天然气管道跨越结构是天然气输送管道的重要组成部分,主要有悬索和斜拉索结构两种形式,一般由管道、塔架、缆索以及可能存在的加劲梁构成,是一种高柔性的高次超静定结构。在清管过程中,受清管器和液弹的重力载荷、对弯头的冲击力载荷作用,跨越结构容易发生振动和变形；跨越结构的振动和变形又会反过来影响重力载荷和冲击力载荷,可能诱发更为强烈的振动和变形,严重威胁天然气管道的安全运行。针对天然气管道跨越结构在清管载荷作用下的强振动和大变形问题,以悬索和斜拉索天然气管道跨越结构为研究对象,基于流体力学、材料力学、结构动力学和有限元理论,采用实验、理论和数值模拟相结合的方法,研究了跨越结构大变形与清管载荷的耦合关系,建立并求解了清管动力响应分析模型,提出了天然气管道跨越结构的清管过程安全评价方法与评价流程。具体的研究内容和取得的主要成果如下：(1)天然气管道跨越结构在正常运行状态下,受静载荷作用会产生一定的变形和内应力,因此静力分析是动力响应研究的基础和前提。针对悬索和斜拉索跨越结构的几何非线性特征,建立了静力分析模型。以此为基础,考虑管道跨越结构中塔架、管道、缆索、桁架的几何形状、材料特性、结构形式、连接关系和约束条件,建立了考虑几何非线性的静力分析有限元模型,提出了以缆索初始应变为迭代变量的模型求解方法；在怒江、澜沧江悬索管道跨越结构以及南广河斜拉索管道跨越结构中进行了具体应用。(2)为了明确跨越结构清管动力响应的物理现象,提取表征清管动力响应行为的主要特征参数,基于相似原理,以怒江悬索跨越结构和南广河斜拉索跨越结构为原型,搭建了天然气管道跨越结构清管动力响应实验测试平台。研究了不同清管器运行速度和注水量条件下跨越结构的清管动力响应行为；发现大变形是管道跨越结构清管动力响应的主要特征；管道偏离初始位置的位移量、管道不同位置的切线与水平位置间的夹角(变形倾角)是描述跨越结构大变形的主要参数。基于实验现象和实验数据,采用非线性数据拟合、量纲分析和理论推导方法,建立了管道变形曲线方程,描述了管道位移量、变形倾角与跨越结构长度、管径、清管球运行速度、液弹长度和平均持液率之间的关系；为分析大变形与清管载荷的耦合作用规律、建立和求解管道跨越结构清管动力响应模型奠定了基础。(3)针对天然气管道跨越结构的大变形与清管载荷相互耦合的特点,基于管道变形曲线方程、清管器和液弹多相流动的质量守恒方程及动量守恒方程,建立了考虑大变形的清管重力载荷和冲击力载荷计算模型,研究了求解方法；实现了清管器和液弹重力载荷、对弯头冲击力载荷的计算。(4)以天然气管道跨越结构的静力分析模型、清管载荷计算模型、跨越结构的动力响应微分方程为基础,建立了天然气管道跨越结构的清管动力响应分析模型；模型中考虑到管道位移与清管载荷之间的内在联系,以管道位移为耦合参数,实现了跨越结构大变形与清管载荷的耦合。提出了以管道位移为迭代变量,采用变形曲线方程计算位移迭代初值,基于弱耦合原理和预测-校正法的模型求解方法；基于外部数据接口,研究了模型求解方法在ANSYS软件中的实现途径,完成了天然气管道跨越结构清管动力响应耦合模型的求解。以怒江、澜沧江悬索跨越结构和南广河斜拉索跨越结构为例,进行了清管动力响应分析。结果表明,对于怒江和南广河跨越结构,模拟得到的振动加速度的变化趋势与实验值是一致的；模拟得到的最大位移量与实验值之间的最大相对偏差为分别为2.4%和7.0%；验证了模型与求解方法的准确性。结果还表明,在部分工况下,怒江和澜沧江跨越结构中的管道和桁架会发生应力超限,但其最大应力小于材料的屈服强度；南广河跨越结构中管道和缆索的最大位移达到1.488m,且管道的应力超过了许用应力和管材的屈服强度。(5)针对《油气输送管道跨越工程设计规范(GB50459-2009)》中跨越结构的应力校核标准过于保守的问题,以确定性的极限状态分析为基础,提出了在清管工况下,采用极限强度设计系数计算许用应力,对管道跨越结构的应力进行校核的方法。结合(1)～(4)的研究成果,提出了管道跨越结构的清管过程安全评价方法和评价流程,为现有天然气管道跨越结构安全校核标准的完善提供了依据。