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生的車輛-軌道-橋梁動力相互作用會引起結構振動，并通過橋墩基礎與周圍土層相互作用進一步誘發附近土體、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，由此產生的環境振動問題愈加突出，有必要對管道進行振動監測。

目前對高鐵橋墩振動影響埋地管道本體的監測研究較少。評價此類周邊振動或地震波對管道產生的影響均基于震速指標、土壤沉降及位移控制指標進行。這三個指標均是基于管道周邊環境的變化而間接設置的，不能直接反映周邊振動時管道本體受到的影響。因此，現場監測仍是研究環境震動的重要手段，合理可靠的監測能夠實時定量地反映出高鐵通過時對管道本體的影響及其應變變化趨勢，通過有效的數據分析為管道的運行維護措施提供參考依據。

1 監測方案

在條件許可的情況下，最為直接的方法是對管道進行振動加速度測量。但由于本方案要監測的管道區域地下水豐富，周邊為魚塘，管道埋深在5 m左右，開挖難度大且風險高，所以決定采用間接方法進行測量，即現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，考慮到監測位置應該與管道最近，因此選擇1號橋墩為監測點，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號橋墩監測點

1.1 監測設備

橋墩振動加速度動態監測系統由三軸加速度傳感器、多通道高速數據采集儀（IMC數據采集儀）、數據分析軟件、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變為電壓信號，由IMC數據采集儀經濾波、放大、數據處理換算為加速度值，在終端電腦上用數據分析軟件還原成圖形和數值。

1.2 安裝方式

監測裝置的安裝如圖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數據采集儀連接筆記本電腦，電源由蓄電池或發電機供電，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 監測裝置示意圖

圖4 加速度傳感器安裝圖

2 監測結果及分析

2.1 加速度動態監測結果

當正上方有車經過時，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天的連續監測中，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（監測時間：3月26日 17:09，此時段經過G71車次，列車為進站方向）。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運行，共16節，總長度為402.8 m。假設以振動加速度傳感器安裝位置為觀測點，振動測試結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，結果見表1。

2.2.2 車速與振動監測結果分析

通過對表1中的列車車速、振動加速度峰值和振動帶寬進行分析，發現列車經過監測位置時的運行速度越快，監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系

2.3 數據處理方法

通過對圖5~7進行分析，可以發現列車經過時，橋墩的三個方向均產生了較為明顯的振動。對產生明顯振動的曲線段進行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。對加速度曲線進行分析，可以發現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值積分結果如圖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據施加在模型的中心區域。為計算方便，采用殼單元S4R，模型總共劃分為12040個節點和12000個單元。

3.1幾何模型及網格劃分

圖 12 管道幾何模型

圖13  網格劃分（12040節點，12000單元）

3.2 土壤的力學行為

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。

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間內是線性關系，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，本模型中對應管道的中心部位。在振動加速度驅動下求解應力場和應變場的結果。

（1）應力場

圖 16  應力場/Pa（P點應力值位于波峰時刻，變形放大10000倍）

圖 17  應力場/Pa（P點應力值位于波谷時刻，變形放大10000倍）

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

圖18  震源中心P點的等效應力變化曲線/MPa

（2）應變場

圖19和圖20是振動狀態下的應變場，最大應變值為1.6微應變，遠小于地質沉降帶來的變形，因此可以忽略振動所引起的變形量。

圖 19  應變場（P點應變值位于波峰時刻，變形放大10000倍）

圖 20  應變場（P點應變值位于波谷時刻，變形放大10000倍）

（3）計算結果

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行了數值仿真，計算結果表明管道的應力和應變均很小，不會對管道產生破壞性的變形。

4結論

通過現場實測，得出如下結論。

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

(2)高鐵列車經過監測位置時的運行速度越快，監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，結果表明當前工況下高鐵橋墩振動時，管道的應力和應變均很小，振動對管道變形影響很小，不會對管道產生破壞性的變形，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的技術工作。

《管道保護》2017年第3期（總第34期）