管道运输(Pipeline transport)运送着全世界100%的天然气、85%以上的原油,已成为油气资源最重要的运输形式。管道悬索跨越系统是长输管道工程中最重要的结构之一。由于具有较大的柔性,管道悬索跨越系统在动载荷作用下出现的动力学行为十分复杂,容易导致疲劳累积进而破坏失效。目前,管道悬索桥的设计方法以静力法为主,该方法忽略了动载荷与结构之间可能形成的耦合行为,无法准确地将动载荷转化为静载荷进行计算,且无法预测结构危险区域,从而给工程结构留下安全隐患或造成强度过剩。针对这一现状,本文基于管道悬索桥的设计理论与工程维护需求,开展多因素耦合作用下管道悬索跨越系统的动力学行为研究,获得其在极限工况下的动力响应规律、结构危险区域、破坏形式以及关键结构参数对其动力响应的影响规律,对工程设计方法和维护方案提出建议,为长输管道的安全提供理论支撑。本文以中缅管线漾濞江跨越工程为背景,主要完成以下工作:(1)国内外文献综述。在广泛深入地研究国内外悬索跨越结构动力学理论的基础上,总结分析了悬索跨越结构的动力特征,以及脉动风、地震和输流管道流固耦合研究领域已取得的成果和存在的问题,结合管道悬索跨越系统的重要性及其设计维护理论不足,提出了本文的研究方向——管道悬索跨越系统在多因素耦合作用下的动力学行为研究。(2)管道悬索跨越系统的静力学特性研究。按照中缅管道漾濞江跨越工程建立模型,计算成桥状态与缆索初拉力,获得管道悬索桥固有动力特性以及风索系统的影响。结果表明:风索的设置提高了结构的风振安全性,改变了结构的固有动力特性。无风索管道悬索桥模态主要表现为桁架的横向大变形,基本周期2.8s;含风索管道悬索桥模态主要表现为桁架扭曲、折叠和索塔倾斜、弯曲,基本周期0.19s。(3)管道悬索跨越系统在脉动风作用下的动力学行为研究。依据大理地区气象资料及相关标准,使用M.Shinozuka方法编程建立管道悬索桥的模拟风载荷并开展结构风振研究。结果表明:管道和主梁两端0-50m段、吊索和拉索中部l00m段为危险区域;缆索受风使结构最大应力升高48%-121%,风攻角改变使缆索最大应力提高3倍;在工程设计中应给予考虑。(4)管道悬索跨越系统在地震作用下的动力学行为研究。选取符合漾濞江工程地质特征的地震波;分析悬索管道悬索桥在顺桥向+纵桥向、横桥向+纵桥向两种输入方式下的动力响应规律。分析结果表明:顺桥向地震是影响结构强度安全的决定性因素;主梁和拉索受地震影响最大,最大位移为65mm和58mm,最大应力达到60MPa和106MPa;索塔危险点位于塔底,主梁、管道、主索和拉索危险点位于桥面两端,吊索危险点位于桥面中部,拉索危险点位于两侧1/4桥面处。(5)管道悬索跨越系统在管内流体激励作用下的动力学行为研究。基于Timoshenko梁理论建立悬索跨越管道动力模型;基于Method of Characteristics方法编程获得管道动力时程,针对管道悬索桥在流体激励下的变形及应力响应规律、吊索数量对振动的影响规律开展研究,并通过相似实验证明理论方法的可靠性。分析结果表明:流体激励下桥面中点并不是最大变形点,2/6和4/6桥面最易出现动位移引起的失效;管道悬索桥易发生绕顺桥向的扭转变形,通过设置缆索系统来增强抗扭转变形能力十分必要。(6)管道悬索跨越系统在多因素耦合作用下的动力学行为研究。针对脉动风、地震、流体激励三种动载荷共同作用下结构的极限变形、应力响应规律和易损区域开展研究;在此基础上分析缆索预紧力、风缆布置密度、主梁刚度等结构参数对管道悬索桥动力特征的影响,并对漾濞江管道悬索桥作出安全评价。分析结果表明:顺桥向地震是影响悬索管道悬索桥安全性的最主要因素,悬索跨越结构在横桥向载荷作用下具有良好的稳定性;风索、吊索、拉索受横桥向载荷影响较大,桥梁中部缆索在强风或地震后应重点检查;漾濞江管道悬索桥强度合格,但主梁存在变形超限的风险;工程设计中可调节缆索系统初拉力以及缆索布置密度。通过本文的研究,揭示了悬索管道悬索桥在动载荷作用下的变形、应力及危险区域分布;找到了多种结构参数及动载荷对悬索管道悬索桥动力学行为的影响规律,为长输管道悬索桥的设计、维护和优化提供了理论和实验支持。