韓俊艷 萬寧潭 李立云 侯本偉 趙 密 杜修力

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長輸埋地管道振動臺試驗傳感器布置方案研究1

韓俊艷 萬寧潭 李立云 侯本偉 趙 密 杜修力

（北京工業(yè)大學(xué)，城市與工程安全減災(zāi)教育部重點實驗室，北京 100124）

在進行長輸埋地管道振動臺試驗的過程中，針對數(shù)據(jù)信息的采集量測以及傳感器的布置位置進行了研究。采用三維數(shù)值模擬的方法對管-土相互作用體系進行了地震反應(yīng)分析，內(nèi)容包括埋地管道結(jié)構(gòu)縱、橫向在非一致地震動作用下的地震響應(yīng)及受力變形特征。根據(jù)計算結(jié)果確定了主觀測斷面及輔助觀測斷面的位置及觀測斷面上傳感器布置的位置，在滿足基本信息采集要求的前提下，對可供采用的信息采集通道進行了優(yōu)化分配，由此確定本次試驗的觀測斷面以及傳感器的具體測量部位與數(shù)目。成果對試驗獲得成功起到了保障作用，可為同類試驗提供參考。

埋地管道 振動臺試驗 傳感器位置

引言

為研究埋地管道在非一致地震激勵下的動力特性、管-土動力相互作用機理及管道在土體非線性發(fā)展下的地震反應(yīng)規(guī)律，同時積累試驗數(shù)據(jù)，為以后的理論研究及建立抗震計算理論、設(shè)計方法提供必要的試驗數(shù)據(jù)（楊旭東，2005），本文開展了埋地管道多點非一致激勵的振動臺臺陣試驗。

在試驗中，測點的布置對能否獲得可信的試驗結(jié)果至關(guān)重要。傳感器布置太多，大量的數(shù)據(jù)不易分析；傳感器太少又會丟失重要信息，因此，需要在某些關(guān)鍵部位測量結(jié)構(gòu)和土體的動力反應(yīng)（李杰，2005；李德寅等，1996）。在試驗之前，應(yīng)采用有限元分析軟件對振動臺試驗過程進行模擬，確定結(jié)構(gòu)可能的地震反應(yīng)強烈的位置及抗震設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，為測點的布置提供依據(jù)。楊林德等（2004）、劉祥慶等（2008）及權(quán)登州等（2015）在進行振動臺或離心機模型試驗前，通過有限元數(shù)值模擬方法建立二維平面應(yīng)變模型對傳感器的布置位置進行了研究。楊林德等采用有限元方法按平面應(yīng)變問題計算了地震作用下結(jié)構(gòu)表面的側(cè)向土壓力及構(gòu)件的應(yīng)變變化規(guī)律；劉祥慶等建立土-結(jié)構(gòu)相互作用有限元分析模型，采用地下結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析方法求解土-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在給定地震波作用下的反應(yīng)；權(quán)登州等采用有限元-無限元耦合的建模方法分析了黃土地區(qū)地鐵車站的地震反應(yīng)特點和規(guī)律。為了更精確地測量振動臺試驗中土體、管道的地震反應(yīng)，本文采用三維數(shù)值模擬振動臺試驗的方法對管-土相互作用體系進行了地震反應(yīng)分析，由計算結(jié)果確定主觀測斷面及輔助觀測斷面的位置及觀測斷面上傳感器的布置位置，同時在滿足基本信息采集要求的前提下，對可供采用的信息采集通道進行了優(yōu)化分配，為長輸埋地管道振動臺試驗測得可信數(shù)據(jù)打下了基礎(chǔ)。

1 試驗設(shè)備及量測信息

試驗在北京工業(yè)大學(xué)工程抗震與結(jié)構(gòu)診治實驗室9子臺陣多維多點地震振動臺臺陣系統(tǒng)上進行，該試驗機是由美國MTS公司生產(chǎn)的三向六自由度大型高性能模擬地震振動臺，由振動臺臺面、基礎(chǔ)、泵源以及油壓分配系統(tǒng)、加振器、模擬信號輸出系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。

振動臺試驗采用連續(xù)體模型箱的結(jié)構(gòu)形式（韓俊艷等，2013），模型箱側(cè)壁均設(shè)置成與箱壁接觸光滑的柔性邊界以減小模型箱效應(yīng)，分析表明，邊界處理效果較好，能夠有效地模擬邊界。模型幾何相似比1:10（杜修力等，2013），結(jié)構(gòu)模型材料采用有機玻璃，試驗用土取自北京地鐵14號線北京工業(yè)大學(xué)地鐵站深度10m的砂土和深度為14m的粉質(zhì)粘土。

為研究埋地管道在非一致地震動作用下的地震響應(yīng)及受力變形特征，在振動臺激振過程中測量結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)變、土和結(jié)構(gòu)的加速度、土與結(jié)構(gòu)之間的接觸壓力及模型土豎向沉降等數(shù)據(jù)。本試驗應(yīng)變和加速度傳感器采用德國IMC96通道采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，土壓力傳感器采用3臺MFF-201系列8點薄膜測力采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，3臺激光位移傳感器采用微型optoNCDT 1402系列采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。采用型號為3225F1的Dytran微型加速度傳感器，其外形尺寸（直徑×長×厚）6.4mm×11mm×3.8mm，重0.6g，最大量程500g；型號KD1050L的KD系列IC加速度傳感器，外形尺寸φ25mm×32mm，重90g，最大量程10g。測量管道模型的加速度與振動臺輸出的加速度的變化情況，推斷模型土對加速度的放大系數(shù)。采用型號為ZJ.3-BHF350-3AA的電阻應(yīng)變片，敏感柵尺寸（長×寬）3mm×3mm，名義電阻350Ω。為避免應(yīng)變片受管道外側(cè)土體的干擾及在振動過程中應(yīng)變片受連接導(dǎo)線拉拽的影響，應(yīng)變片粘貼在有機玻璃管內(nèi)壁上，主要用于埋地管道的應(yīng)變測試。采用型號為KD1050L的OptoNCDT激光位移傳感器，外形尺寸（長×寬×厚）65mm×62mm×20mm，最大量程200mm，以測量模型場地土的沉降，了解震前震后土體的密實程度和土體塑性發(fā)展情況。采用MFF-201系列多點薄膜測力系統(tǒng)，感應(yīng)區(qū)直徑9.52mm，外形尺寸（長×寬×厚）203mm× 14mm×0.2mm，受力范圍0—4.4N，測量管土接觸面的動土壓力。

2 有限元分析模型與計算結(jié)果

該實例所處場地類別為Ⅲ類，工程抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。取一長120m的直埋地管道，埋深2m，管道采用公稱直徑2m的鋼管，外徑為2.02m，壁厚10mm，鋼管密度＝7800kg/m3，楊氏模量＝210GPa，泊松比＝0.3。場地土的密度＝1884kg/m3，楊氏模量＝53.3GPa，泊松比＝0.3118，取土體阻尼比ζ＝0.1，采用Rayleigh阻尼，ω、ω分別為土體的一階圓頻率和二階圓頻率，阻尼常數(shù)0、1分別為7.623、0.00131。

模型幾何相似比1:10，結(jié)構(gòu)模型材料采用有機玻璃。＝1200kg/m3，楊氏模量＝3.2GPa，泊松比＝0.3。據(jù)以往試驗結(jié)果（莊海洋等，2007），模型重塑土的彈性模量相似比為1/4，具體相似關(guān)系（杜修力等，2013）見表1。

表1 管-土結(jié)構(gòu)模型相似關(guān)系Table 1 Similitude relation of pipeline structure models

模型箱建模方法參見文獻（韓俊艷等，2013），管土按相似比換算后建模，管采用S4R薄殼單元，模型土采用C3D8R單元，并在埋地管道和土體的界面上設(shè)置主從接觸面單元來模擬管土之間的動力相互作用，界面摩擦系數(shù)取為0.2。圖1為模型箱土仿真模型圖及管道數(shù)據(jù)測點圖，剛性箱和軟連接箱體共9個，從左到右依次編號，主要分析箱體5中管道管周4個測點（MA1、MA2、MA3、MA4）的應(yīng)變時程和箱體2、8、箱體3、7及箱體4、6中的管道的管周應(yīng)變（S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8）。

圖1 模型箱土仿真模型及管道數(shù)據(jù)測點Fig. 1 The simulation model of the model box and soil, and data points of the buried pipeline

2.1 縱向非一致激勵

在縱向非一致激勵下，管道受到拉伸或壓縮，產(chǎn)生拉壓變形，在管道內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力超過屈服應(yīng)力時，產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變；當(dāng)應(yīng)力超過極限應(yīng)力后，管道將被壓裂或拉斷，管道失效。

圖2是縱向非一致激勵下，箱體5管周4個測點的應(yīng)變時程。由圖可知，管道截面豎直軸上下應(yīng)變測點和水平軸左右應(yīng)變測點的相位相同，波形一致，說明在縱向非一致激勵下，土體沿管道軸向發(fā)生了拉壓變形，管道受土體約束影響而隨其一起運動，促使管道產(chǎn)生了拉壓應(yīng)變。

圖2 縱向El Centro地震動應(yīng)變時程Fig. 2 Strain time histories of longitudinal El Centro earthquake

圖3 縱向非一致激勵下管周應(yīng)變（單位：με） Fig. 3 Circumference strain under longitudinal non-uniform seismic excitations (unit: με)

圖3是縱向非一致激勵下，管周8個應(yīng)變測點的應(yīng)變最大值和最小值。由圖可知，在縱向非一致激勵下，橫截面各點受拉受壓不均勻，連續(xù)體模型箱箱體2、8、箱體3、7及箱體4、6中管道水平軸左右兩側(cè)的應(yīng)變測點S3、S7基本一致，水平軸下部測點S4、S5、S6比上部測點S1、S2、S8應(yīng)變反應(yīng)大，但管道截面豎直軸左右兩側(cè)對應(yīng)應(yīng)變測點的應(yīng)變反應(yīng)較為一致，管周應(yīng)變沿管道截面豎直軸具有對稱性。

2.2 橫向非一致激勵

在垂直管軸線橫向非一致激勵下，管線產(chǎn)生了彎曲變形，在管道橫截面左側(cè)、右側(cè)管道內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力或拉應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力超過屈服應(yīng)力時，管線產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變；當(dāng)應(yīng)力超過極限應(yīng)力后，管線將被壓裂或拉斷，如使撓度過大，剛度不能滿足要求，甚至產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，管線失效。

圖4是橫向非一致激勵下，箱體5管周4個測點的應(yīng)變時程。由圖可知，管道截面豎直軸上下應(yīng)變測點的相位相同，波形一致；水平軸左右應(yīng)變測點的相位相反，說明在橫向非一致激勵下，土體垂直管道軸向發(fā)生橫向變形，管道受土體約束影響而隨土體一起運動，促使管道產(chǎn)生了彎曲應(yīng)變。

圖5是橫向非一致激勵下，管周8個應(yīng)變測點應(yīng)變最大值和最小值。由圖可知，在橫向非一致地震激勵下，橫截面各點受拉受壓不均勻，連續(xù)體模型箱箱體2、8、箱體3、7及箱體4、6中管道豎直軸上下兩應(yīng)變測點S1、S5應(yīng)變反應(yīng)相對較小，管道截面豎直軸左側(cè)右側(cè)應(yīng)變測點應(yīng)變反應(yīng)相對較大。但管道截面水平軸上下相對應(yīng)應(yīng)變測點的應(yīng)變反應(yīng)較為一致，管周應(yīng)變沿管道截面水平軸具有對稱性。

據(jù)以上分析可知，埋地管道在縱向、橫向非一致激勵下，截面上沿管周各點的應(yīng)變反應(yīng)不均勻，但在縱向非一致激勵下，管周應(yīng)變沿管道截面豎直軸具有對稱性，在橫向非一致地震激勵下，管周應(yīng)變沿管道截面水平軸具有對稱性。

圖4 橫向El Centro地震動應(yīng)變時程Fig. 4 Strain time histories of transverse El Centro ground motion

3 傳感器布置方案

3.1 傳感器位置確定的基本原則

考慮振動臺試驗的臺面尺寸、承重量等試驗條件以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道數(shù)的限制，本次振動臺試驗?zāi)Ｐ拖涫怯?個固定于振動臺臺面的剛性箱和懸掛于剛性箱間的2個軟連接箱體組成的中空連續(xù)體模型箱，凈尺寸：7.3m（縱）×1.4m（橫）×1.2m（豎），模型管道長度為6m，模型土體的長、寬、高為7m、1m、1m。測點數(shù)據(jù)及位置應(yīng)按振動臺試驗測量要求進行布置，根據(jù)以上研究得到的結(jié)果，將傳感器布置位置的確定原則分述如下：

（1）根據(jù)模型的對稱性，場地傳感器的布置選取有代表性的截面，滿足研究場地土動力特性和考察模型箱邊界效應(yīng)的要求。

（2）橫向觀測斷面選取各箱體中間截面，滿足研究埋地管道非一致激勵下的動力反應(yīng)特性的要求。

（3）結(jié)構(gòu)上土壓力較大的部位亦是受力較大部位，此時應(yīng)將土壓力傳感器與應(yīng)變片協(xié)調(diào)布置。

圖5 橫向非一致激勵下管周應(yīng)變（單位：με） Fig. 5 Circumference strain under transverse non-uniform seismic excitations (unit: με)

（4）在主觀測斷面上布置的傳感器應(yīng)多于輔助觀測斷面，在輔助觀測斷面上布置的傳感器應(yīng)與主觀測斷面位置相同，以便相互比較。

（5）為防止過多傳感器對結(jié)構(gòu)整體強度造成不利影響，本試驗所使用的土壓力和加速度傳感器為微型傳感器，且數(shù)目不宜過多。

（6）北京工業(yè)大學(xué)振動臺試驗設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)96通道可接應(yīng)變片、土壓力盒和位移傳感器，64通道可接加速度傳感器，在不超過最大通道數(shù)的基礎(chǔ)上，對盡量多的關(guān)鍵部位進行數(shù)據(jù)量測。

3.2 非自由場傳感器布置方案

振動臺試驗連續(xù)體模型箱由3個單體剛性箱（1、3、5）及2個軟連接箱（2、4）組成，在布置場地傳感器時，箱體3、4、5中的傳感器按相應(yīng)斷面?zhèn)鞲衅鞑贾脠D進行布置，為考察沿場地土縱向的地震反應(yīng)規(guī)律，箱體1、2中均在土層中心頂面布置1個向和1個向加速度傳感器。在單向（）、單向（）及雙向（-）輸入地震激勵時，傳感器布置保持一致。

（1）單管敷設(shè)非自由場傳感器布置

為考察非一致激勵對埋地管道長線型結(jié)構(gòu)的影響，同時考慮到試驗條件，各個箱體中的管道均選取中間截面布置加速度、土壓力傳感器，在箱體2、3、4中的管道各截面上安裝1個向和1個向微型加速度傳感器（共6個），以測量結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)；在箱體3、4管道外壁布置8個土壓力傳感器，用來測量管土接觸面的動土壓力（共16個）；在軟連接箱2、4上按等分原則設(shè)置3個截面布置應(yīng)變片，在管道上布置8個電阻應(yīng)變片（共48個）；在箱體1、5管道中間的觀測面布置4個電阻應(yīng)變片（共8個）；在箱體3中間截面布置電阻應(yīng)變片（共8個）。圖7中傳感器編號頭字母MA代表模型結(jié)構(gòu)上的加速度計向和向（共2×3＝6個），MP代表模型結(jié)構(gòu)上微型土壓力傳感器（8×2＝16個），管道2、3、4箱體在中間截面（圖6小方框處）上下左右4個點增設(shè)2個與原應(yīng)變片成45°的應(yīng)變片，共8×3＝24個，S代表電阻應(yīng)變片（共88個）。

圖6 非自由場試驗各觀測面位置Fig. 6 The observation surface position of the non-free field test

圖7 管道上傳感器布置圖Fig. 7 The sensor arrangement of the pipeline structure

在布置場地傳感器時，選取的觀測面見圖6，A-A剖面圖是縱剖面，1-1、2-2、3-3剖面是橫剖面（A-A、1-1剖面圖是1-1剖面位置的縱向和橫向傳感器布置）。圖8中傳感器編號頭字母A代表加速度計（縱橫向共54個），D代表激光位移傳感器（3個），傳感器布置圖里的方框?qū)?yīng)的采集通道是微型加速度計，4號箱和向的加速度對應(yīng)通道是AX6和AY8，3號箱和向的加速度對應(yīng)通道是AX12和AY19，2號箱和向的加速度對應(yīng)通道是AX17和AY29，5號箱向的加速度對應(yīng)通道是AY38，在4號箱子的外圍底部增加加速度計TX01和TY01，在3號箱子的外圍底部增加加速度計TX02和TY02。

圖8 非自由場試驗各觀測面?zhèn)鞲衅鞑贾肍ig. 8 Sensor arrangement on the observation surface in the non-free field test

（2）雙管敷設(shè)非自由場傳感器布置

雙管敷設(shè)在每個管道（箱體2、3、4）上安裝2個加速度傳感器；布置5個土壓力傳感器及8個電阻應(yīng)變片，另一管道上對稱布置，圖10中傳感器編號頭字母MA代表模型結(jié)構(gòu)上的微型加速度計（縱橫共7個），模型結(jié)構(gòu)上設(shè)置土壓力傳感器（共16個）、電阻應(yīng)變片（縱橫共48個），在中間截面（圖9小方框處）上下左右4個點增設(shè)兩個與原應(yīng)變片成45°的應(yīng)變片（16個），共64個。

圖9 非自由場振動臺試驗各觀測面位置Fig. 9 The observation surface position in the non-free field test

雙管敷設(shè)非自由場場地傳感器布置如圖11，箱體2、4按2-2橫斷面布置，箱體3按1-1橫斷面布置，在1、5箱底和2、4箱底與剛性箱交界處布置1個向和1個向加速度傳感器（2×6＝12個），4、5箱體外布置1個向和1個向加速度傳感器（2×2＝4個）。圖中傳感器編號頭字母A代表加速度計（縱橫向共56個），D代表激光位移傳感器（3個）。

圖10 管道上傳感器布置圖Fig. 10 The sensor arrangement of the pipeline structure

圖11 非自由場試驗傳感器布置Fig. 11 The sensor arrangement in the non-free field test

4 結(jié)語

本文針對管-土振動臺臺陣模型試驗中數(shù)據(jù)信息的采集測量以及傳感器位置的布置方案進行了研究，采用三維數(shù)值模擬振動臺試驗的方法對管-土相互作用體系進行了地震反應(yīng)分析，由計算結(jié)果確定了主觀測斷面及輔助觀測斷面的位置及觀測斷面上傳感器設(shè)置的布置位置，在滿足基本信息采集要求的前提下，對可供采用的信息采集通道進行了優(yōu)化分配，研究成果對試驗獲得可信的數(shù)據(jù)提供必要的保證，可為今后涉及土-長線型地下結(jié)構(gòu)相互作用的振動臺臺陣試驗提供參考。

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Study on the Scheme of Sensor Position in Shaking Table Test for Long Distance Buried Pipeline

Han Junyan, Wan Ningtan, Li Liyun, Hou Benwei, Zhao Mi and Du Xiuli

(Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China )

The location scheme of the sensors in a shaking table test for a long distance buried pipeline was studied in this paper. The seismic response analyses of pipe-soil interaction were performed in this study by using a 3-D finite element model of the buried pipeline. The seismic response and dynamic characteristics of the buried pipeline under longitudinal and lateral ground motions were carefully investigated and subsequently used to determine the locations of the critical sections and auxiliary sections for deploying sensors. The location schemes of the sensors on those sections were selected according to the numerical results. The data acquisition channels were also optimized in order to effectively record necessary data during the tests. The monitoring sections as well as the number and location of the sensor were finally determined. The scheme of sensor locations played an important role in guaranteeing the success of the experiment, and also has some reference values for similar experiments in the future.

Buried pipeline; Shaking table test; Sensor location

韓俊艷，萬寧潭，李立云，侯本偉，趙密，杜修力，2018．長輸埋地管道振動臺試驗傳感器布置方案研究．震災(zāi)防御技術(shù)，13（1）：13—22．

10.11899/zzfy20180102

國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目（51421005），國家973計劃項目課題（2015CB057902），國家青年科學(xué)基金項目（51508528）

2017-05-11

韓俊艷，女，生于1983年。博士，講師。主要從事地下結(jié)構(gòu)抗震方面的研究工作。E-mail：junyanhan@bjut.edu.cn

杜修力，男，生于1963年。博士，教授，博士生導(dǎo)師。主要從事結(jié)構(gòu)抗震方面的研究工作。 E-mail：duxiuli@bjut.edu.cn