进而减少钢材相对使用量；增大截面高度，强度会有相应提升，能够相对减少钢材的使用量。
四、结束语
对比分析模型计算结果发现，长方形截面桁架，增加横截面高度具有良好的设计优化效果；对等截面梯形桁架截面底面宽度进行减少有良好优化效果，增大等截面梯形桁架截面，强度的提升需要更多的钢材来实现；优化桁架结构设计，增大变截面梯形桁架截面宽度以及高度变化率是不错的选择；提升结构强度，变截面梯形桁架的效果最佳，其次为等截面梯形桁架，但是变截面梯形桁架具有较高的制作工艺要求。
参考文献：
[1]史睿，刘延强.巴东支井河输气管道桁架跨越结构的优化设计分析[J].石油工程建设.2009-08-17
[2]史睿.川气东输管道工程支井河桁架跨越结构分析[D].中国石油大学.2009-04-01
[3]胡道华，杨晓秋.桁架式跨越通过高地震烈度区的抗震分析[J].油气储运.2011-06-25
[4]詹胜文，刘晓风等.忠武输气管道桁架梁式跨越设计的改进[J].油气储运.2005-4-24
[5]王明春.油气输送管道应力分析及应变设计研究[D].西南石油大学.2006-04-26
作者简介：
王华良（1987-），男（汉族），江苏徐州人，助理工程师，研究生，从事油气长输管道线路设计及防腐、科研工作。
关键词：输油管道 桁架跨越 优化设计 ANSYS有限元分析软件
跨越设计被当做是输油管道工程设计中的重点组成，然而其中的桁架跨越结构凭借其简单的结构以及就装备布置的灵活性等等的优点被广泛的应用到跨越工程中。支井河桁架跨越结构的设计是否合理是由其能否满足各式各样的工程施工环境下的工程强度以及稳定性决定的。除此之外，在设计支井河桁架跨越工程时，还要尽可能的节约工程的施工材料以及节省施工投资。对桁架跨越结构的结构优化设计以及分析工程的稳定性、模态和地震动态响应等等可以通过ANSYS软件实现。
一、长输油管道支井河桁架跨越结构
桁架结构安装布置比较灵活，具有广泛的应用，比较常用的工程有桥梁以及井架、塔架等等，它的作用就是起支撑稳定的作用。长输油管道输送桁架跨越结构的桁架式梁结构特点在于其大多杆件的受力都是单向的拉、压力，借由合理有效的布置上下弦杆以及腹杆，对结构内部弯矩以及剪力有很高的适应性。
桁架跨越结构设计要符合施工环境，环境不同应当采取不用的跨越策略。跨越距离不足百米时应当采用结构比较简单，具有明确受力以及方便施工的跨越方式。桁架截面的不同采取矩形以及三角形等等的形式。跨越距离大于百米，宜采用斜拉索、悬索或者两者结合的跨越方式。进行跨越，凭借地形优化跨越结构。若采用悬索跨越，利用山势不设塔架，在锚固墩上直接锚固主索，既缩短主索跨长，还能够对工程的投资进行减少。
二、输油管道桁架结构优化设计分析
从输油管道桁架结构设计方案设计过程中发现，桁架较为薄弱的地方在于弦杆，对弦杆的尺寸以及桁架梁抗弯强度进行考虑，进而对桁架结构进行优化是可行的。但是缺点在于会增加钢材的使用量。
据材料力学可得，简支架在均匀荷载作用下，弯矩在纵向的分布形式呈抛物线的形式，其中简支梁中部为最大弯矩的出现处，整个管桥抗弯强度受到桁架横截面高度的直接影响，同时还能够节省钢材的使用量，以总体受力性能仅相当于简支梁的桁架梁而言，因为在靠近支座处的弯矩并不大，等截面桁架的作用没有得到应有的体现，变截面桁架在保证结构强度以及稳定性等等的要求的同时还要使得桁架结构的所有杆件的作用能够完美的体现出来，变截面桁架对材料的节省也是非常有利的。
三、输油管道桁架跨越结构优化计算分析
采用ANSYS有限元分析软件来分析桁架结构设计方案，此分析软件主要解决工程结构的安全性能以及经济性、制作工艺等等方面存在的问题。此软件的使用受限要做的就是建立有限元分析模型。以巴东支井河路桥跨越结构工程为例进行说明。
通常情况下管桥有限元分析，单元类型有杆、梁、管三种。ANSYS软件分析中发现，杆单元对弯曲以及扭转变形没有考虑到，具有较高计算误差；管单元单一的类型，缺乏应用的灵活性；梁单元对截面形状能够自主定义，有广泛的应用。整个工程管桥所有构件的材料都是普通碳素钢，材料弹性模量定位210GPa，泊松比为0.3，密度为7.85kg/m?。以所有单元类型杆件截面特性为依据，建立起合适的截面尺寸。桁架下弦端点为原点，凭借对应坐标，建立点位置，最终将点连接起来形成模型。
通过ANSYS有限元分析软件分析计算可得，桁架中节点位移最大的部位为桁架中部，达到了20.6m，与之相对应的桁架下弦面主肢与中部相邻的部位拉应力最大为192MPa。材料（普通碳钢）屈服极限最小为216MPa，最大为235MPa。与之相对应的安全系数在1.13到1.22之间，明显偏低，所以，凭借大量模型计算结果来优化管桥结构具有非常重要的意义。依据上述优化，对改进后模型计算结果进行比较如下表：
模型编号 模型名称 最大应力/MPa 安全系数 跨中绕度/km 钢材消耗量/kg
1 原长方形设计方案 192 1.13 20.6 44083.14
2 矩形截面（弦杆D325mm*16mm） 153 1.41 16.9 50.528.31
3 矩形截面
（高3.0m） 161 1.34 15.1 46344.44
4 矩形截面
（高3.5m） 141 1.53 11.8 48664.94
5 等截面梯形（高2.5m，宽4m） 193 1.12 20.4 43760.11
由上表可知，最低屈服应力216MPa能够计算出最小安全系数，根据多年施工经验可知，1.4左右的安全系数为最合理安全系数。
根据上表数据得出，相同强度下，横截面高度增加比增加弦杆壁厚更能够节省材料；减小梯形截面底面宽度，能够降低安全系数，进而减少钢材相对使用量；增大截面高度，强度会有相应提升，能够相对减少钢材的使用量。
四、结束语
对比分析模型计算结果发现，长方形截面桁架，增加横截面高度具有良好的设计优化效果；对等截面梯形桁架截面底面宽度进行减少有良好优化效果，增大等截面梯形桁架截面，强度的提升需要更多的钢材来实现；优化桁架结构设计，增大变截面梯形桁架截面宽度以及高度变化率是不错的选择；提升结构强度，变截面梯形桁架的效果最佳，其次为等截面梯形桁架，但是变截面梯形桁架具有较高的制作工艺要求。
参考文献：
[1]史睿，刘延强.巴东支井河输气管道桁架跨越结构的优化设计分析[J].石油工程建设.2009-08-17
[2]史睿.川气东输管道工程支井河桁架跨越结构分析[D].中国石油大学.2009-04-01
[3]胡道华，杨晓秋.桁架式跨越通过高地震烈度区的抗震分析[J].油气储运.2011-06-25
[4]詹胜文，刘晓风等.忠武输气管道桁架梁式跨越设计的改进[J].油气储运.2005-4-24
[5]王明春.油气输送管道应力分析及应变设计研究[D].西南石油大学.2006-04-26
作者简介：
王华良（1987-），男（汉族），江苏徐州人，助理工程师，研究生，从事油气长输管道线路设计及防腐、科研工作。