李聰1,2 林楠2 李楊2

1.北京交通大學(xué)； 2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)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(yàn)，建立了基于光纖傳感技術(shù)的懸索跨越管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過模擬集中載荷、均布載荷、風(fēng)載及拉力作用下懸索跨越管道形變及應(yīng)力變化情況，采集各實(shí)驗(yàn)條件下跨越管道應(yīng)變值，對(duì)跨越管道進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的應(yīng)變分析，評(píng)估跨越管道的危險(xiǎn)區(qū)域，驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性和可靠性。

關(guān)鍵詞：懸索跨越管道；相似實(shí)驗(yàn)；應(yīng)變響應(yīng)；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(duì)安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅[1]。為了掌握懸索跨越管道在不同受載工況下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對(duì)其開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究具有重要意義。

目前，中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院張平[2]通過布設(shè)應(yīng)變傳感器建立相似實(shí)驗(yàn)懸索橋模型結(jié)構(gòu)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)比，對(duì)集中載荷作用下懸索跨越管道的應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行了研究。中國(guó)石油大學(xué)（華東）王世圣[3]采用幾何分線性有限元方法對(duì)懸索跨越管道進(jìn)行了橫向風(fēng)共振分析。中國(guó)石油大學(xué)（北京）高健等[4]基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)準(zhǔn)則，研究了跨距變化情況下懸空管道的應(yīng)變分布和變化規(guī)律。臺(tái)灣淡江大學(xué)的Yau教授[5]進(jìn)行了懸索跨越管道在列車經(jīng)過時(shí)的振動(dòng)分析。但是以上研究或是通過單一的有限元軟件仿真模擬，得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性有待驗(yàn)證；或是采用傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法致使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不夠完善和精準(zhǔn)。近年來結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰�、主動(dòng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制[6]。

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

1  相似實(shí)驗(yàn)

1.1  相似實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

相似實(shí)驗(yàn)是一種建立在相似理論基礎(chǔ)上，用放大或縮小的相似模型去研究對(duì)應(yīng)原型的力學(xué)運(yùn)動(dòng)以及其他相關(guān)特性的實(shí)驗(yàn)方法[8]。原型與相似模型之間通過相似關(guān)系λ來關(guān)聯(lián)，相似實(shí)驗(yàn)中模型長(zhǎng)度為：

Lm＝La/λ    （1）

式中： Lm為模型長(zhǎng)度，La為原型長(zhǎng)度。

以陜京線某懸索跨越管道為原型，優(yōu)先滿足主要相似關(guān)系，適當(dāng)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，并滿足材料相似和邊界條件相似，實(shí)際尺寸和實(shí)驗(yàn)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圖 1。

圖 1 懸索跨越管道相似模型

相似實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見圖 2，主要由介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)兩部分組成。介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)包括介質(zhì)儲(chǔ)存罐1、離心泵2、節(jié)流閥3、壓力計(jì)5、體積流量計(jì)6、節(jié)流閥4和回水管。由于懸索跨越管道具有對(duì)稱性，取管道中心為軸向原點(diǎn)，沿介質(zhì)流向?yàn)檎�，逆介質(zhì)流向?yàn)樨?fù)，實(shí)驗(yàn)管路前端設(shè)計(jì)流量控制回路，用于調(diào)節(jié)管內(nèi)介質(zhì)流速。數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)包括若干光纖光柵應(yīng)變傳感器、數(shù)據(jù)傳輸線和數(shù)據(jù)采集儀。

圖 2 相似實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

1.2  傳感器布設(shè)

在懸索跨越實(shí)驗(yàn)平臺(tái)單側(cè)管體上等距離選擇4個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)試管體環(huán)向4個(gè)方向的微應(yīng)變情況。每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別布設(shè)4個(gè)傳感器（上、下、北、南），以及溫度補(bǔ)償傳感器。根據(jù)對(duì)稱原理，全橋共獲取7個(gè)等間距位置的應(yīng)變數(shù)據(jù)，如圖 3所示。

圖 3 傳感器位置示意圖

2  實(shí)驗(yàn)方案

針對(duì)不同流動(dòng)速度、集中載荷、均布載荷及風(fēng)載荷進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)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(yàn)環(huán)境溫度為25℃。詳情如圖 4所示。

圖 4 不同實(shí)驗(yàn)方案示意圖

3  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1  不同介質(zhì)流速下懸索管道應(yīng)變分布

如圖 5至圖 7所示，最大應(yīng)變值均出現(xiàn)在管道兩端上側(cè)，測(cè)點(diǎn)上、北、南三處最小應(yīng)變值均在距管道中心處。管道下側(cè)最大值出現(xiàn)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(yīng)變值最小。從圖中還可看出，在不同運(yùn)行條件下，管道兩側(cè)變形應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的中間位置變形最明顯。相反，管橋中部的管道本體上側(cè)會(huì)受到較為明顯的壓縮變形作用。

圖 5 滿管靜置條件下管道應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)比

圖 6 流速為8 m/s條件下管道應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)比

圖 7 流速為16 m/s條件下管道應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)比

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

3.2  集中及均布載荷下懸索管道應(yīng)變分布

以滿管靜置狀態(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(cè)點(diǎn)的相對(duì)應(yīng)力數(shù)值。

如圖 8至圖 11所示。集中載荷加載位置的應(yīng)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(yīng)力較大。而上壁面受形變影響，為輕微的壓應(yīng)力，即應(yīng)力值為負(fù)值。均布載荷作用下，各方向變形產(chǎn)生的應(yīng)力較為平衡，在懸索跨越管橋中心處應(yīng)力變化略微明顯。

圖 8 集中載荷F1作用條件下管道應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)比

圖 9 集中載荷F2作用條件下管道應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)比

圖 10 集中載荷F3作用條件下管道應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)比

圖 11 均布載荷F作用條件下管道應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)比

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

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

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

受懸索跨越管橋結(jié)構(gòu)影響，管橋中心集中載荷作用條件下，整個(gè)管橋應(yīng)變小于單側(cè)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(yīng)變數(shù)值較大。在實(shí)際工程中，應(yīng)盡量避免非對(duì)稱條件下的集中應(yīng)力，減少全橋的明顯應(yīng)變波動(dòng)。

3.3  不同風(fēng)載及拉力下懸索管橋應(yīng)變分布

分別開展風(fēng)載及橫向拉力條件下的應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，測(cè)試各點(diǎn)應(yīng)變值。從圖 12可以看出，隨著風(fēng)速的增大，懸索管橋的應(yīng)變波動(dòng)更明顯，由于風(fēng)載作用的波動(dòng)性，使得局部應(yīng)力數(shù)值較小。由于實(shí)驗(yàn)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(yīng)力波動(dòng)更為明顯。從圖 13可知，拉力作用產(chǎn)生的應(yīng)力波動(dòng)隨拉力增大而增大，相比風(fēng)載變化更為穩(wěn)定。當(dāng)拉力載荷為3 kg時(shí)，懸索跨越管橋應(yīng)力波動(dòng)明顯增大。

圖 12 不同風(fēng)載作用下應(yīng)力變化對(duì)比

圖 13 不同拉力載荷作用下應(yīng)力變化對(duì)比

對(duì)在役懸索跨越管橋，可以利用該方法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取跨越結(jié)構(gòu)的應(yīng)變波動(dòng)情況。

4  結(jié)論

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

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

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

（4）風(fēng)速增大使懸索管橋的應(yīng)變波動(dòng)更加明顯，風(fēng)載作用的波動(dòng)性使得局部應(yīng)力數(shù)值較小。拉力作用產(chǎn)生的應(yīng)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(wěn)定。

 

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作者簡(jiǎn)介：李聰，1996年生，在讀研究生，主要研究方向?yàn)楣艿缿?yīng)變分析、基于光纖傳感器的管道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(yùn)行安全方向的研究工作。聯(lián)系方式：18810297247，sy_linnan@163.com。