李聰1,2 林楠2 李楊2

1.北京交通大學(xué)； 2.中國特種設備檢測研究院

摘要：為了研究不同狀態(tài)下懸索跨越管道的受力變形情況，采用相似實(shí)驗，建立了基于光纖傳感技術(shù)的懸索跨越管道應變監測實(shí)驗平臺。通過(guò)模擬集中載荷、均布載荷、風(fēng)載及拉力作用下懸索跨越管道形變及應力變化情況，采集各實(shí)驗條件下跨越管道應變值，對跨越管道進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的應變分析，評估跨越管道的危險區域，驗證監測系統的可行性和可靠性。

關(guān)鍵詞：懸索跨越管道；相似實(shí)驗；應變響應；光纖傳感技術(shù)

懸索跨越管道所處自然條件比較惡劣，經(jīng)常遭受雪載、風(fēng)載、地震以及水擊等外載荷作用，容易發(fā)生事故，對安全運行造成嚴重威脅[1]。為了掌握懸索跨越管道在不同受載工況下的結構狀態(tài)，對其開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗研究具有重要意義。

目前，中國特種設備檢測研究院張平[2]通過(guò)布設應變傳感器建立相似實(shí)驗懸索橋模型結構，進(jìn)行實(shí)驗和仿真對比，對集中載荷作用下懸索跨越管道的應變響應進(jìn)行了研究。中國石油大學(xué)（華東）王世圣[3]采用幾何分線(xiàn)性有限元方法對懸索跨越管道進(jìn)行了橫向風(fēng)共振分析。中國石油大學(xué)（北京）高健等[4]基于應變設計準則，研究了跨距變化情況下懸空管道的應變分布和變化規律。臺灣淡江大學(xué)的Yau教授[5]進(jìn)行了懸索跨越管道在列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)的振動(dòng)分析。但是以上研究或是通過(guò)單一的有限元軟件仿真模擬，得到的數據準確性有待驗證；或是采用傳統監測方法致使監測數據不夠完善和精準。近年來(lái)結構健康監測逐漸轉變?yōu)樵诰�(xiàn)、主動(dòng)、實(shí)時(shí)監測與控制[6]。

光纖應變傳感器由于具有抗電磁干擾能力強，精度高，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)得到大量運用[7]。筆者通過(guò)建立相似懸索跨越管道模型，基于光纖傳感技術(shù)對典型跨越管道進(jìn)行應變監測，研究在不同狀態(tài)下懸索跨越管道的應變分布規律，為其健康運行提供參考依據。

1  相似實(shí)驗

1.1  相似實(shí)驗平臺

相似實(shí)驗是一種建立在相似理論基礎上，用放大或縮小的相似模型去研究對應原型的力學(xué)運動(dòng)以及其他相關(guān)特性的實(shí)驗方法[8]。原型與相似模型之間通過(guò)相似關(guān)系λ來(lái)關(guān)聯(lián)，相似實(shí)驗中模型長(cháng)度為：

Lm＝La/λ    （1）

式中： Lm為模型長(cháng)度，La為原型長(cháng)度。

以陜京線(xiàn)某懸索跨越管道為原型，優(yōu)先滿(mǎn)足主要相似關(guān)系，適當放寬次要相似關(guān)系，按照幾何和動(dòng)力相似關(guān)系搭建懸索跨越管道相似模型，并滿(mǎn)足材料相似和邊界條件相似，實(shí)際尺寸和實(shí)驗尺寸相似比為8∶1，相似模型跨度為34 m，輸送管道直徑40 mm，塔架高2.5 m，主索直徑8 mm，吊索直徑2 mm，每組吊索間距2 m。懸索跨越管道相似模型見(jiàn)圖 1。

圖 1 懸索跨越管道相似模型

相似實(shí)驗平臺見(jiàn)圖 2，主要由介質(zhì)循環(huán)系統和數據測試系統兩部分組成。介質(zhì)循環(huán)系統包括介質(zhì)儲存罐1、離心泵2、節流閥3、壓力計5、體積流量計6、節流閥4和回水管。由于懸索跨越管道具有對稱(chēng)性，取管道中心為軸向原點(diǎn)，沿介質(zhì)流向為正，逆介質(zhì)流向為負，實(shí)驗管路前端設計流量控制回路，用于調節管內介質(zhì)流速。數據測試系統包括若干光纖光柵應變傳感器、數據傳輸線(xiàn)和數據采集儀。

圖 2 相似實(shí)驗平臺示意圖

1.2  傳感器布設

在懸索跨越實(shí)驗平臺單側管體上等距離選擇4個(gè)測點(diǎn)，分別測試管體環(huán)向4個(gè)方向的微應變情況。每個(gè)測點(diǎn)分別布設4個(gè)傳感器（上、下、北、南），以及溫度補償傳感器。根據對稱(chēng)原理，全橋共獲取7個(gè)等間距位置的應變數據，如圖 3所示。

圖 3 傳感器位置示意圖

2  實(shí)驗方案

針對不同流動(dòng)速度、集中載荷、均布載荷及風(fēng)載荷進(jìn)行應變監測方法研究。其中流動(dòng)速度為0 m/s（靜置）、8 m/s、16 m/s。集中載荷大小為20 kg，均布載荷大小為5 kg。風(fēng)載速度分別為2 m/s、3 m/s和4 m/s，橫向拉力分別為1 kg、2 kg和3 kg，實(shí)驗環(huán)境溫度為25℃。詳情如圖 4所示。

圖 4 不同實(shí)驗方案示意圖

3  實(shí)驗結果

3.1  不同介質(zhì)流速下懸索管道應變分布

如圖 5至圖 7所示，最大應變值均出現在管道兩端上側，測點(diǎn)上、北、南三處最小應變值均在距管道中心處。管道下側最大值出現在管道的3/8位置處和5/8位置處。另外，管道上方中點(diǎn)的應變值最小。從圖中還可看出，在不同運行條件下，管道兩側變形應力基本相同，受外力作用影響較小。管道本體主要受到懸索跨越結構的拉力及管道自身的重力作用，管橋的下部在整個(gè)懸索跨越結構的中間位置變形最明顯。相反，管橋中部的管道本體上側會(huì )受到較為明顯的壓縮變形作用。

圖 5 滿(mǎn)管靜置條件下管道應變數據對比

圖 6 流速為8 m/s條件下管道應變數據對比

圖 7 流速為16 m/s條件下管道應變數據對比

整個(gè)管橋受到主索和吊索的約束，在三種運行條件下，各測點(diǎn)擬合的管道應變趨勢基本相同。隨著(zhù)管內介質(zhì)流速增大，管體各方位的應變值都明顯增大。在允許的情況下，降低管內介質(zhì)流速可以降低懸索跨越管道由于形變產(chǎn)生的應力。

3.2  集中及均布載荷下懸索管道應變分布

以滿(mǎn)管靜置狀態(tài)為初始狀態(tài)，采集不同位置加載的集中載荷、均布載荷條件下各測點(diǎn)的相對應力數值。

如圖 8至圖 11所示。集中載荷加載位置的應力變化較為明顯。由于作用力處的管道下垂明顯，此處下壁面拉應力較大。而上壁面受形變影響，為輕微的壓應力，即應力值為負值。均布載荷作用下，各方向變形產(chǎn)生的應力較為平衡，在懸索跨越管橋中心處應力變化略微明顯。

圖 8 集中載荷F1作用條件下管道應變數據對比

圖 9 集中載荷F2作用條件下管道應變數據對比

圖 10 集中載荷F3作用條件下管道應變數據對比

圖 11 均布載荷F作用條件下管道應變數據對比

集中載荷F1作用條件下，最大應變值出現在管道中心位置下側處。同時(shí)在距管道中心﹣8 m和8 m上側處，出現兩個(gè)新的拉應變極值點(diǎn)。

集中載荷F2作用條件下，最大應變值240με，在距管道中心8 m位置處，即管道3/4處。管道開(kāi)始端比結束端應力值大，與無(wú)集中載荷作用時(shí)相比，管道中點(diǎn)的應變值略微增大，而管道開(kāi)始端的應變值則變大，結束端則變小。

集中載荷F3作用條件下，最大應變值240με，在距管道中心﹣8 m位置處，即管道1/4處。管道開(kāi)始端比結束端應力值小，與無(wú)集中載荷作用時(shí)相比，管道中點(diǎn)的應變值略微增大，而管道開(kāi)始端的應變值則變小，結束端則變大。

受懸索跨越管橋結構影響，管橋中心集中載荷作用條件下，整個(gè)管橋應變小于單側受集中載荷作用（即F2和F3）。由于均布載荷總和較大，懸索跨越管橋整體應變數值較大。在實(shí)際工程中，應盡量避免非對稱(chēng)條件下的集中應力，減少全橋的明顯應變波動(dòng)。

3.3  不同風(fēng)載及拉力下懸索管橋應變分布

分別開(kāi)展風(fēng)載及橫向拉力條件下的應變實(shí)驗，測試各點(diǎn)應變值。從圖 12可以看出，隨著(zhù)風(fēng)速的增大，懸索管橋的應變波動(dòng)更明顯，由于風(fēng)載作用的波動(dòng)性，使得局部應力數值較小。由于實(shí)驗中風(fēng)載作用面積有限，實(shí)際懸索管橋受到河面橫風(fēng)的作用產(chǎn)生的應力波動(dòng)更為明顯。從圖 13可知，拉力作用產(chǎn)生的應力波動(dòng)隨拉力增大而增大，相比風(fēng)載變化更為穩定。當拉力載荷為3 kg時(shí)，懸索跨越管橋應力波動(dòng)明顯增大。

圖 12 不同風(fēng)載作用下應力變化對比

圖 13 不同拉力載荷作用下應力變化對比

對在役懸索跨越管橋，可以利用該方法進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，獲取跨越結構的應變波動(dòng)情況。

4  結論

（1）基于光纖傳感技術(shù)搭建懸索跨越管道相似實(shí)驗平臺，可以準確得到不同工況下管道應力變化情況。

（2）隨著(zhù)管內介質(zhì)流速增大，管體各方位的應變值都明顯增大。在允許的情況下，降低管內介質(zhì)流速可以降低懸索跨越管道由于形變產(chǎn)生的應力。

（3）集中載荷作用條件下，管橋變形量小于單側受集中載荷作用。在實(shí)際工程中，應盡量避免非對稱(chēng)條件下的集中應力，減少全橋的明顯應力波動(dòng)。

（4）風(fēng)速增大使懸索管橋的應變波動(dòng)更加明顯，風(fēng)載作用的波動(dòng)性使得局部應力數值較小。拉力作用產(chǎn)生的應變波動(dòng)變化隨拉力的增大而增大，相比風(fēng)載變化更為穩定。

 

參考文獻：

[1]汝繼星，何仁洋，蘭惠清，崔鉞，黃輝.斜拉索管橋應變影響因素的試驗分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11(24)：5777-5781.

[2]張平，林楠，王俊強.集中載荷作用下懸索跨越管道的應變響應[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19(09)：71-76.

[3]王世圣，張宏.大跨度懸索式管橋風(fēng)振響應分析[J].油氣儲運，2003，22(1)：27-29.

[4]高建，王德國，何仁洋，張中放.基于應變的懸空管道性能分析[J].管道技術(shù)與設備，2011(6)：13-15.

[5]Yau J D,Yang Y B． Vibration of a suspension bridge installed with a water pipeline and subjected to moving trains[J].Engineering Struc-tures,2008,30(3):632-642.

[6]代鑫.基于光纖光柵的高速鐵路軌道結構監測方法及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

[7]姜濤.基于光纖應變傳感技術(shù)的管道健康監測[D].大連：大連理工大學(xué)，2019.

[8]Cavdar O,Bayraktar A,Adanur S. Stochastic finite element analysis of a cable-stayed bridge system with varying material properties[J]．Probabilistic Engineering Mechanics,2010,25(2):279-289.

 

作者簡(jiǎn)介：李聰，1996年生，在讀研究生，主要研究方向為管道應變分析、基于光纖傳感器的管道結構健康監測等。聯(lián)系方式：15531972841，   20116035@bjtu.edu.cn。

通訊作者：林楠，1987年生，博士，主要從事多相流管道沖刷腐蝕及管道運行安全方向的研究工作。聯(lián)系方式：18810297247，sy_linnan@163.com。