李聰1,2 林楠2 李楊2

1.北京交通大學； 2.中國特種設備檢測研究院

摘要：為了研究不同狀態下懸索跨越管道的受力變形情況，采用相似實驗，建立了基于光纖傳感技術的懸索跨越管道應變監測實驗平臺。通過模擬集中載荷、均布載荷、風載及拉力作用下懸索跨越管道形變及應力變化情況，采集各實驗條件下跨越管道應變值，對跨越管道進行靜態和動態條件下的應變分析，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。

關鍵詞：懸索跨越管道；相似實驗；應變響應；光纖傳感技術

懸索跨越管道所處自然條件比較惡劣，經常遭受雪載、風載、地震以及水擊等外載荷作用，容易發生事故，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，對其開展相關實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]通過布設應變傳感器建立相似實驗懸索橋模型結構，進行實驗和仿真對比，對集中載荷作用下懸索跨越管道的應變響應進行了研究。中國石油大學（華東）王世圣[3]采用幾何分線性有限元方法對懸索跨越管道進行了橫向風共振分析。中國石油大學（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。臺灣淡江大學的Yau教授[5]進行了懸索跨越管道在列車經過時的振動分析。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。近年來結構健康監測逐漸轉變為在線、主動、實時監測與控制[6]。

光纖應變傳感器由于具有抗電磁干擾能力強，精度高，靈敏度高等優點得到大量運用[7]。筆者通過建立相似懸索跨越管道模型，基于光纖傳感技術對典型跨越管道進行應變監測，研究在不同狀態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  相似實驗

1.1  相似實驗平臺

相似實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運動以及其他相關特性的實驗方法[8]。原型與相似模型之間通過相似關系λ來關聯，相似實驗中模型長度為：

Lm＝La/λ    （1）

式中： Lm為模型長度，La為原型長度。

以陜京線某懸索跨越管道為原型，優先滿足主要相似關系，適當放寬次要相似關系，按照幾何和動力相似關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，實際尺寸和實驗尺寸相似比為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圖 1。

圖 1 懸索跨越管道相似模型

相似實驗平臺見圖 2，主要由介質循環系統和數據測試系統兩部分組成。介質循環系統包括介質儲存罐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性，取管道中心為軸向原點，沿介質流向為正，逆介質流向為負，實驗管路前端設計流量控制回路，用于調節管內介質流速。數據測試系統包括若干光纖光柵應變傳感器、數據傳輸線和數據采集儀。

圖 2 相似實驗平臺示意圖

1.2  傳感器布設

在懸索跨越實驗平臺單側管體上等距離選擇4個測點，分別測試管體環向4個方向的微應變情況。每個測點分別布設4個傳感器（上、下、北、南），以及溫度補償傳感器。根據對稱原理，全橋共獲取7個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  實驗方案

針對不同流動速度、集中載荷、均布載荷及風載荷進行應變監測方法研究。其中流動速度為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，實驗環境溫度為25℃。詳情如圖 4所示。

圖 4 不同實驗方案示意圖

3  實驗結果

3.1  不同介質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

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

3.2  集中及均布載荷下懸索管道應變分布

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

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。同時在距管道中心﹣8 m和8 m上側處，出現兩個新的拉應變極值點。

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。管道開始端比結束端應力值大，與無集中載荷作用時相比，管道中點的應變值略微增大，而管道開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。管道開始端比結束端應力值小，與無集中載荷作用時相比，管道中點的應變值略微增大，而管道開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。在實際工程中，應盡量避免非對稱條件下的集中應力，減少全橋的明顯應變波動。

3.3  不同風載及拉力下懸索管橋應變分布

分別開展風載及橫向拉力條件下的應變實驗，測試各點應變值。從圖 12可以看出，隨著風速的增大，懸索管橋的應變波動更明顯，由于風載作用的波動性，使得局部應力數值較小。由于實驗中風載作用面積有限，實際懸索管橋受到河面橫風的作用產生的應力波動更為明顯。從圖 13可知，拉力作用產生的應力波動隨拉力增大而增大，相比風載變化更為穩定。當拉力載荷為3 kg時，懸索跨越管橋應力波動明顯增大。

圖 12 不同風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，可以利用該方法進行實時監測，獲取跨越結構的應變波動情況。

4  結論

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

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

（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。在實際工程中，應盡量避免非對稱條件下的集中應力，減少全橋的明顯應力波動。

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

 

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].科學技術與工程，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].科學技術與工程，2019，19(09)：71-76.

[3]王世圣，張宏.大跨度懸索式管橋風振響應分析[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鍵技術研究[D].武漢：武漢理工大學，2013.

[7]姜濤.基于光纖應變傳感技術的管道健康監測[D].大連：大連理工大學，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。聯系方式：18810297247，sy_linnan@163.com。