任 亮， 夏夢(mèng)穎， 姜 濤， 賈子光， 崔曉蕾

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部 大連， 116024)

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基于環(huán)向應(yīng)變的燃?xì)夤艿佬孤┍O(jiān)測(cè)試驗(yàn)*

任 亮， 夏夢(mèng)穎， 姜 濤， 賈子光， 崔曉蕾

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部 大連， 116024)

燃?xì)夤艿烙捎谄涔δ艿奶厥庖约吧盥裼诘叵禄蚝５椎沫h(huán)境，如果泄漏將引起災(zāi)難性的后果。泄漏引起的負(fù)壓波會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)壓降低，進(jìn)而引起管道環(huán)向應(yīng)變減小。提出一種利用光纖光柵應(yīng)變傳感器測(cè)量管道環(huán)向應(yīng)變，對(duì)管道泄漏進(jìn)行無(wú)損監(jiān)測(cè)的方法。利用準(zhǔn)分布式安裝在燃?xì)夤艿滥Ｐ椭骶€以及支線上的光纖光柵應(yīng)變傳感器(fiber Bragg grating，簡(jiǎn)稱FBG)進(jìn)行多種泄漏工況模擬試驗(yàn)，包括不同位置泄漏、支線泄漏和模擬調(diào)泵。試驗(yàn)結(jié)果表明，光纖光柵應(yīng)變傳感器能夠迅速準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到管道的泄漏信號(hào)，這種基于環(huán)向應(yīng)變監(jiān)測(cè)的管道泄漏監(jiān)測(cè)方法是可行的，具有很大的發(fā)展前景。

管道； 泄漏監(jiān)測(cè)； 光纖光柵； 傳感器； 環(huán)向應(yīng)變

引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)石油天然氣能源的需求量越來(lái)越大，作為石油天然氣產(chǎn)品的主要運(yùn)輸方式,油氣管道工業(yè)的發(fā)展日新月異。但是隨著管道使用年限的增長(zhǎng)，在服役過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生各種損傷，腐蝕破壞、人為及自然災(zāi)害破壞和長(zhǎng)期荷載作用下的疲勞破壞等都會(huì)導(dǎo)致管道泄漏事故頻繁發(fā)生[1]，造成巨大的資源浪費(fèi)，對(duì)土壤及水體產(chǎn)生嚴(yán)重污染[2]，甚至釀成火災(zāi)及爆炸事故，嚴(yán)重威脅管線所經(jīng)之處人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，在石油天然氣管道的運(yùn)營(yíng)維護(hù)時(shí)，對(duì)管道進(jìn)行長(zhǎng)期有效地連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并確定泄漏點(diǎn)位置[3-4]，對(duì)于保證管道安全運(yùn)行、減少經(jīng)濟(jì)損失和保護(hù)國(guó)家人民生命財(cái)產(chǎn)安全有著重大意義。

目前，管道泄漏的檢測(cè)方法主要有人工巡視法、機(jī)載紅外線法、探測(cè)球法、電纜檢測(cè)法、超聲檢測(cè)法以及基于數(shù)學(xué)模型和軟件的負(fù)壓波法、壓力梯度法、互相關(guān)檢測(cè)法[5]及應(yīng)變模態(tài)差方法[6]等。這些方法普遍存在無(wú)法長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、耗資大、反應(yīng)慢和檢測(cè)精度不高等問(wèn)題。超聲檢測(cè)法等應(yīng)用的電類傳感器在長(zhǎng)距離(>500 m)傳輸過(guò)程中信號(hào)的損耗較大，信號(hào)中混雜有大量強(qiáng)背景噪聲，影響數(shù)據(jù)的分析效果，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行多種降噪處理[7]。因此，亟需一種能夠克服上述缺點(diǎn)的管道泄漏檢測(cè)方法。

近年來(lái)，光纖光柵傳感技術(shù)在工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)展迅速[8]。光纖光柵作為一種新型的智能傳感元件，具有精巧輕柔、穩(wěn)定性好、耐酸堿抗腐蝕[9]、抗電磁干擾和精度高[10]、無(wú)火花[11]等優(yōu)點(diǎn)，還擁有復(fù)用能力強(qiáng)和信號(hào)為波長(zhǎng)調(diào)制的優(yōu)勢(shì)[12-14]，十分適合應(yīng)用于燃?xì)夤艿辣O(jiān)測(cè)。

由于泄漏引起的負(fù)壓波會(huì)引起管道內(nèi)壓降低，這直接導(dǎo)致管道環(huán)向應(yīng)變的變化。因此，筆者提出一種基于環(huán)向應(yīng)變的管道泄漏監(jiān)測(cè)方法，利用一種基于夾持式方法封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)得到由管道內(nèi)部壓力導(dǎo)致的管道外壁環(huán)向變形情況。

1 基于光纖光柵傳感器的管道泄漏監(jiān)測(cè)理論

1.1 管道泄漏監(jiān)測(cè)理論

管道在運(yùn)營(yíng)期間，需要通過(guò)加高壓輸送液態(tài)和氣態(tài)介質(zhì)，因此管道內(nèi)部存在較大的內(nèi)部壓力，這種壓力會(huì)使管道發(fā)生膨脹，致使管道外壁產(chǎn)生環(huán)向變形，如式(1)所示。

(1)

其中：εy為管道外壁環(huán)向應(yīng)變;ν為管道泊松比;σy為管道外壁環(huán)向應(yīng)力；σz為管道外壁軸向應(yīng)力；E為管道彈性模量。(徑向應(yīng)力σx=-p近似為零。)

假定管道為無(wú)限長(zhǎng)，則管道內(nèi)部壓力導(dǎo)致的管道外壁軸向應(yīng)變?chǔ)襷可忽略不計(jì)，即σz= 0；同時(shí),σy=pR/h，其中：p為管道內(nèi)部壓力；R為管道內(nèi)徑；h為管道壁厚。將σz和σy的值帶入式(2)，得到管道壁厚與管道外壁環(huán)向應(yīng)變的關(guān)系式為

(2)

當(dāng)管內(nèi)壓力變化時(shí)，管道外壁的環(huán)向應(yīng)變也會(huì)隨之變化，兩者成正比例關(guān)系。當(dāng)管道發(fā)生泄露時(shí)，泄漏點(diǎn)的流體迅速流失，壓力下降，泄漏點(diǎn)兩邊的氣體由于壓差而向泄漏點(diǎn)處補(bǔ)充。這一過(guò)程依次向上下游傳遞，相當(dāng)于泄漏點(diǎn)處產(chǎn)生了以一定速度傳播的負(fù)壓波[15]。負(fù)壓波在沿管道傳播的過(guò)程中將導(dǎo)致管道壓力的瞬間減小，管道泄漏是短時(shí)間事件，在泄露發(fā)生時(shí)刻可認(rèn)為管道壁厚h保持不變。管道內(nèi)部的壓力變化將導(dǎo)致管道外壁的環(huán)向應(yīng)變變化。因此，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)管道的環(huán)向應(yīng)變的變化情況來(lái)監(jiān)測(cè)管道是否泄漏。

1.2 光纖光柵應(yīng)變傳感器基本理論

傳感器主要由光纖光柵、兩個(gè)夾持部件以及兩個(gè)固定支點(diǎn)組成,如圖 1所示。傳感器實(shí)物如圖 2所示，夾持部件為鋼管，直徑為d；設(shè)兩端固定支點(diǎn)的距離為L(zhǎng)，兩端夾持部件之間的距離為L(zhǎng)f。

圖1 用于環(huán)向應(yīng)變測(cè)量的光纖光柵應(yīng)變傳感器的原理圖Fig.1 The schematic diagram of FBG strain sensor used in hoop strain measurement

圖2 光纖光柵應(yīng)變傳感器Fig.2 The picture of FBG strain sensor

假設(shè)由于內(nèi)壓改變導(dǎo)致管道產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)變?yōu)棣?，則管道半徑的改變量ΔR=Rε，兩固定支點(diǎn)沿著管道徑向產(chǎn)生位移；定義α為經(jīng)過(guò)固定支點(diǎn)處的管道軸線與傳感器軸線的夾角，則兩固定支點(diǎn)位移導(dǎo)致光纖光柵應(yīng)變傳感器發(fā)生軸向變形為

(3)

其中：α為兩固定支點(diǎn)處的圓心角

(4)

夾持部件和光纖光柵的變形分別為ΔLS和ΔLf。忽略鋼管內(nèi)膠層和光纖的影響，由材料力學(xué)基本原理可得

(5)

(6)

其中:Es和Ef分別為鋼和光纖的彈性模量；As和Af分別為夾持鋼管和光纖的截面積；Ps和Pf分別為夾持鋼管和光纖光柵所受的內(nèi)力。

傳感器內(nèi)部?jī)?nèi)力處處相等，即Ps=Pf，由此可得

(7)

根據(jù)筆者的研究[16-17]，由兩端夾持式光纖光柵應(yīng)變傳感器工作原理的研究可知，在整個(gè)傳感器的結(jié)構(gòu)中，夾持部件的應(yīng)變可以忽略。固定支點(diǎn)之間的變形量可認(rèn)為全部加載在光纖光柵上。

ΔL=ΔLf

(8)

得

(9)

對(duì)于中心波長(zhǎng)處于1 550nm波段的光纖光柵，傳感器應(yīng)變與中心波長(zhǎng)變化關(guān)系為

(10)

得到管道環(huán)向應(yīng)變?chǔ)?/p>

(11)

由式(11)可以看出，通過(guò)調(diào)整Lf與α值，可以改變傳感器的應(yīng)變測(cè)量靈敏度。

2 基于光纖光柵傳感器管道泄漏監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

為了對(duì)燃?xì)夤艿佬孤┒ㄎ贿M(jìn)行試驗(yàn)研究，搭設(shè)了燃?xì)夤艿滥Ｐ汀Ｔ撃Ｐ湍軌蛘鎸?shí)地模擬燃?xì)夤艿赖男孤┣闆r。管道模型材料選取為鋼材，試驗(yàn)直管道長(zhǎng)為14 m，管徑為DN50，管道壁厚為4 mm，彈性模量為210 GPa。考慮試驗(yàn)安全，通過(guò)空氣壓縮機(jī)為管道加壓，系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大壓力為2.0 MPa。

圖 3為試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。為消除空壓機(jī)引起的氣體波動(dòng)，在管道上游設(shè)儲(chǔ)氣罐，將空壓機(jī)壓縮得到的高壓空氣存儲(chǔ)在上游儲(chǔ)氣罐E1中，待穩(wěn)定后繼續(xù)其他試驗(yàn)操作; 在管道下游也設(shè)置一儲(chǔ)氣罐E2, 從而形成管道上下游壓差，可實(shí)現(xiàn)上下游任意壓差可調(diào)。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖及傳感器布置圖Fig.3 Experiment system and sensors arrangement

為模擬真實(shí)的泄漏過(guò)程，并使泄漏孔大小可調(diào)，泄漏量大小可測(cè)，試驗(yàn)臺(tái)中采用手動(dòng)球閥、電磁閥和轉(zhuǎn)子流量計(jì)的組合形式模擬泄漏，其中手動(dòng)球閥控制泄漏孔徑大小，電磁閥的突然開啟模擬泄漏的突發(fā)過(guò)程，轉(zhuǎn)子流量計(jì)用來(lái)計(jì)量泄漏量。

2.2 采集系統(tǒng)及傳感器布置

光纖光柵中心波長(zhǎng)的測(cè)量采用美國(guó)Micron optics公司的四通道解調(diào)系統(tǒng)SM-130，該設(shè)備集成了掃頻激光光源和可調(diào)光纖濾波器解調(diào)模塊，儀器的掃描頻率為1 000 Hz，波長(zhǎng)分辨率為1 pm，工作波長(zhǎng)范圍為1 510～1 590 nm。

為了監(jiān)測(cè)管道在泄漏以及沖擊荷載作用工況下的響應(yīng)，在管道的關(guān)鍵部位安裝光纖光柵應(yīng)變傳感器。傳感器布設(shè)位置和中心波長(zhǎng)如圖3和表1所示。其中,主線上安裝了5個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器，在支線及其附近安裝了3個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器。使用環(huán)氧樹脂將支座粘到管道上，支座與管道接觸面的弧半徑等于管道外徑， 使其能夠與管道緊密接觸。待環(huán)氧樹脂完全固化后將傳感器安裝到支座上，將傳感器通過(guò)螺栓和壓片進(jìn)行固定，這種方式使得FBG傳感器可方便地拆卸，可重復(fù)利用。

假定管道無(wú)限長(zhǎng)，而試驗(yàn)室條件不允許管道無(wú)限長(zhǎng)，所以首先對(duì)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)，傳感器對(duì)14 m試驗(yàn)管道的壓力反應(yīng)為直線，線性良好，直線擬合度達(dá)0.997 7(見圖4)，可認(rèn)為符合無(wú)限長(zhǎng)管道所具備的條件。

表1 光纖光柵應(yīng)變傳感器編號(hào)及波長(zhǎng)

圖4 L1傳感器的應(yīng)變與壓力標(biāo)定Fig.4 Relationship of relative strain change and pressure of sensor L1

光纖光柵作為應(yīng)變傳感器應(yīng)用時(shí)，其應(yīng)變-溫度耦合作用必須考慮[16]，筆者采用的解決辦法是在光纖光柵應(yīng)變傳感器相同的溫度場(chǎng)內(nèi)布設(shè)光纖光柵溫度傳感器，用該溫度傳感器來(lái)對(duì)應(yīng)變傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了使試驗(yàn)工況更接近于實(shí)際工程，進(jìn)行各工況試驗(yàn)時(shí)，打開空氣壓縮機(jī)向管道內(nèi)加壓，管道末端的出氣閥打開，管道內(nèi)的氣體流到儲(chǔ)氣罐，短時(shí)間內(nèi)氣體在管道內(nèi)形成了相對(duì)穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)，這樣就模擬了實(shí)際管道正常運(yùn)營(yíng)時(shí)的狀態(tài)。

3.1 主線泄漏監(jiān)測(cè)

主線泄漏試驗(yàn)時(shí)，研究1號(hào)泄漏點(diǎn)全泄漏工況，每次泄漏時(shí)，管道的初始?jí)毫虞d到490 kPa。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)電磁閥的突然開啟，模擬管道的突然泄漏。為了模擬實(shí)際運(yùn)營(yíng)管道內(nèi)的情況，點(diǎn)泄露引起的壓力損失會(huì)被管內(nèi)流體迅速補(bǔ)充，所以采用短時(shí)泄露，泄露持續(xù)5 s。

如圖5所示，泄漏發(fā)生時(shí)，傳感器L4測(cè)得應(yīng)變突然減小，這是由于泄漏使得管道內(nèi)壓降低，導(dǎo)致管道環(huán)向應(yīng)變的減小。當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，管內(nèi)壓力恢復(fù)原值，傳感器的應(yīng)變也恢復(fù)到初始水平。結(jié)果表明，光纖光柵應(yīng)變傳感器能夠檢測(cè)到泄漏發(fā)生所引起的環(huán)向變形。

圖5 1號(hào)點(diǎn)泄漏時(shí)L1, L4的時(shí)程曲線Fig.5 The reflection of sensors L1 and L4 to the situation of leakage point 1 full leakage

L2傳感器距離1號(hào)泄漏點(diǎn)最近，泄漏發(fā)生時(shí)，L2響應(yīng)最大，如圖6所示。這是由于泄露突然發(fā)生時(shí)產(chǎn)生了沖擊響應(yīng)，導(dǎo)致管道局部環(huán)向應(yīng)變發(fā)生較大突變；管道系統(tǒng)上其它傳感器也相應(yīng)地監(jiān)測(cè)到應(yīng)變降低，泄漏點(diǎn)上游的L1傳感器與下游的L4傳感器也出現(xiàn)應(yīng)變減小的情況，說(shuō)明泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波是沿管道上下游兩個(gè)方向傳播的。因此，使用準(zhǔn)分布式布置的光纖光柵應(yīng)變傳感器對(duì)管道泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)，相鄰傳感器之間的距離不可以過(guò)大。從圖 5中1號(hào)點(diǎn)泄漏時(shí)L1,L4傳感器的時(shí)程曲線，也可看出傳感器測(cè)得應(yīng)變的變化為同時(shí)減小。

圖6 1號(hào)泄漏點(diǎn)全泄漏時(shí)的各傳感器應(yīng)變變化Fig.6 The reflection of each sensors to the situation of leakage point 1 full leakage

以上試驗(yàn)說(shuō)明，光纖光柵應(yīng)變傳感器可以有效地捕捉到泄漏信號(hào)，對(duì)管道的安全狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測(cè)。

3.2 支線泄漏時(shí)管道變形情況

支線泄漏點(diǎn)位于支線上D處，手動(dòng)打開泄漏點(diǎn)閥門，模擬泄漏，觀測(cè)支線泄露對(duì)管道系統(tǒng)上各個(gè)傳感器的影響，如圖7所示。

圖7 支線泄漏時(shí)傳感器應(yīng)變變化Fig.7 The reflection of FBG strain sensors to branch pipeline leak

在支線泄漏發(fā)生之前，Z3與L4傳感器應(yīng)變處于穩(wěn)定狀態(tài)，泄漏發(fā)生后，Z3與L1應(yīng)變均減小，這說(shuō)明泄漏形成的負(fù)壓波不僅在支線傳播，而且會(huì)從支線傳播到主線上，并且沿主線管道向上下游傳播。可見泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波對(duì)整個(gè)管網(wǎng)都會(huì)產(chǎn)生影響，因此對(duì)于管網(wǎng)系統(tǒng)的泄漏監(jiān)測(cè)，這種方法也是可行的。

位于支線的Z3傳感器所測(cè)得的應(yīng)變信號(hào)出現(xiàn)了較大的應(yīng)變波動(dòng)，而位于支線較遠(yuǎn)的L1傳感器這種波動(dòng)比Z3小，這是因?yàn)長(zhǎng)1由于距離閥門較遠(yuǎn)，擾動(dòng)能量在沿管道傳播過(guò)程中不斷衰減。Z3傳感器在開啟和關(guān)閉泄漏點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)脈沖，這是由于手動(dòng)打開泄漏閥門對(duì)管道有擾動(dòng)，擾動(dòng)引起管道變形。

3.3 調(diào)泵時(shí)的管道變形監(jiān)測(cè)

管道運(yùn)營(yíng)中，會(huì)通過(guò)泵站調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁块y門來(lái)滿足不同時(shí)段用戶需求量不同的問(wèn)題。本次試驗(yàn)?zāi)M泵站調(diào)泵的情況。管道內(nèi)初始?jí)毫?70 kPa，通過(guò)調(diào)節(jié)管道上游電動(dòng)閥的開度模擬泵站調(diào)泵工況，閥門開始關(guān)閉，然后打開50%，穩(wěn)定10 s，繼續(xù)打開到90%。

當(dāng)閥門從關(guān)閉到50%打開時(shí)，L1的應(yīng)變迅速減小，而L4傳感器的應(yīng)變則迅速增大，如圖8所示。這是因?yàn)長(zhǎng)1傳感器位于閥門的上游，L4傳感器位于閥門下游，閥門打開后閥門上游積聚的氣體迅速流向下游，導(dǎo)致閥門上游的管道內(nèi)部壓強(qiáng)相對(duì)減小，閥門下游的管道內(nèi)部壓強(qiáng)相對(duì)增大，這會(huì)使管道環(huán)向應(yīng)變發(fā)生相應(yīng)的變化，可見光纖光柵應(yīng)變傳感器可以通過(guò)管道環(huán)向應(yīng)變的變化準(zhǔn)確的測(cè)量到管道內(nèi)部的壓力變化情況。調(diào)泵和泄漏同樣能引起管道內(nèi)壓的瞬間變化，但是通過(guò)對(duì)比圖 8與圖 5可以看出，調(diào)泵能夠引起泵站上下游的管道環(huán)向應(yīng)變呈趨勢(shì)相反的變化，而泄漏只能引起的管道應(yīng)變減小，只要在泵站上下游分別安裝傳感器，就可以通過(guò)傳感器應(yīng)變變化情況辨別是調(diào)泵還是泄漏。

圖8 調(diào)泵時(shí)傳感器應(yīng)變變化Fig.8 The reflection of FBG strain sensors to situation of regulating pump

4 結(jié) 論

1) 這種基于測(cè)量管道環(huán)向應(yīng)變的方法能夠即時(shí)監(jiān)測(cè)到泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道安全運(yùn)營(yíng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)有效地監(jiān)測(cè)。

2) 試驗(yàn)中使用的光纖光柵傳感器穩(wěn)定性好，具有抗電磁干擾和可重復(fù)利用的優(yōu)勢(shì)。

3) 泄漏會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓波，負(fù)壓波沿管道上下游兩個(gè)方向傳播，并且支線泄漏也對(duì)主管線環(huán)向應(yīng)變產(chǎn)生了影響。因此，使用準(zhǔn)分布式布置的光纖光柵應(yīng)變傳感器能夠用對(duì)燃?xì)夤艿乐Ь€泄漏以及管網(wǎng)泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4) 調(diào)泵與泄漏所產(chǎn)生的管道應(yīng)變變化趨勢(shì)不同，因此可以通過(guò)多點(diǎn)布置，同時(shí)觀測(cè)多位置傳感器應(yīng)變變化情況辨別是調(diào)泵還是泄漏。

5) 利用光纖光柵應(yīng)變傳感器對(duì)燃?xì)夤艿肋M(jìn)行監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)極有潛力的監(jiān)測(cè)方法，其穩(wěn)定性、良好的信號(hào)傳輸能力保證了其可以應(yīng)用于實(shí)際工程中。目前后續(xù)試驗(yàn)正在開展中，將深入研究精確定位泄漏點(diǎn)位置等問(wèn)題。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.05.002

*國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體基金資助項(xiàng)目(51121005)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(51108059)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“九七三”計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011CB013605)；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助項(xiàng)目(B08014)

2013-07-26；

2013-10-14

TE832; TP212.9

任亮，男，1979年7月生，博士、副教授。主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、光纖光柵傳感器的研制與應(yīng)用以及健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)。曾發(fā)表《結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)-光柵傳感技術(shù)》(北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008)等論著。

E-mail: renlaing@dlut.edu.cn