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、車輪不圓度及車輛軸重等影響下產(chǎn)生的車輛-軌道-橋梁動力相互作用會引起結(jié)構(gòu)振動，并通過橋墩基礎(chǔ)與周圍土層相互作用進(jìn)一步誘發(fā)附近土體、地下管道二次振動及噪聲。隨著軌道交通密度不斷增加、載荷不斷增大，由此產(chǎn)生的環(huán)境振動問題愈加突出，有必要對管道進(jìn)行振動監(jiān)測。

目前對高鐵橋墩振動影響埋地管道本體的監(jiān)測研究較少。評價此類周邊振動或地震波對管道產(chǎn)生的影響均基于震速指標(biāo)、土壤沉降及位移控制指標(biāo)進(jìn)行。這三個指標(biāo)均是基于管道周邊環(huán)境的變化而間接設(shè)置的，不能直接反映周邊振動時管道本體受到的影響。因此，現(xiàn)場監(jiān)測仍是研究環(huán)境震動的重要手段，合理可靠的監(jiān)測能夠?qū)崟r定量地反映出高鐵通過時對管道本體的影響及其應(yīng)變變化趨勢，通過有效的數(shù)據(jù)分析為管道的運行維護(hù)措施提供參考依據(jù)。

1 監(jiān)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)行振動加速度測量。但由于本方案要監(jiān)測的管道區(qū)域地下水豐富，周邊為魚塘，管道埋深在5 m左右，開挖難度大且風(fēng)險高，所以決定采用間接方法進(jìn)行測量，即現(xiàn)場測量橋墩的振動情況，通過模擬計算來判斷管道受影響程度。

振動監(jiān)測點位于武廣高鐵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，如圖1所示。將武廣高鐵B路三個橋墩編號為1、2、3，考慮到監(jiān)測位置應(yīng)該與管道最近，因此選擇1號橋墩為監(jiān)測點，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(jiān)測點

1.1 監(jiān)測設(shè)備

橋墩振動加速度動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由三軸加速度傳感器、多通道高速數(shù)據(jù)采集儀（IMC數(shù)據(jù)采集儀）、數(shù)據(jù)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引起的電容變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘�，由IMC數(shù)據(jù)采集儀經(jīng)濾波、放大、數(shù)據(jù)處理換算為加速度值，在終端電腦上用數(shù)據(jù)分析軟件還原成圖形和數(shù)值。

1.2 安裝方式

監(jiān)測裝置的安裝如圖3所示，加速度傳感器通過黏接劑將固定底座垂直黏接在橋墩上，然后通過IMC數(shù)據(jù)采集儀連接筆記本電腦，電源由蓄電池或發(fā)電機(jī)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(jiān)測裝置示意圖

圖4 加速度傳感器安裝圖

2 監(jiān)測結(jié)果及分析

2.1 加速度動態(tài)監(jiān)測結(jié)果

當(dāng)正上方有車經(jīng)過時，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(xù)監(jiān)測中，測到一組最大振動加速度值，三軸最大值分別為：X軸：0.011 g；Y軸：0.020 g；Z軸：0.009 g（監(jiān)測時間：3月26日 17:09，此時段經(jīng)過G71車次，列車為進(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軸加速度波形圖

2.2 車速與振動加速度關(guān)系分析

2.2.1 列車時速估算

運行在武廣高鐵的是CRH2C型300 km/h速度等級動車，CRH2C型車是8節(jié)編組，中間車長25.0 m，兩端的頭車長25.7 m，列車總長度為201.4 m。兩組動車頭對頭重聯(lián)運行，共16節(jié)，總長度為402.8 m。假設(shè)以振動加速度傳感器安裝位置為觀測點，振動測試結(jié)果峰值帶寬時間就可以估算為整車通過觀測點的時間t。利用公式V=s/t計算列車運行速度，結(jié)果見表1。

2.2.2 車速與振動監(jiān)測結(jié)果分析

通過對表1中的列車車速、振動加速度峰值和振動帶寬進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)列車經(jīng)過監(jiān)測位置時的運行速度越快，監(jiān)測點的振動加速度峰值越高大，振動加速度波形帶寬則越短，振動頻率高；列車速度越慢，監(jiān)測點的振動加速度峰值越低，振動波形帶寬則越長，振動頻率越低（見圖8）。

圖8 列車時速與振動加速度峰值關(guān)系

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

通過對圖5~7進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)列車經(jīng)過時，橋墩的三個方向均產(chǎn)生了較為明顯的振動。對產(chǎn)生明顯振動的曲線段進(jìn)行FFT去噪，得到圖9所示的加速度曲線。

圖 9武廣高鐵1號橋墩振動加速度曲線

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。對加速度曲線進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)三個方向的振動頻率都為1.8 Hz。為了簡化問題，將橋墩的振動近似看成是簡諧振動，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：

測點的速度和加速度曲線的數(shù)值積分結(jié)果如圖10、11所示。通過速度變化曲線可以看到，最大峰值振動速度為0.01 mm/s。

圖 10 振動速度變化曲線/mm﹒s-1

圖 11振動位移變化曲線/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。由于振動對管道的影響區(qū)域主要集中在震源中心附近，因此取管道的長度為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(shù)據(jù)施加在模型的中心區(qū)域。為計算方便，采用殼單元S4R，模型總共劃分為12040個節(jié)點和12000個單元。

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(jié)點，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維度的彈簧。如圖14所示，在管道的接點上分別連接軸向、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分別表示三個方向彈簧的剛度系數(shù)。

圖 14  管土相互作用簡化模型

土彈簧的載荷與變形特性在一定變形區(qū)間內(nèi)是線性關(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(shù)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(jié)果

對管道距離橋墩最近的部位施加振動加速度的約束，本模型中對應(yīng)管道的中心部位。在振動加速度驅(qū)動下求解應(yīng)力場和應(yīng)變場的結(jié)果。

（1）應(yīng)力場

圖 16  應(yīng)力場/Pa（P點應(yīng)力值位于波峰時刻，變形放大10000倍）

圖 17  應(yīng)力場/Pa（P點應(yīng)力值位于波谷時刻，變形放大10000倍）

圖16、17中的P點為振動中心，其振動強(qiáng)度最大。P點處的米塞斯等效應(yīng)力場的變化曲線如圖18所示。從曲線可以看到，管道振動時等效應(yīng)力呈波浪狀變化，最大可以達(dá)到0.5 MPa。

圖18  震源中心P點的等效應(yīng)力變化曲線/MPa

（2）應(yīng)變場

圖19和圖20是振動狀態(tài)下的應(yīng)變場，最大應(yīng)變值為1.6微應(yīng)變，遠(yuǎn)小于地質(zhì)沉降帶來的變形，因此可以忽略振動所引起的變形量。

圖 19  應(yīng)變場（P點應(yīng)變值位于波峰時刻，變形放大10000倍）

圖 20  應(yīng)變場（P點應(yīng)變值位于波谷時刻，變形放大10000倍）

（3）計算結(jié)果

對列車通過橋墩時的管線受迫振動和兩個振動的干涉情況均進(jìn)行了數(shù)值仿真，計算結(jié)果表明管道的應(yīng)力和應(yīng)變均很小，不會對管道產(chǎn)生破壞性的變形。

4結(jié)論

通過現(xiàn)場實測，得出如下結(jié)論。

（1）本文監(jiān)測點處高鐵列車通過時產(chǎn)生的震動加速度傳感器三軸方向都監(jiān)測到了明顯波形，最大加速度0.020 g；最大峰值振動速度為0.01 mm/s。

(2)高鐵列車經(jīng)過監(jiān)測位置時的運行速度越快，監(jiān)測點的振動加速度峰值越高，振動加速度波形帶寬則越短，振動頻率高。列車速度越慢，情況相反。

（3）采用有限元分析，結(jié)果表明當(dāng)前工況下高鐵橋墩振動時，管道的應(yīng)力和應(yīng)變均很小，振動對管道變形影響很小，不會對管道產(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、天然氣長輸管道及管道完整性管理相關(guān)的技術(shù)工作。

《管道保護(hù)》2017年第3期（總第34期）