李聪1,2 林楠2 李杨2

1.北京交通大学； 2.中国特种设备检测研究院

摘要：为了研究不同状态下悬索跨越管道的受力变形情况，采用相似实验，建立了基于光纤传感技术的悬索跨越管道应变监测实验平台。通过模拟集中载荷、均布载荷、风载及拉力作用下悬索跨越管道形变及应力变化情况，采集各实验条件下跨越管道应变值，对跨越管道进行静态和动态条件下的应变分析，评估跨越管道的危险区域，验证监测系统的可行性和可靠性。

关键词：悬索跨越管道；相似实验；应变响应；光纤传感技术

悬索跨越管道所处自然条件比较恶劣，经常遭受雪载、风载、地震以及水击等外载荷作用，容易发生事故，对安全运行造成严重威胁[1]。为了掌握悬索跨越管道在不同受载工况下的结构状态，对其开展相关实验研究具有重要意义。

目前，中国特种设备检测研究院张平[2]通过布设应变传感器建立相似实验悬索桥模型结构，进行实验和仿真对比，对集中载荷作用下悬索跨越管道的应变响应进行了研究。中国石油大学（华东）王世圣[3]采用几何分线性有限元方法对悬索跨越管道进行了横向风共振分析。中国石油大学（北京）高健等[4]基于应变设计准则，研究了跨距变化情况下悬空管道的应变分布和变化规律。台湾淡江大学的Yau教授[5]进行了悬索跨越管道在列车经过时的振动分析。但是以上研究或是通过单一的有限元软件仿真模拟，得到的数据准确性有待验证；或是采用传统监测方法致使监测数据不够完善和精准。近年来结构健康监测逐渐转变为在线、主动、实时监测与控制[6]。

光纤应变传感器由于具有抗电磁干扰能力强，精度高，灵敏度高等优点得到大量运用[7]。笔者通过建立相似悬索跨越管道模型，基于光纤传感技术对典型跨越管道进行应变监测，研究在不同状态下悬索跨越管道的应变分布规律，为其健康运行提供参考依据。

1  相似实验

1.1  相似实验平台

相似实验是一种建立在相似理论基础上，用放大或缩小的相似模型去研究对应原型的力学运动以及其他相关特性的实验方法[8]。原型与相似模型之间通过相似关系λ来关联，相似实验中模型长度为：

Lm＝La/λ    （1）

式中： Lm为模型长度，La为原型长度。

以陕京线某悬索跨越管道为原型，优先满足主要相似关系，适当放宽次要相似关系，按照几何和动力相似关系搭建悬索跨越管道相似模型，并满足材料相似和边界条件相似，实际尺寸和实验尺寸相似比为8∶1，相似模型跨度为34 m，输送管道直径40 mm，塔架高2.5 m，主索直径8 mm，吊索直径2 mm，每组吊索间距2 m。悬索跨越管道相似模型见图 1。

图 1 悬索跨越管道相似模型

相似实验平台见图 2，主要由介质循环系统和数据测试系统两部分组成。介质循环系统包括介质储存罐1、离心泵2、节流阀3、压力计5、体积流量计6、节流阀4和回水管。由于悬索跨越管道具有对称性，取管道中心为轴向原点，沿介质流向为正，逆介质流向为负，实验管路前端设计流量控制回路，用于调节管内介质流速。数据测试系统包括若干光纤光栅应变传感器、数据传输线和数据采集仪。

图 2 相似实验平台示意图

1.2  传感器布设

在悬索跨越实验平台单侧管体上等距离选择4个测点，分别测试管体环向4个方向的微应变情况。每个测点分别布设4个传感器（上、下、北、南），以及温度补偿传感器。根据对称原理，全桥共获取7个等间距位置的应变数据，如图 3所示。

图 3 传感器位置示意图

2  实验方案

针对不同流动速度、集中载荷、均布载荷及风载荷进行应变监测方法研究。其中流动速度为0 m/s（静置）、8 m/s、16 m/s。集中载荷大小为20 kg，均布载荷大小为5 kg。风载速度分别为2 m/s、3 m/s和4 m/s，横向拉力分别为1 kg、2 kg和3 kg，实验环境温度为25℃。详情如图 4所示。

图 4 不同实验方案示意图

3  实验结果

3.1  不同介质流速下悬索管道应变分布

如图 5至图 7所示，最大应变值均出现在管道两端上侧，测点上、北、南三处最小应变值均在距管道中心处。管道下侧最大值出现在管道的3/8位置处和5/8位置处。另外，管道上方中点的应变值最小。从图中还可看出，在不同运行条件下，管道两侧变形应力基本相同，受外力作用影响较小。管道本体主要受到悬索跨越结构的拉力及管道自身的重力作用，管桥的下部在整个悬索跨越结构的中间位置变形最明显。相反，管桥中部的管道本体上侧会受到较为明显的压缩变形作用。

图 5 满管静置条件下管道应变数据对比

图 6 流速为8 m/s条件下管道应变数据对比

图 7 流速为16 m/s条件下管道应变数据对比

整个管桥受到主索和吊索的约束，在三种运行条件下，各测点拟合的管道应变趋势基本相同。随着管内介质流速增大，管体各方位的应变值都明显增大。在允许的情况下，降低管内介质流速可以降低悬索跨越管道由于形变产生的应力。

3.2  集中及均布载荷下悬索管道应变分布

以满管静置状态为初始状态，采集不同位置加载的集中载荷、均布载荷条件下各测点的相对应力数值。

如图 8至图 11所示。集中载荷加载位置的应力变化较为明显。由于作用力处的管道下垂明显，此处下壁面拉应力较大。而上壁面受形变影响，为轻微的压应力，即应力值为负值。均布载荷作用下，各方向变形产生的应力较为平衡，在悬索跨越管桥中心处应力变化略微明显。

图 8 集中载荷F1作用条件下管道应变数据对比

图 9 集中载荷F2作用条件下管道应变数据对比

图 10 集中载荷F3作用条件下管道应变数据对比

图 11 均布载荷F作用条件下管道应变数据对比

集中载荷F1作用条件下，最大应变值出现在管道中心位置下侧处。同时在距管道中心﹣8 m和8 m上侧处，出现两个新的拉应变极值点。

集中载荷F2作用条件下，最大应变值240με，在距管道中心8 m位置处，即管道3/4处。管道开始端比结束端应力值大，与无集中载荷作用时相比，管道中点的应变值略微增大，而管道开始端的应变值则变大，结束端则变小。

集中载荷F3作用条件下，最大应变值240με，在距管道中心﹣8 m位置处，即管道1/4处。管道开始端比结束端应力值小，与无集中载荷作用时相比，管道中点的应变值略微增大，而管道开始端的应变值则变小，结束端则变大。

受悬索跨越管桥结构影响，管桥中心集中载荷作用条件下，整个管桥应变小于单侧受集中载荷作用（即F2和F3）。由于均布载荷总和较大，悬索跨越管桥整体应变数值较大。在实际工程中，应尽量避免非对称条件下的集中应力，减少全桥的明显应变波动。

3.3  不同风载及拉力下悬索管桥应变分布

分别开展风载及横向拉力条件下的应变实验，测试各点应变值。从图 12可以看出，随着风速的增大，悬索管桥的应变波动更明显，由于风载作用的波动性，使得局部应力数值较小。由于实验中风载作用面积有限，实际悬索管桥受到河面横风的作用产生的应力波动更为明显。从图 13可知，拉力作用产生的应力波动随拉力增大而增大，相比风载变化更为稳定。当拉力载荷为3 kg时，悬索跨越管桥应力波动明显增大。

图 12 不同风载作用下应力变化对比

图 13 不同拉力载荷作用下应力变化对比

对在役悬索跨越管桥，可以利用该方法进行实时监测，获取跨越结构的应变波动情况。

4  结论

（1）基于光纤传感技术搭建悬索跨越管道相似实验平台，可以准确得到不同工况下管道应力变化情况。

（2）随着管内介质流速增大，管体各方位的应变值都明显增大。在允许的情况下，降低管内介质流速可以降低悬索跨越管道由于形变产生的应力。

（3）集中载荷作用条件下，管桥变形量小于单侧受集中载荷作用。在实际工程中，应尽量避免非对称条件下的集中应力，减少全桥的明显应力波动。

（4）风速增大使悬索管桥的应变波动更加明显，风载作用的波动性使得局部应力数值较小。拉力作用产生的应变波动变化随拉力的增大而增大，相比风载变化更为稳定。

 

参考文献：

[1]汝继星，何仁洋，兰惠清，崔钺，黄辉.斜拉索管桥应变影响因素的试验分析[J].科学技术与工程，2011，11(24)：5777-5781.

[2]张平，林楠，王俊强.集中载荷作用下悬索跨越管道的应变响应[J].科学技术与工程，2019，19(09)：71-76.

[3]王世圣，张宏.大跨度悬索式管桥风振响应分析[J].油气储运，2003，22(1)：27-29.

[4]高建，王德国，何仁洋，张中放.基于应变的悬空管道性能分析[J].管道技术与设备，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.基于光纤光栅的高速铁路轨道结构监测方法及关键技术研究[D].武汉：武汉理工大学，2013.

[7]姜涛.基于光纤应变传感技术的管道健康监测[D].大连：大连理工大学，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.

 

作者简介：李聪，1996年生，在读研究生，主要研究方向为管道应变分析、基于光纤传感器的管道结构健康监测等。联系方式：15531972841，   20116035@bjtu.edu.cn。

通讯作者：林楠，1987年生，博士，主要从事多相流管道冲刷腐蚀及管道运行安全方向的研究工作。联系方式：18810297247，sy_linnan@163.com。