作者：詹胜文,王卫国
出版社：石油工业出版社
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大跨度管道悬索跨越设计与施工试读：
大跨度管道悬索跨越设计与施工詹胜文 王卫国 主编石油工业出版社内容提要本书在阐述悬索跨越的历史和发展现状的基础上，重点介绍了悬索跨越总体及各分部工程的设计方法及施工工艺，并对国内典型的悬索跨越案例进行了系统、详细的分析。全书是在总结近年管道悬索跨越工程设计、施工和科研技术的基础上编写而成，书中引用了大量的工程实例，展现了国内悬索跨越设计与施工的最新成果。
本书可供从事长输管道设计、施工、科研和运营管理人员使用，也可供高等院校相关专业师生参考。
图书在版编目(CIP)数据
大跨度管道悬索跨越设计与施工/詹胜文,王卫国主编.北京：石油工业出版社，2013.12
ISBN 978-7-5021-9854-1
Ⅰ. 大…
Ⅱ. ①詹…②王…
Ⅲ. ①大跨度结构-管道-悬索结构-结构设计
②大跨度结构-管道-悬索结构-工程施工
Ⅳ. U17
中国版本图书馆CIP数据核字(2013)第258726号
出版发行：石油工业出版社
(北京安定门外安华里2区1号 100011)
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2013年12月第1版 2013年12月第1次印刷
787×1092毫米 开本：1/16 印张：15.25
字数：365千字
定价：75.00元
(如出现印装质量问题，我社发行部负责调换)
版权所有，翻印必究《大跨度管道悬索跨越设计与施工》编委会
主 编：詹胜文 王卫国
副 主 编：张文伟 续 理 王冰怀 赵 蕊
李海鹏 史明义
编写人员：左雷彬 李顺来 王学军 初宝民
李国辉 马红昕 郝朝利 杨 建
李 勇 吴 疆前 言
悬索桥在公路交通部门中已大量应用，对于设计与施工方面的专著，市场上亦有不同版本。管道悬索跨越与公路悬索桥最大的不同是使用功能和荷载的不同，公路悬索桥是为了满足车辆、行人的通过需要，而管道悬索跨越主要是实现油气管道跨过障碍的需要。由于功能和荷载的差异，管道悬索跨越的结构选型、设计、计算、施工及相关要求等与公路悬索桥有很大的差别。本书重点介绍管道悬索跨越，旨在形成一套适合大跨度管道悬索跨越的设计与施工方法。
在我国200m以上的管道大型跨越中，悬索跨越形式占了大部分，悬索跨越以其跨越能力大、受力合理、抗震性能好、设计施工成熟、外形美观等优点成为大跨度管道跨越的首选。国外超过150m的跨越中，绝大部分亦为悬索结构。
苏联和美国于20世纪二三十年代在管道建设中就开始采用悬索形式跨越障碍物。50—70年代，是苏联和美国悬索跨越建设的高峰期，此间建造了大量的悬索跨越，目前统计约有100多座。其中美国密苏里河跨越主跨为824m，苏联第聂伯河跨越主跨为720m。
我国的长输管道建设起步较晚，管道悬索跨越在20世纪70年代末和80年代初才开始出现，受到材料、计算手段、科技水平的限制，发展缓慢。90年代以来，随着长输管道建设高潮的到来、国内悬索桥的材料及设计方法的进步，管道悬索跨越的设计和施工才有了较大的进步。
中缅油气管道和中贵联络线工程的建设，开创了长输管道大跨度悬索跨越设计和施工的新时代。特殊荷载工况下大跨度、多管同跨的悬索跨越给大跨度悬索跨越设计和施工提出了新的课题，如多管布置、刚性桥面、高强混凝土桥塔、节段和全桥模型风洞试验、定量环境风险评价、预制平行丝股空中送丝法（PPWS法）主索施工、施工监控、运营监控、隧道锚等。这些新的设计与施工方法标志着我国在大跨度悬索跨越的科研、设计和施工方面迈上了新的台阶，有的甚至进入了国际先进行列。
本书一共八章，第一章为概述，介绍了悬索跨越的历史、现状和发展展望。第二章为悬索跨越结构与受力特征，介绍了管道悬索跨越的各部分组成及基本受力特征。第三章为悬索跨越的设计，介绍了悬索跨越的总体设计和各部分构件的设计方法与设计思路，提供了在实际工程中的一些案例分析。定量环境风险评价在跨越设计中是一项新的内容，此处着重做一案例介绍，对于管道的应力计算，热补偿计算及管道固定墩等管道相关计算内容，管道设计手册中有明确的计算方法，此处不再详细叙述。第四章为悬索跨越的动力影响分析，介绍了跨越结构动力分析方法，动力影响分析主要针对风载、清管和地震三项动荷载进行了介绍。第五章为悬索跨越安全性分析，从设计和运营角度分析了跨越结构的本质安全和运营安全。第六章为悬索跨越的施工，介绍了管道悬索跨越主要施工工艺，对于主索分股和不分股的不同施工方法进行了分项叙述，此章对于基坑、基础、测量、混凝土及钢结构等常规的施工方法没有详细叙述，可以参照公路、铁路行业的相关做法。第七章为施工监控，介绍了施工监控在管道悬索跨越施工中的应用条件及主要监控内容。第八章为悬索跨越工程实例，此处选择了我国五座比较典型的跨越设计施工实例，对于国外的悬索跨越实例，此处没有列入，主要是国外近年来的大跨度悬索跨越建设很少，且较早期的悬索跨越与我国的规范有一些差别，如我国要求大中型跨越必须设置检修道，而国外一般不设置等。
本书是在总结近年管道悬索跨越工程设计、施工和科研技术的基础上编写而成的，书中引用了大量的工程实例，展现了国内悬索跨越设计与施工的最新成果。本书编写过程中，得到了中国石油天然气管道局高泽涛局长助理和中国石油天然气管道局管道设计院桑广世副院长的指导，得到了中铁大桥局集团有限公司肖世波经理、山东中石大工程设计有限公司邹大庆总工程师和西南交通大学张勤的支持，在此一一表示感谢。
由于编者水平有限，错误和不妥之处在所难免，敬请读者批评指正。第一章 概 述
管道悬索跨越，就是指以悬索为主要承重结构的管道跨越。悬索跨越主要由缆索、塔架、锚固墩、桥面结构、管道固定墩等组成，其受力简单明确。
随着高强度钢丝的出现，悬索结构能充分利用钢丝的受拉性能，故悬索结构越来越多地用于大跨度的跨越中。
根据GB 50459—2009《油气输送管道跨越工程设计规范》规定，单跨跨度超过150m的跨越工程为大型跨越工程，本书着重论述跨度超过150m的大型跨越工程。第一节 悬索跨越的发展历史
管道悬索跨越是参照公路部门的悬索桥形式发展起来的。
就像“横木为梁”一样，悬索桥源于热带地区的藤类植物，以树为塔，以藤为索，以木为梁，以石块为锚，就成了古老形式的悬索桥（图1-1）。图1-1 古老形式的悬索桥
我国的泸定铁索桥是世界上最早的用金属材料建成的悬索桥。该桥长102.6m，宽2.97m，高16.5m，以9根铁链作为底索，上铺木板，形成桥面，4根铁链为扶手索（图1-2）。图1-2 泸定桥及所用铁链一、国外的悬索跨越
公路悬索桥在18世纪后期已经发展得比较成熟，著名的布鲁克林桥建成于1883年，与帝国大厦和昔日的世贸双塔，一直是纽约的标志性建筑。主跨跨度486m，已历经百年沧桑，至今使用良好。图1-3为使用良好的布鲁克林悬索桥（公路悬索桥）。图1-3 布鲁克林悬索桥
回顾管道悬索跨越的发展历史，1926年在拜尔斯附近的红河上建了第一座管道悬索跨越，是一座多跨悬索桥，总跨度676.8m，由得克萨斯气体公司修建，从那以后，在西方，特别是美国，管道悬索跨越飞快发展。
自此以后，美国在1926年至1931年间，陆续建成了7座管道悬索跨越，其中小兰河桥主跨跨度150m，是当时建成的最大主跨的悬索[1]桥，主索采用了2.5in的钢丝绳，风索采用了2in的钢丝绳。
1931年至1951年，密苏里河桥单跨跨度达到396m，是当时最大跨度的悬索桥。这期间，关于风振，有了一个重大发现。科罗拉多河跨越主跨306m，塔架高35.1m，架设一条30in的天然气管道，跨越建成后，人们注意到了一个现象，跨越管桥最大的运动发生在风很小的[2]日子，经过试验，发现风振在每小时6mile以下，管道的圆柱形结构在风作用下产生涡流，使得管道上下起伏运动。这就是早期对风抖振的认识。
这之后，直到20世纪70年代末，美国建造了大量的悬索跨越，其中1955年建成的密西西比河跨越跨度达到645m。美国的跨越均没有桥面结构，不设置检修通道。20世纪80年代后，由于非开挖定向钻的兴起及其他非开挖技术的发展，跨越逐步减少，近30年来，美国的悬索跨越建的不多，但是30年前所建的跨越，目前大都还在服役之中。
苏联悬索跨越的发展始于1929年左右，当时建成了巴库—巴统原油管道山区102m跨度的悬索跨越，这就是苏联最早的悬索跨越了。这之后，苏联的悬索跨越技术迅速发展，基本上与美国同步，向大跨度、计算机程序计算发展。同时对风振、地震等的认识逐步加深。
国外的长输管道悬索跨越著名的有美国密苏里河跨越（主跨824m）和苏联第聂伯河跨越（主跨720m），目前，据不完全统计，国外有200座以上长输管道悬索跨越。
图1-4～图1-6为国外早期和近期的悬索跨越。图1-4 国外早期悬索跨越（一）图1-5 国外早期悬索跨越（二）图1-6 国外近期悬索跨越二、国内的悬索跨越
国内悬索跨越起步较晚，发展大致可分为3个时期：（1）开始时期。20世纪70年代末80年代初，是管道悬索跨越开始时期，这个时期长输管道刚开始较大规模建设，悬索跨越刚被人所认识，设计、材料、施工均不是很成熟，主索采用的是弹性模量较小的钢丝绳，防腐亦采用涂抹黄油的方式，吊杆多为钢拉杆，设计多采用的是静力计算、手工计算。（2）发展时期。20世纪90年代到21世纪初，悬索跨越经历了一个快速发展时期，这个时期随着钢丝绳等材料及计算手段、施工设备的发展，建设者对悬索跨越的设计与施工有了更多的认识，有限元计算开始应用到跨越计算中，使计算更精确。（3）提高时期。自2008年开始，中缅油气管道、中贵联络线、兰成原油管道等工程的开工建设，建设者对跨越结构的安全尤为关心，同时对于跨越结构的耐久性、动力稳定性均有了新的认识。这时期，设计人员对跨越结构的安全进行了全方位的认证，对跨越动力影响进行了系统的分析，将公路部门的一些新的材料、施工方法引入到了管道悬索跨越设计中，并对国外悬索跨越的发展进行了深入的研究，应该说管道悬索跨越的设计与施工已经达到国际先进水平。
图1-7～图1-10为马惠宁管道其中一处悬索跨越、陕京线黄河跨越及西南成品油管道的两处跨越。图1-7 马惠宁管道悬索跨越（20世纪70年代）图1-8 陕京线黄河跨越（20世纪90年代）图1-9 西南成品油管道大环江跨越（21世纪初）图1-10 西南成品油管道洛村龙江跨越（21世纪初）第二节 国内外管道悬索跨越现状一、国内跨越现状
中国在20世纪70年代末80年代初，开始了大规模长输管道建设，由于当时的非开挖技术落后，管道过沟谷河道大都采用开挖和跨越形式，比较有名的有马惠宁管道4个悬索跨越（最大主跨280m）、天津子牙河跨越、东营临邑输油管道徒骇河跨越（主跨220m）、陕京一线黄河跨越（主跨270m）等。20世纪90年代末以来，长输管道建设第一个高峰到来，由于地质复杂，山高谷陡，有些地方不得不采用跨越形式，对于大跨度的跨越，悬索跨越居多，如，忠武线管道工程4座跨越（最大主跨200m）、涩宁兰管道工程黄河跨越（主跨300m）、兰成渝管道工程2座悬索跨越等。随着对跨越安全及检修要求越来越高，跨越结构要求设置检修通道，管道敷设于桥面上。中缅管道工程油气管道悬索跨越有5座：怒江悬索跨越（主跨320m）、澜沧江悬索跨越（主跨280m）、红水河悬索跨越（主跨300m）、漾濞江悬索跨越（主跨230m）、龙江悬索跨越（主跨190m）。中贵联络线大型悬索跨越1座，即乌江悬索跨越（主跨310m）。近年来已经建成的悬索跨越（部分）见表1-1。表1-1 国内近年来已经建成的悬索跨越（部分）一览表续表二、国外跨越现状
国外悬索跨越自1926年开始，此后的几十年，美国、苏联建造了大量的管道悬索跨越，大部分悬索桥直至目前还在安全运营中。近20多年来，随着非开挖技术的发展，特别是定向钻、盾构、顶管技术的发展，跨越管道较少应用，但是跨越技术一直没有被淘汰，时有采用。国外管道悬索跨越(部分)见表1-2。表1-2 国外悬索跨越（部分）一览表续表续表
图1-11为2005年建成的巴布亚新几内亚黑兹哥峡管道桥。图1-11 巴布亚新几内亚黑兹哥峡管道桥（2005）第三节 管道悬索跨越的展望
美国在1955年，建成了密苏里河悬索跨越，跨度达到824m，为目前为止最大跨度的悬索跨越，苏联亦建成了多座300～400m主跨跨度的悬索跨越。我国在2001年建成的涩宁兰黄河跨越主跨300m，中缅油气管道怒江跨越主跨320m，中贵联络线乌江跨越主跨310m，中缅红水河跨越主跨跨度300m，这几座跨越主跨均超过300m。近年来大跨度悬索跨越的设计与施工有了很大发展，主要依赖以下几方面因素:
(1)新的计算工具出现，有限元计算程序的出现，可以精准地分析跨越结构。
(2)新的材料出现，如高强度钢丝和高强混凝土。
(3)新的制造和安装方法，如工厂化的生产和设备。
(4)对风载、地震、清管等动力荷载的研究改进。
(5)模型试验、疲劳试验和断裂力学实验技术的不断发展。
(6)更好的质量控制和施工控制。
对悬索跨越的发展，笔者有如下建议：
(1)设计理论的研究。
悬索跨越的设计理论，从古典的弹性理论、挠度理论、线性挠度理论，到现在广泛使用的有限变形理论和各种非线性理论和动力分析，考虑了各种变形情况和边界条件，从微分到有限元、矩阵分析，应加强系统研究。
国内悬索跨越计算，在20世纪90年代以前，基本只进行静力计算和手工计算，且只考虑材料弹性范围，随着计算机应用的普及及有限元软件的发展，有限元计算以其计算精确、速度快、考虑了材料的非线性等优势，越来越被大家所认可。
有限单元法的基本思想是把具有无限个自由度的连续体，理想化为有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题。因此，只要确定了单元的力学特性，就可按结构分析的方法来求解，使分析过程大为简化。
悬索跨越是一个非线性、多静定的柔性体系，公式计算不仅繁琐，而且很难得到精确的解，有限元计算可以较简单而精确地解决非线性、超静定等复杂结构计算问题以及动力计算问题，随着电子计算机的发展，有限元程序的发展，利用有限元计算悬索结构已经被越来越广泛地利用。
(2)设计规范的修订、补充。
目前国内油气管道跨越设计规范还不够完善，有些荷载的计算、组合不清晰，结构的允许变形不明确，对悬索跨越的抗风、抗震和监控等没有成熟的规范可依，公路规范和标准不能完全适应管道跨越，管道跨越的规范应进行修改完善。
(3)施工方法应不断改进。
目前，管道跨越的施工方法基本参照公路悬索桥的施工方法，但是管道悬索跨越一般恒载较小、桥面较窄、柔性较大，一些公路部门的大型设备、机具在管道跨越上并不完全适应，应针对管道跨越的特点，设计出一套适合管道跨越施工的特有的施工方法和设备。
(4)对悬索跨越全寿命周期的考虑。
目前，悬索跨越设计与施工中对悬索跨越运营全寿命周期考虑较少，运营过程中的维护和监控等与设计、施工脱节，建议进行一整套跨越全寿命周期的设计、施工、监控、维护等的研究，保证长输管道控制性工程的长期安全、稳定运行。
(5)健康监测。
对跨越长期安全运行，有必要开发一套成熟的健康监测系统，目前，健康监测相关硬件设施在公路桥梁上已经有成熟的应用，但是软件系统不同于公路桥梁系统，迫切需要开发一套成熟的适合管道悬索跨越的分析软件系统。
(6)环境、风险专项评估。
在国际油气管道失效数据库中，还没有专门的大型跨越管道失效数据，对大型重要的悬索跨越，专项安全评估和环境影响评价均没有成熟的先例，随着国家对安全和环境的高度重视，对于此项研究有着重要的现实意义。
(7)多跨悬索及混合性悬索跨越结构研究。
目前国内管道悬索跨越均为单跨悬索，多跨悬索跨越在国外有先例，但是在国内还没有先例，悬索与斜拉索等跨越混合结构亦没有采用过。对于一些特殊的地形地貌和地质条件，以上结构方案均可以研究。[1]1in=25.4mm。[2]1mile=1609.344m。第二章 悬索跨越结构与受力特征第一节 悬索跨越结构基本组成
管道悬索跨越主体结构包括主索、风索主索、塔架、基础、锚固墩、桥面结构、鞍座、散索套（主索现场合股的悬索跨越）、索夹及吊索、共轭索、稳定索等。
桥面结构通过索夹与吊索实现与主索的连接,主索在塔顶通过索鞍或者连接板实现转角。
图2-1所示为悬索跨越结构基本组成（带边跨，不带共轭索）。图2-1 悬索跨越结构基本组成
(1)主索。
主索是全桥受拉的结构，两头锚固于锚固墩上，中间支撑于主塔上，通过主塔上的索鞍或者连接板，实现转角，通过吊索悬挂桥面结构，同时主索对主塔提供纵向约束。
(2)风索主索。
风索主索是抗风系统的主要受力结构，一般对称布置于桥面轴线的两侧，通过风索拉索连接于桥面结构。风索系统一般斜向上连接于桥面，与水平面有一定夹角，这样既可以承受来自水平方向的风荷载，亦可以保证在清管、地震或竖向风载等作用下，管桥的竖向结构稳定。
(3)塔架。
塔架支撑主索和桥面结构，将荷载通过基础传递给地基，塔架除竖向作为主索的支撑外，还起到约束主索的侧向位移的作用。
(4)基础。
基础主要是指塔架基础，是承受塔架传递的竖向力及弯矩并将其传递给地基的结构。一般来说，塔架基础承受较大的竖向力和弯矩，故基础应用较多的是桩基础，对于地基条件较好的，亦常采用钢筋混凝土扩大基础。
(5)锚固墩。
锚固墩包括主索锚固墩和风索锚固墩，锚固墩的作用是保证主索及风索主索在锚固点不动。
(6)桥面结构。
桥面结构通过吊索和索夹悬挂于主索上，为管道通过和人员检修提供支撑平台。管道跨越的桥面结构一般截面尺寸较小，故桥面结构对整个跨越提供的刚度有限。
(7)鞍座。
鞍座为主索转角提供匀顺的支撑面。鞍座只用于主索在塔顶不断开的情况。鞍座包括主鞍座和散索鞍座，凡是主索连续平顺转角处均需要设置鞍座。
(8)散索套。
对于现场合股的主索，在主索散开前，无需要转角处，是设置的约束主索由合股到散开的过渡段约束结构。
(9)索夹及吊索。
主索索夹与吊索实现桥面结构悬挂于主索上的功能。抗风索索夹及吊索连接抗风索主索和桥面结构。
(10)共轭索。
共轭索索系是与主索吊索索系对称布置的竖向结构，布置在桥面结构的下方，呈抛物线形式布置，用以增加管桥的竖向刚度。
(11)稳定索。
稳定索也称频率干扰索，是在主索和抗风索主索之间隔一定距离布置的拉索，起振动阻尼作用，用于干扰主索和抗风索主索共振频率。第二节 悬索跨越受力特征一、悬索跨越整体受力特征
管道悬索跨越从受力性能上具有如下特点：
(1)由高强钢丝编制而成的主索是受拉结构，没有受拉失稳的问题，主索全长范围内没有截面削弱。
(2)桥面结构基本不受轴向力，桥面结构的受力与跨越的跨度没有必然联系。
(3)塔架结构受到主索强劲的约束，稳定问题不突出，高度的选择范围大。
(4)锚固墩可以设置成重力式锚固墩或隧道锚。
(5)吊索和风索拉索是竖直拉索，没有弹性模量折减问题。
(6)风索系统施加预应力，能较好地提供跨越刚度和侧向稳定。
悬索跨越与其他跨越形式相比，跨度越大，悬索形式优势越明显。其他跨越结构形式主要承重构件的截面积，总是随着跨度增大而剧增，致使材料用量增加很快，但是大跨度悬索跨越的桥面结构不是主要承重构件，其截面积并不需要随着跨度的增大而增加。
上述有利条件为悬索跨越做成大跨度跨越创造了基本条件，故悬索跨越往往用于超过150m的大跨度跨越中。二、主要构件受力特征
主索是结构体系中的主要承重构件,其形状直接影响到整个体系的受力分配和变形,主索的主要受力特征如下:
(1)主缆是几何可变体,主要承受张力。主索可通过自身几何形状的改变来影响体系平衡,具有大位移的力学特征,这是区别于一般结构的重要特征之一。
(2)主索在恒载作用下具有很大的初始张拉力,使主索维持一定的几何形状。初始张拉力对后续结构形状提供强大的重力刚度,这是悬索跨越跨径得以不断增大、而桥面结构无需加大的原因。
主塔是悬索桥抵抗竖向荷载的主要承重构件,在外荷载作用下,以轴向受压为主,并应尽量使外荷载在主塔中产生的弯曲内力减小,以减小桥塔由于徐变带来的塔形改变,增加结构抵抗外载的能力。主塔在外荷载作用下的受力特征可表现为两种形式:
(1)恒载状态下,主塔基本无弯曲内力。这是大部分已建悬索跨越塔架的受力状态。
(2)恒载、活载及地震荷载作用下,主塔正负弯曲包络图基本对称或正负弯矩包络按某一比例分配。
桥面结构是悬索跨越保证管道运营、提供结构刚度的二次结构,主要承受弯曲内力。由悬索跨越施工方法可知,桥面结构的弯曲内力主要来自二期恒载和活载。
一期恒载作用下,桥面结构呈简支梁弯矩分配;二期恒载作用下,桥面结构承受与主缆共同作用下的弯曲内力。这种受力状态是按桥面结构先铰接后连续、再施加二期荷载而得到的。
吊索是将外荷载传递到主索的传力构件,是联系桥面结构和主索的纽带,承受轴向拉力。吊索内恒载初始张力的大小,既决定了主索在成桥状态的真实索形,也决定了桥面结构的恒载弯矩,是研究悬索桥内力状态的关键。三、悬索跨越刚度特征分析
主索矢跨比、恒载、主跨与边跨的关系、边跨是否悬吊、主索截面面积都是结构刚度和挠跨比的重要影响因素。塔架刚度、吊索布置、桥面结构的刚度对悬索跨越整体刚度影响不大，但是对于小跨度（150m以下）的悬索跨越有一定影响。
悬索跨越的刚度来源于跨越结构的弹性刚度和重力刚度。
弹性刚度来自包括主索、风索主索、塔架、桥面结构在内的各构件的拉伸和压缩的刚度（EA）及轴惯性矩（EI）；重力刚度是由悬索桥主索受力产生的主索几何刚度。J.A.Roebling在设计世界上第一座长大跨度公路悬索桥时，认识到重力刚度的重要性，该桥跨度250m，建成于1855年，平稳通过了铁路机车，见证了悬索桥通过铁路的历史。
原本是柔性的主索，因承受重力而产生的抵抗变形的刚度，这就是重力刚度，重力刚度实际上反映主索的拉力，反映到结构刚度上为拉力与单元长度的比值N/L（受拉为正，受压为负），对于设计，有两项指标直接影响主索的重力刚度，一是矢跨比，二是主索的安全系数。
主索拉力越大，绷得越紧，受荷载作用抵抗变形的能力越强，这就好比拧紧后二胡的琴弦，用手指拨动可以感受其拉力大小，发出的音反映其源自于几何刚度的振动频率。
管道跨越的桥面结构一般只用于支撑管道的平台，并作为检修通道，故管道悬索跨越的桥面结构为整个悬索跨越提供的刚度非常微小。
风索系统一般施加预应力，预应力大小对于跨越结构的侧向刚度影响很大。
根据目前的设计习惯及需要，悬索跨越的风索主索在跨越施工安装完成后一般施加预应力，预应力的大小对悬索跨越系统刚度，特别是侧向刚度影响非常大。
大量的管道悬索跨越实践证明，对于管道跨越，刚度关注主要集中在使用条件下跨越结构的动力反应，如管道通球试压工况下，跨越结构的振动变形，风振对管道耐久性的影响，运营状态下满足管道输送的刚度并没有困难。四、悬索跨越竖向变形特征
悬索跨越在某些荷载作用下（特别是管道通球试压过程中），桥面结构一部分区域下挠，一部分区域上挠（图2-2），发生这种变形时，主索并不需要出现明显的伸长量，此时，主索截面的EA对抵抗变形并没有发挥充分的作用，抵抗这种变形的能力主要来源于跨越结构的几何刚度。具体表现为主索的重力刚度和风索预应力提供的结构刚度。图2-2 跨越竖向变形示意图五、悬索跨越的约束特征
如图2-2所示，主索在锚固墩处锚固不动，在塔顶受到主塔竖向支撑和横向约束；塔架底部支撑与基础上，顶部受到主索的纵向弹性约束；桥面结构悬挂于吊索上，管道悬索跨越的桥面结构由于截面小，实际上它提供的刚度很小，故在管道跨越中，通常作为一种竖向恒荷载，桥面结构的两端，也不同于公路桥梁的支座，一般做成铰接结构，形同于简支梁两端。锚固墩固定不动，锚固墩由于基础变形产生的位移必须得到严格控制。第三章 悬索跨越的设计第一节 跨越选址、勘测与专项评价一、悬索跨越位置选择
大型悬索跨越位置选择在可行性研究阶段就应该进行充分的论证，一般情况下是以线定位，根据线路的总体走向，在局部范围内调整跨越位置，但是对于地形、地貌、地质条件特别复杂的跨越工程，需考虑具体跨越位置的选择，必要时要调整线路的走向。1.悬索跨越选址基本原则
大型悬索跨越位置选择一般应遵循以下原则：
(1)符合线路总走向，线路局部走向可根据跨越位置进行调整；对于跨越处地形地貌和地质水文条件特别复杂的跨越，线路走向应服从跨越位置。
(2)满足地方规划、河道以及大堤等地方管理部门要求。
(3)避开一级水源地，在有条件的情况下避开其他等级水源地。
(4)避开鱼类保护区核心区，在有条件的情况下避开鱼类保护区缓冲区和实验区。
(5)选择在河道较窄、顺直、水流平缓地段；当河流有弯道时，尽量避开弯曲河段。
(6)选择在两岸侧向冲刷及侵蚀较小，岸坡稳定的地带。
(7)避开河流汇合口河段及河道变迁河段。
(8)尽量避开灾害性地质地段（如活动地震断裂带、滑坡、岩溶等），选择在有良好、稳定地层的地方。
(9)不宜选在河道经常疏浚加深、岸蚀严重或滩地冲淤变化强烈的地段。
(10)附近需有一定的施工场地及交通运输条件。
(11)两岸高差较小，方便悬索跨越对称布置。
跨越位置选择需要进行多方面的论证，亦需要经验丰富的设计人员选定。对于复杂的大型跨越，应进行多位置比选。2.建设条件的选择（1）悬索跨越适应于水深、通航要求高或航道条件复杂、河道中间不宜架设基础的江河跨越。如中缅油气管道怒江跨越即为河道水深、规划通航要求高的河道（图3-1）。（2）悬索跨越适应于峡谷地貌的沟谷一跨过江的跨越。忠武输气管道野三河跨越即属于典型的峡谷跨越（图3-2）。（3）悬索跨越适应于两岸岸坡稳定、地质良好、河床不摆动、塔架架设较方便、有一定的施工场地的沟谷河道。图3-1 中缅油气管道怒江悬索跨越效果图图3-2 忠武输气管道野三河跨越地形地貌
中缅油气管道红水河跨越位于广西来宾，两岸地质良好，岸坡稳定，施工场地宽阔方便，但是水文复杂，通航要求高，适合采用大跨度悬索跨越（图3-3）。图3-3 中缅油气管道红水河悬索跨越效果图（4）主索锚固墩和风索锚固墩承受巨大的主索拉力，需要合适的地质条件。二、测量与勘察
大型悬索跨越往往是一项工程的控制性工程，其设计阶段应严格按照可行性研究、初步设计和施工图阶段至少三阶段进行。可行性研究阶段，对于大型悬索跨越建议进行选址勘察，以确定其方案的可行性。初步设计阶段，初步勘察之后，应进行跨越方案的初步设计，并进行各项评价。方案确定后，建议提前进行详细勘察，控制性工程一般工期较长，需要提前施工。
测量和勘察，应按现行国家标准GB/T 50539—2009《油气输送管道工程测量规范》和GB 50568—2010《油气田及管道岩土工程勘察规范》，根据设计阶段的要求单独进行跨越工程的测量和勘察，取得跨越所需场区工程测量和工程地质资料。三、工程专项评价
大跨度管道悬索跨越应单独进行《河流防洪影响评价报告》、《通航安全影响论证报告》或《通航安全评估报告》、《水生生物保护区评价报告》、《岸坡稳定性评价报告》，对于干线河流的大型输油管道跨越，建议进行专项《定量环境风险评价》。对于《地震安全性评价报告》、《环境影响评价报告》、《水土保持评价报告》、《地质灾害危险性评估报告》、《安全预评价报告》和《矿产压覆评价报告》等相关评价（估）报告，一般不对跨越单独进行评价，放在整体项目中进行评价。1.河流防洪影响评价
根据《中华人民共和国防洪法》、《河道管理范围内建设项目管理的有关规定》（水利部、国家计委水政〔1992〕7号），河道主管部门审查河道管理范围内建设项目的审查内容为：
(1)是否符合江河流域综合规划和有关的国土及区域发展规划，对规划实施有何影响。
(2)是否符合防洪标准和有关技术、管理要求。
(3)对河势稳定、水流形态、水资源、冲淤变化有无不利影响。
(4)是否妨碍行洪、降低河道泄洪能力。
(5)对堤防、护岸和其他水工程安全的影响。
(6)是否妨碍防汛抢险。
(7)建设项目防御洪涝的设防标准与措施是否适当。
(8)是否影响第三人合法的水事权益。
(9)是否符合其他有关规定和协议。
防洪影响评价报告的编制应符合2004年7月28日水利部办公厅以办建管〔2004〕109号文颁布施行的《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则》（试行）的规定。包括以下主要内容：（1）概述；（2）基本情况；（3）河道演变；（4）防洪评价计算；（5）防洪综合评价；（6）防治与补救措施。2.通航安全影响论证
通航安全影响论证报告主要由航道管理部门负责，委托有资质的单位进行评价，仅对于同航河流的跨越，对于河道中间没有基础，跨越高度远远高于航道净高要求的悬索跨越，与地方沟通后可以不做专项论证。
通航安全影响论证报告主要论证航道现状、航道规划、航道水深、结构与水面净高及锚地抛锚安全等。3.水生生物保护区评价
水生生物保护区评价一般是指经过特种鱼类或其他生物的保护区、缓冲区等，需对经过保护区的管道跨越进行专项设计方案、施工过程和运营过程中的评价。
水生生物保护区评价一般由农林畜牧等相关部门提出，由有资质的单位进行评价，主要内容为：
(1)项目概况。
(2)保护区概况及相关要求。
(3)评价区域的生态环境现状调查。
(4)施工期和运行期主要影响因素分析。
(5)工程对保护区影响评价。
(6)主要保护措施及有效性分析。
(7)主要评价结论。4.岸坡稳定性评价
岸坡稳定性评价报告主要是针对有潜在滑坡风险的岸坡进行的专项评价，对于下游水库需要蓄水的岸坡，蓄水后岸坡有岸库再造的风险，此类跨越的岸坡需特别注意，应进行专项的岸坡稳定性评价。
对于岸库再造的岸坡，其主要评价的内容为：（1）用定性分析与定量评价相结合的评价方法对跨越两岸下游电站蓄水过程中及蓄水后电站水位调度变化过程中的岸坡再造和岸坡稳定性进行分析评价。（2）分析电站蓄水及电站水位调度变化对岸坡再造的影响，综合地质分析和定量计算结果，预测蓄水后岸坡再造线，并绘图给出岸坡再造线。（3）分析其他环境因素如地震、坍塌、泥石流等可能发生自然灾害对岸坡稳定性的影响，综合地质分析和定量计算结果，对岸坡稳定性做出评价。（4）分析对跨越及两岸山坡段线路有影响的地质灾害，并对影响较大的地质灾害有针对性地给出工程措施建议，同时对措施要进行评价。（5）根据评价结果，做出对跨越基础位置布置、基础形式的建议。（6）预测跨越建成50年内，两断面两岸的岸坡稳定性情况。5.定量环境风险评价
随着我国油气长输管道工程建设的不断深入，伴随管道工程随之而来的安全环保问题日益凸显。欧美国家通过多年积累的管道建设经验表明，完整性管理是保证管道本质安全的重要途径，定量风险评价则是完整性管理过程中重要的技术手段。近些年，我国逐渐将定量风险评价技术引入到管道工程建设之中，但是现在我国的定量风险评价还只关注于人的死亡风险，对于管道沿线多为山区、人口稀少、环境敏感点较多的地区，管道对人口的死亡风险很小，但是可能对周围生态环境造成较大的环境风险。
管道大型跨越，特别是输油管道跨越，往往是管道风险的高后果区,虽然，设计可以采取足够的安全措施，但是还是有泄漏的可能，一旦发生管道失效泄漏事故，可能产生重大影响，跨越处如果人烟稀少，环境敏感，那么主要面临环境风险。目前，国内管道工程的环境影响评价得到的多是定性或者半定量的结果，无法量化管道工程对生态环境产生的风险的具体数值。
对于大型输油管道跨越工程和特殊地段的输气管道工程，在有条件的情况下，建议进行定量环境风险专项评价，以识别相应的风险，提出相应的措施和运营要求。
评价的主要内容有：（1）环境风险源项分析。根据管道跨越段的设计和当地自然环境（包括土壤、水体、地形和气候）特点，研究跨越段合理的失效场景，以及对周围自然环境可能产生的危害后果，统计计算失效概率并进行合理的假设，最终定义失效模型。（2）生态本底调查。研究管道跨越段下游的地质、水文和生态环境系统。地质方面主要包括地形、地貌、地质和土壤的类型，进行相关河流的水文资料搜集。研究跨越段下游动植物的分布情况，包括鱼类、哺乳类动物、鸟类等，研究其种群的数量、分布和巢穴等情况。（3）油在江面的扩散、溶解和沉降分析。根据计算得出的油泄漏量,研究在岸坡土壤上的扩散、渗漏以及在地下水中的扩散情况。根据扩散到江体中的油量和水文参数，研究油在江体中的扩散、溶解和沉降过程。（4）环境风险分析。根据油在土壤及江体中的扩散结果，结合生态本底调查研究的成果，分析研究油泄漏可能对周围生态环境造成的损失。根据国际上通用的管道失效数据，结合具体管道工程的特点，分析修正管道跨越段的失效概率。将泄漏油对环境造成的损失和失效概率相结合，量化跨越段对下游的环境风险。（5）减少环境风险的设计措施。根据定量环境风险评价的结果，针对管道的设计方案，有针对性地提出合理可行性措施，尽可能地减少环境风险。（6）事故状态下的紧急预案。根据定量环境风险评价结果，跨越段上下游的地理、自然和人文条件，结合管道设计特点，提出在事故状况下的减缓措施，例如人员如何动作，通信如何保障，围油栏、吸油毡等设备如何投放等。第二节 跨越总体方案设计与分析一、总体布置
悬索跨越总体布置应根据桥址处的地形、地质、气象、水文、通航、防洪等建设条件，结合结构受力合理性以及景观要求，对跨径布置、塔架及锚固墩设置、结构体系、主索及吊索布置、桥面布置等进行综合考虑，合理设计。悬索跨越总体布置需要考虑的主要因素如下。1.跨越与桥梁之间的距离
跨越管道与桥梁之间的最小距离，主要考虑管道跨越与公路或铁路桥梁出事故后的相互影响。根据GB 50459—2009《油气输送管道跨越工程设计规范》的规定，跨越与桥梁之间的距离要求见表3-1。表3-1 跨越管道与桥梁之间最小距离要求 m2.跨越与其他建（构）筑物之间的距离
由于管道跨越结构属于高压、易燃易爆工程，出事故后有可能造成周围建（构）筑物的损坏或污染环境，所以与周围重要的建（构）筑物之间，需留有一定的安全距离，以保证周围建（构）筑物的安全，防止城门失火、殃及池鱼。跨越管道与现有港口、码头、水下建筑物及引水建筑物之间的距离，规范上规定当跨越位于其上游时，不得小于300m，当跨越位于其下游时，不得小于100m。3.跨越净空高度
管道跨越无通航、无流筏的河流时，跨越结构的最下缘，大型跨越工程应高于设计洪水位3m，当无准确的水文资料时，应适当加大净空高度；当河流上有其他项目规划时，还要满足相关部门对净空的要求。
管道跨越通航河流时，跨越结构的最下缘净空高度应符合现行国家标准GB 50139—2004《内河通航标准》的通航净空高度的要求。当地有特定要求时，也可协商确定。4.跨越跨度布置及结构选型
跨越跨度布置要满足防洪、泄洪及疏浚整治规划要求，并考虑跨越上下游已建或拟建建（构）筑物对河床演变的影响。跨度大小必须保证设计洪水以内的各级洪水及流冰、泥石流、漂流物等安全通过。对于水深较深或“U”形的河流及水上施工较困难的跨越工程，尽量采用一跨过河的方式，以避免水上施工或基础工程量过大。
对于通航河流，跨度布置要考虑航道的通过能力，亦要考虑不同通航水位航迹线的变化。一般情况下，跨越跨度布置应满足跨越所在河段双向通航的要求；对于水运繁忙的宽阔河流，跨越跨度布置应满足多线通航的要求。跨度大小应满足现行国家标准GB 50139—2004《内河通航标准》的通航净宽的要求。二、矢跨比
悬索桥全桥结构刚度主要由主索垂跨比、主索边跨跨度、桥面刚度、桥塔刚度等参数决定，应根据具体情况通过技术经济综合比选确定。主索矢跨比越小，主索拉力越大，几何刚度亦越大，当超过一定范围时，则出现逆转。故主索的矢跨比不宜过大，亦不宜过小。根据经验，主索垂跨比一般控制在1/12～1/8的范围内。三、边中跨比
悬索桥边中跨比一般为0.25～0.45。一般要保证主索在主跨与边跨塔顶两侧的主索切线角度大致相等，从而保证主索在塔架两侧的受力大致相等，对于主索在塔顶断开的形式，可以保证塔顶两侧索的受力相等，规格相同，当然也可以根据地形、地貌、地质情况去布置，但是要考虑这种切线角度的变化对于主索受力的影响；对于主索在塔顶不断开的形式，需尽量保证两侧角度相等。主索在塔顶不断开为连续结构时，主索连续段索力是不变的，否则会造成索鞍上滑动，主索在索鞍处为增加摩擦力而进行了整形，如果索力在塔顶不平衡，塔架两端不平衡的索力只能让塔架承受，而导致塔顶水平力增大（如图3-4所示，左侧为边跨索，右侧为中间跨索）。图3-4 连续主索塔顶切线角度不一致引起塔架水平力示意图
实际设计中，要根据现场地形条件，确定主索是否在塔顶上断开。如忠武线马水河跨越塔顶两侧角度相差较大，在设计上采用了主索在塔顶断开的结构。见本章第六节案例分析一。四、吊索长度及间距
管道悬索跨越的吊索一般都设置可用于调节的调节杆，调节杆的调节范围目前多设置200mm，最短吊索的长度应考虑调节杆的安装长度，锚头锚具的加工要求。跨中短吊索最短长度一般不宜小于2m。
悬索跨越吊索间距应综合考虑用材的经济性、桥面结构运输架设条件及吊索运营中各种不利受力情况来确定。悬索跨越的桥面结构一般是为了检修而设置，往往制作得比较简单，在结构计算中一般只作为竖向荷载加载到吊索上，而不考虑其参与结构受力的影响。故在检修荷载下桥面结构的受力条件及吊装施工的要求决定了吊索间距的大小，目前比较常用的吊索间距为5m，对于管道跨越，考虑其自身受力条件及吊装要求，不宜超过10m一节。五、桥面结构及预起拱
悬索桥桥面结构应考虑其自身的受力条件及抗风要求，宜选择合理的断面形式，尽量采用扁平的型钢钢结构或镂空的型钢桁架结构。目前，管道悬索跨越还没有采用混凝土桥面结构的形式。
预起拱是为了避免悬索跨越建成后，桥面下垂的视觉效果，同时考虑管道在试压扫水过程中，如果管道中心下垂，管道中间容易积水，悬索跨越应预先设置预起拱。预起拱的大小，应考虑跨越结构在运营状态下最大竖向挠度大小，空载状态下管道安装之前起拱高度较大，管道安装上去之后，起拱高度会随之减小，运营期间，对于油管道，通油之后起拱高度还会减小，设计应考虑运营期间桥面下垂的视觉效果。参考公路桥梁相关规定，并根据以往工程的经验，跨越结构在运营状态下起拱高度宜为主跨跨度的1/100～1/300。对于管道跨越，不同于公路悬索桥梁的特殊之处，还在于跨越预起拱的大小要考虑管道自重作用下自重挠度，即管道自身刚度影响。如果管道在自重作用下，其刚度太大，管道的自然下垂高度不够，管道两头不能在桥面上紧贴，将在管道和支座之间形成间隙，管桥的受力状态不好。
某一跨越就出现了上述所说的情况，见本章第六节案例分析二。
目前国内管道悬索跨越涩宁兰黄河悬索跨越，主跨跨度300m，管径D660mm，起拱高度3m，忠武线木龙河跨越主跨跨度195m，管径D710mm，起拱高度1.5m。对于较小管径，预起拱高度可以取大值，对于较大管径，可以取小值。六、塔架布置
悬索跨越的塔架应布置在地质条件较好、施工方便、有一定施工场地的地方，根据现场地形地貌，也可以取消塔架。
目前国内跨越大都采用钢塔架，较少采用混凝土塔架，故在塔架布置上，除要考虑钢塔架的组装预制场地及混凝土现场搅拌的可行性，还应调研了解当地混凝土或钢材的供应条件。同时要结合现场地形地貌条件，使塔架的高度尽量较低，如果有条件，取消塔架也是一种不错的选择方案。
忠武输气管道工程4座悬索跨越，有2座跨越根据现场地形条件取消了塔架设置，取得了较好的效果，见本章第六节案例分析三。七、风索系统
管道悬索跨越由于荷载较小，桥面结构一般只考虑检修，桥面的刚度较小，悬索跨越整体刚度小，在风荷载作用下，容易发生变形和位移，故管道悬索跨越一般需设置风索系统。
目前，悬索跨越的风索系统绝大部分为抛物线形式，抛物线形风索系统受力均匀合理，为较理想的风索系统。对于跨度较小的悬索跨越，可以根据现场的地形地貌情况，采用斜拉形式风索系统。
风索系统还要充分考虑现场地形地貌布置条件，对于抛物线形的风索系统，考虑风索主索的矢跨比影响，风索锚固墩需设置在跨越两侧一定距离的位置，对于受到地形限制的跨越，可能布置有困难，比如中缅澜沧江跨越，跨越塔架位于悬崖峭壁上，不便于布置风索系统，故最后取消了风索系统，采用了刚度大的刚性桥面结构。
斜拉形式的风索系统见本章第六节案例分析四。八、不对称荷载影响
对于悬索跨越，为了保证跨越系统的受力均匀，变形匀称，应尽量考虑设计成对称结构。对于不对称荷载，应充分考虑荷载的不对称引起的结构变形。
此处所说的对称结构，一是结构对称，即两岸塔架塔顶高程一致，风索锚固墩上下游两侧高程相等，位置相对于轴线对称，桥面结构两端高程相等。二是荷载布置对称，即主跨跨度内荷载布置要么满跨布置，要么关于跨越中心点对称布置。
目前国内悬索跨越基本上采用如上所述的对称结构，但是亦有桥面结构两端高程不一致，荷载集度不对称的情况，见本章第六节案例分析五。九、共轭索、风索基础影响
近年来的悬索跨越，大多取消了共轭索（消振索），利用抗风索锚固点与桥面的高差，使风索面与桥面成一定的角度，这个角度以45°为理想角度，这样相当于用风索系统代替了消振索的功能。但是由于抗风索锚固点的高程必须设置的比较低，对于地形险恶的“U”形河谷，风索墩基础将不得不设置在悬崖边上。如忠武线蚂蝗溪跨越、木龙河跨越、马水河跨越地势均较险恶，没有较为理想的风索基础位置，这给施工带来了困难，水工保护的成本也将增加。
设置共轭索，对于悬索跨越的竖向刚度影响较为明显，从实际效果来看，对于净空高度不受限制的跨越，共轭索的设置可以有效增加跨越竖向刚度，对管道通球试压及风、地震等动荷载有较明显的影响。但是在通航河流及跨越净空受到限制的跨越中，共轭索的设置影响跨越下方的净空高度。如果风索系统可以设置一定角度（与水平面有一定夹角），可以替代共轭索系统。十、总体经济性分析1.缆索的用钢量分析1）主跨的缆索用钢量
悬索跨越计算图如图3-5所示，主索的曲线方程为：(3-1)式中 y,x——方程的纵向和横向未知参数；
f——主索的矢高，m；
L——悬索跨越主跨跨度，m。图3-5 悬索跨越的计算图示
对缆索方程积分，并求出缆索最大水平力，可得出缆索的用钢量方程：(3-2)式中 ［σ］——缆索钢材的容许应力；
γ——钢材的容重；c
w,p——分别为作用于主跨的恒载与活载集度；
L——悬索跨越主跨跨度；
f——悬索跨越的矢高。
因为主跨内吊索均布，积分求出主跨吊索用钢量：(3-3)2）边跨的缆索用钢量
边跨的缆索曲线方程可取为：(3-4)
同理，求出边跨主索用钢量：(3-5)其中(3-6)式中 H——主跨缆索的最大水平力；
L——边跨两理论锚点间主索的斜长。a(3-7)式中 f——边跨缆索的垂度；1
w，p——分别为作用于边跨的恒载与活载集度；11
L——边跨跨度。1
边跨吊索的用钢量：(3-8)3）具体指标分析
综合主跨和边跨的用钢量，缆索用钢量为：(3-9)
从上面公式中可以看出，缆索的用钢量主要与钢材的容许应力［σ］成反比，与主跨边跨长度L,L以及矢跨比f/L，f/L及恒载、活载111集度有关。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]