王良軍

廣東大鵬液化天然氣有限公司

高鐵的高架軌道在軌道不平順、車(chē)輪不圓度及車(chē)輛軸重等影響下產(chǎn)生的車(chē)輛-軌道-橋梁動(dòng)力相互作用會(huì )引起結構振動(dòng)，并通過(guò)橋墩基礎與周?chē)�土層相互作用進(jìn)一步誘發(fā)附近土體、地下管道二次振動(dòng)及噪聲。隨著(zhù)軌道交通密度不斷增加、載荷不斷增大，由此產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題愈加突出，有必要對管道進(jìn)行振動(dòng)監測。

目前對高鐵橋墩振動(dòng)影響埋地管道本體的監測研究較少。評價(jià)此類(lèi)周邊振動(dòng)或地震波對管道產(chǎn)生的影響均基于震速指標、土壤沉降及位移控制指標進(jìn)行。這三個(gè)指標均是基于管道周邊環(huán)境的變化而間接設置的，不能直接反映周邊振動(dòng)時(shí)管道本體受到的影響。因此，現場(chǎng)監測仍是研究環(huán)境震動(dòng)的重要手段，合理可靠的監測能夠實(shí)時(shí)定量地反映出高鐵通過(guò)時(shí)對管道本體的影響及其應變變化趨勢，通過(guò)有效的數據分析為管道的運行維護措施提供參考依據。

1 監測方案

在條件許可的情況下，最為直接的方法是對管道進(jìn)行振動(dòng)加速度測量。但由于本方案要監測的管道區域地下水豐富，周邊為魚(yú)塘，管道埋深在5 m左右，開(kāi)挖難度大且風(fēng)險高，所以決定采用間接方法進(jìn)行測量，即現場(chǎng)測量橋墩的振動(dòng)情況，通過(guò)模擬計算來(lái)判斷管道受影響程度。

振動(dòng)監測點(diǎn)位于武廣高鐵B路橋墩處，埋地管道從兩條高鐵軌道的高架橋下斜穿而過(guò)，如圖1所示。將武廣高鐵B路三個(gè)橋墩編號為1、2、3，考慮到監測位置應該與管道最近，因此選擇1號橋墩為監測點(diǎn)，如圖2所示。

圖1管道走向與鐵路走向示意圖

圖2武廣高鐵1號橋墩監測點(diǎn)

1.1 監測設備

橋墩振動(dòng)加速度動(dòng)態(tài)監測系統由三軸加速度傳感器、多通道高速數據采集儀（IMC數據采集儀）、數據分析軟件、蓄電池和終端電腦組成。三軸加速度傳感器將管道振動(dòng)引起的電容變化轉變?yōu)殡妷盒盘�，由IMC數據采集儀經(jīng)濾波、放大、數據處理?yè)Q算為加速度值，在終端電腦上用數據分析軟件還原成圖形和數值。

1.2 安裝方式

監測裝置的安裝如圖3所示，加速度傳感器通過(guò)黏接劑將固定底座垂直黏接在橋墩上，然后通過(guò)IMC數據采集儀連接筆記本電腦，電源由蓄電池或發(fā)電機供電，如圖4所示。加速度傳感器選擇與鐵軌平行的方向為Z軸，垂直于地面的方向為Y軸，平行于地面且垂直于鐵軌的方向為X軸。

圖3 監測裝置示意圖

圖4 加速度傳感器安裝圖

2 監測結果及分析

2.1 加速度動(dòng)態(tài)監測結果

當正上方有車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，安裝在1號橋墩的加速度傳感器三軸方向都測到了明顯波形，在為期7天的連續監測中，測到一組最大振動(dòng)加速度值，三軸最大值分別為：X軸：0.011 g；Y軸：0.020 g；Z軸：0.009 g（監測時(shí)間：3月26日 17:09，此時(shí)段經(jīng)過(guò)G71車(chē)次，列車(chē)為進(jìn)站方向）。三軸的波形如圖5～7所示。

圖5 武廣高鐵1號橋墩X軸加速度波形圖

圖6 武廣高鐵1號橋墩Y軸加速度波形圖

圖7  武廣高鐵1號橋墩Z(yǔ)軸加速度波形圖

2.2 車(chē)速與振動(dòng)加速度關(guān)系分析

2.2.1 列車(chē)時(shí)速估算

運行在武廣高鐵的是CRH2C型300 km/h速度等級動(dòng)車(chē)，CRH2C型車(chē)是8節編組，中間車(chē)長(cháng)25.0 m，兩端的頭車(chē)長(cháng)25.7 m，列車(chē)總長(cháng)度為201.4 m。兩組動(dòng)車(chē)頭對頭重聯(lián)運行，共16節，總長(cháng)度為402.8 m。假設以振動(dòng)加速度傳感器安裝位置為觀(guān)測點(diǎn)，振動(dòng)測試結果峰值帶寬時(shí)間就可以估算為整車(chē)通過(guò)觀(guān)測點(diǎn)的時(shí)間t。利用公式V=s/t計算列車(chē)運行速度，結果見(jiàn)表1。

2.2.2 車(chē)速與振動(dòng)監測結果分析

通過(guò)對表1中的列車(chē)車(chē)速、振動(dòng)加速度峰值和振動(dòng)帶寬進(jìn)行分析，發(fā)現列車(chē)經(jīng)過(guò)監測位置時(shí)的運行速度越快，監測點(diǎn)的振動(dòng)加速度峰值越高大，振動(dòng)加速度波形帶寬則越短，振動(dòng)頻率高；列車(chē)速度越慢，監測點(diǎn)的振動(dòng)加速度峰值越低，振動(dòng)波形帶寬則越長(cháng)，振動(dòng)頻率越低（見(jiàn)圖8）。

圖8 列車(chē)時(shí)速與振動(dòng)加速度峰值關(guān)系

2.3 數據處理方法

通過(guò)對圖5~7進(jìn)行分析，可以發(fā)現列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，橋墩的三個(gè)方向均產(chǎn)生了較為明顯的振動(dòng)。對產(chǎn)生明顯振動(dòng)的曲線(xiàn)段進(jìn)行FFT去噪，得到圖9所示的加速度曲線(xiàn)。

圖 9武廣高鐵1號橋墩振動(dòng)加速度曲線(xiàn)

圖中X方向是水平方向，Y方向是豎直方向，Z方向是垂直于橋墩向外方向。對加速度曲線(xiàn)進(jìn)行分析，可以發(fā)現三個(gè)方向的振動(dòng)頻率都為1.8 Hz。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，將橋墩的振動(dòng)近似看成是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其加速度方程為：

分別對加速度求積分和二次積分，可以得到速度和位移的方程如下：

測點(diǎn)的速度和加速度曲線(xiàn)的數值積分結果如圖10、11所示。通過(guò)速度變化曲線(xiàn)可以看到，最大峰值振動(dòng)速度為0.01 mm/s。

圖 10 振動(dòng)速度變化曲線(xiàn)/mm﹒s-1

圖 11振動(dòng)位移變化曲線(xiàn)/mm

3 有限元模擬計算分析

本次計算采用的管道直徑為610.0 mm，壁厚12.7 mm。由于振動(dòng)對管道的影響區域主要集中在震源中心附近，因此取管道的長(cháng)度為50 m，兩端采用固定約束，管道外表面受到土彈簧的約束。將測量得到的加速度數據施加在模型的中心區域。為計算方便，采用殼單元S4R，模型總共劃分為12040個(gè)節點(diǎn)和12000個(gè)單元。

3.1幾何模型及網(wǎng)格劃分

圖 12 管道幾何模型

圖13  網(wǎng)格劃分（12040節點(diǎn)，12000單元）

3.2 土壤的力學(xué)行為

與管道交互作用的土體可以等效成三個(gè)維度的彈簧。如圖14所示，在管道的接點(diǎn)上分別連接軸向、水平和豎直方向的土彈簧，分別表示管道的軸向摩擦力、水平和豎直方向的壓力。其中KA、KH、KV分別表示三個(gè)方向彈簧的剛度系數。

圖 14  管土相互作用簡(jiǎn)化模型

土彈簧的載荷與變形特性在一定變形區間內是線(xiàn)性關(guān)系，超出范圍的可以看成是塑性變形。另外，豎直方向的土彈簧拉伸和壓縮剛度系數并不相等。計算采用如圖15所示的彈簧模型。

圖15 彈簧模型

3.3計算結果

對管道距離橋墩最近的部位施加振動(dòng)加速度的約束，本模型中對應管道的中心部位。在振動(dòng)加速度驅動(dòng)下求解應力場(chǎng)和應變場(chǎng)的結果。

（1）應力場(chǎng)

圖 16  應力場(chǎng)/Pa（P點(diǎn)應力值位于波峰時(shí)刻，變形放大10000倍）

圖 17  應力場(chǎng)/Pa（P點(diǎn)應力值位于波谷時(shí)刻，變形放大10000倍）

圖16、17中的P點(diǎn)為振動(dòng)中心，其振動(dòng)強度最大。P點(diǎn)處的米塞斯等效應力場(chǎng)的變化曲線(xiàn)如圖18所示。從曲線(xiàn)可以看到，管道振動(dòng)時(shí)等效應力呈波浪狀變化，最大可以達到0.5 MPa。

圖18  震源中心P點(diǎn)的等效應力變化曲線(xiàn)/MPa

（2）應變場(chǎng)

圖19和圖20是振動(dòng)狀態(tài)下的應變場(chǎng)，最大應變值為1.6微應變，遠小于地質(zhì)沉降帶來(lái)的變形，因此可以忽略振動(dòng)所引起的變形量。

圖 19  應變場(chǎng)（P點(diǎn)應變值位于波峰時(shí)刻，變形放大10000倍）

圖 20  應變場(chǎng)（P點(diǎn)應變值位于波谷時(shí)刻，變形放大10000倍）

（3）計算結果

對列車(chē)通過(guò)橋墩時(shí)的管線(xiàn)受迫振動(dòng)和兩個(gè)振動(dòng)的干涉情況均進(jìn)行了數值仿真，計算結果表明管道的應力和應變均很小，不會(huì )對管道產(chǎn)生破壞性的變形。

4結論

通過(guò)現場(chǎng)實(shí)測，得出如下結論。

（1）本文監測點(diǎn)處高鐵列車(chē)通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)加速度傳感器三軸方向都監測到了明顯波形，最大加速度0.020 g；最大峰值振動(dòng)速度為0.01 mm/s。

(2)高鐵列車(chē)經(jīng)過(guò)監測位置時(shí)的運行速度越快，監測點(diǎn)的振動(dòng)加速度峰值越高，振動(dòng)加速度波形帶寬則越短，振動(dòng)頻率高。列車(chē)速度越慢，情況相反。

（3）采用有限元分析，結果表明當前工況下高鐵橋墩振動(dòng)時(shí)，管道的應力和應變均很小，振動(dòng)對管道變形影響很小，不會(huì )對管道產(chǎn)生破壞性的變形，管道可以安全使用。

作者：王良軍，男，1971年生，博士；主要從事與LNG 接收站、天然氣長(cháng)輸管道及管道完整性管理相關(guān)的技術(shù)工作。

《管道保護》2017年第3期（總第34期）