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管线跨越结构动态分析与振动控制研究 摘要 管线跨越结构的动态特性和振动控制效果直接影响着管线系统的安全运行，它是近代管线跨越 结构设计、施工和运行维护的关键基础课题。影响管线跨越结构可靠性的因素包括载荷作用、结构 参数、工作环境和工作状况等。管线跨越的主体结构是跨越管道，典型边界条件是管土相互作用以 及埋地管段的约束，重要承载装置是缆索，本文将针对以上三个对象展开管线跨越结构的动态测试 分析与振动控制研究。 本文首先考虑了管土相互作用以及埋地管段对悬空管段的影响，分析了悬空管段的振动特性， 研究了管土相互作用对悬空管段固有频率的影响，并得出了估算悬垂管道固有基频的公式。 充分考虑了管土相互作用和支座非线性因素的影响，采用非线性增量有限元方法对悬垂管道跨 越结构在地震作用下的反应进行了分析 泵或压缩机等动力源在工作过程中对流体间隙性加压造成流体压力脉动，使管道内的压力在平 均值的上下脉动，本文研究了管道内壁在交变压力作用下的振动特性。 采用有限元法建立的结构计算模型往往需要试验模态数据进行修正，本文提出了一种试验模态 数据修正计算模型的改进拉直算法，该方法能够保证修正后结构模型的矩阵仍然保持带状稀松的特 点，对结构矩阵带状部分进行了优化，简化了计算，并通过对修正过程中约束条件的改进，使其对 权距阵及迭代修正量的选择更宽松，应用更容易。 对于有限元模型，结构可修改参数体现在模型的物理参数之中；本文通过建立门形管线跨越结 构的有限元模型并进行了灵敏度分析，确定各个结构参数的改变对结构动态特性变化的影响程度， 为真实结构动态特性调整提供依据，减少了试验状态和次数。 在总结阻尼减振原理的基础上，研究了流体激振导致剧烈振动的门形管线跨越结构的阻尼减振 技术，数值模拟计算结果表明：合理布置阻尼器可以有效降低结构振动响应水平，增加结构疲劳寿 a 口口。 缆索是近代管线跨越的典型承载装置，针对斜拉索张力的监测直接关系到斜拉管线桥安全运营 的情况，本文提出了跨越管桥斜拉索张力的振动测试方法，并深入研究了附加质量和非线性因素对 被测斜拉索动态特性和索力测试结果精度的影响，同时给出了振动法索力测试时选用传感器的公式。 针对自然随机激励下斜拉索的低阶自振频率不容易识别的问题，本文提出了瞬态激励的检测试验方 案和检测技术。 关键词：悬垂管道，管一土相互作用，动态特性，地震反应，斜拉索，索力，附加质量，门形跨越结 构，模型修正，结构动力修改，阻尼减振 d y n a m i ca n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nv i b r a t i o n co n t r o lo fp i p e l i n es p a n n i n gs t r u c t u r e s a b s t r a c t d y n a m l cc h a r a c t e r i s t i c sa n dv i b r a t i o nc o n t r o lr e s u l t so fp i p e l i n es p a n n i n gs t r u c t u r e sd i r e c t l yh a v e i n t l u e n c eu p o ns a 士eo p e r a t l o n o 士p l p l n gs y s t e m sa n dt h e ya r ep 订m a r yr e s e a r c hs u b j e c t sf o rd e s i g m ， c o n s t r u c t l o na n dm a m t e n a n c eo t p l p e l i n es p a n n i n gs t m c t u r e s t h ef a c t o r st h a ta f 凳c tt h er e l i a b i l i t vo f p l p e l l n es p a n n l n gs t r u c t u r e si n c l u d ee x t e m a la p p l i e d1 0 a d s ，s t l l j c t u r a lp a r a m e t e r s ，w o r ke n v i r o n m e n ta n d w o r k l n gc o n d l t l o n s s p a n n l n gp a n sa r em a j o rs t n j c t u r e ，p i p e - s o i ld y n a m i ci n t e r a c t i o na n dr e s t r a i n to f b u n e dp l p e l i n ea r et y p i c a l b o u n d a r yc o n d i t i o n ，a n dc a b l e sa r ei m p o r t a n tb e a r i n gc a n i e rf o rp i p e l i n e s p a r u l m gs t l l l c t u r e s i h k i n ga i ma tt h o s eo b j e c t s ，v i b r a t i o nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ，d y n a m i cc h a r a c t e r a n a l y s l sa n dm o d l 士1 c a t l o no 士p l p e l i n es p a n n i n gs t l l j c t l j r e sa r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s 上j l p e s 0 1 ld y n a m l ci n t e r a c t l o na n dr e s t r a i n to fb u r i e d p i p e l i n e a r e p r e s e n t e dw h i l ev i b r a t i o n c h a r a c t e n s t l c so fs u s p e n d e dp i p e l i n e sa r ea n a l y z e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np i p e 。s o i ld y n a m i ci n t e r a c t i o n a n dn a t u r a l 仔e q u e n c yo fs u s p e n d e dp i p e l i n e s i ss t u d i e d t h ef o r n l u l ae s t i m a t i n gn a t u r a lf r e q u e n c vo f s u s p e n d e dp i p e l i n e si sf o u n d e d s p a n n l n gs t r l - l c t u r eo fs u s p e n d e dp i p e l i n e si ss i m p l ea n dt h ep i p e l i n es p a n n i n gs t y l ei sw i d e l vu s e d s u s p e n d e dp a r t so fb u r i e dp i p e l i n e sm a yc o m ei n t ob e i n gd u et o g e o l o g i cd i s a s t e rs u c ha sc u r r e n ts c o u r p l p e s o i li n t e r a c t i o na n di n f l u e n c eo fm o v a b l es u p p o r t so ns e i s m i cr e s p o n s eo fs u s p e n d e dp i p e l i n ea r e m v e s t l g a t e da n ds e l s m l cr e s p o n s e so ff r e es p a n n i n ga r ea n a l y z e db yn o n l i n e a ri n c r e m e n t a l 行n i t ee l e m e n t m e t h o d f l u i dp r e s s u r ef l u c t u a t i o ni n d u c e db yi n t e n n i t t e n tp r e s s u r i z a t i o ni nt h ew o r k i n gp r o c e s so f p u m p i n g m a c h l n e r ya n dc o m p r e s s o r p r e s s u r ef o r c ei np i p eh a sal i t t l ef l u c t u a t i o na r o u n dt h em e a nv a l u e i n n e rw a l l o tp l p ev 1 b r a t e su n d e ra l t e m a t el o a d l o n g i t u d i n a la n dr a d i a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs h e e t m e t a ld u c t a r ei n v e s t i g a t e d t h eh i g hd i f f e r e n c eb e t w e e nm o d i f i e dr e s u l t sw h i c ha d o p tt h e s t r a i g h t e n e da l g o r i t h mo fu s i n g e x p e n m e n t a lm o d e sd a t at om o d i f yc a l c u l a t i n gm o d e la n do n g i n a lm o d e li se x i s t e d ， i nt h ep a p e r ，a 1 m p r o v e ds t r a i g h t e n e da l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt om a k eu pt h ed e f e c t ，t h em o d i n e dm o d e l sc a nb ea c q u i r e d b ya i do fl i m i t i n gt h er a n g eo fa l lc o n 6 n e dv a r i a b l e sa n do p t i m i z a t i 6 na sw e l la si t e r a t i o n m e a n w h i l e ，i n t h ep a p e r ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fp a r t i a le l e m e n t st h a ta r ez e r ow i t h i nb a n dm a t r i xi sa l s o c o n s i d e r e d t h e c a l c u l a t e dr e s u l t su s i n gi m p r o v e da l g o r i t h ma p p r o x i m a t et ot h eo r i g i n a lm o d e la n dt h ea c t u a lc a s eb u tt h e r e a r ef e w e re r r o r s ，s oh i g hp r e c i s i o nc a nb ea s s u r e d p h y s i c a lp a r a m e t e r so ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e li n c l u d em o d i f i a b l ep a r a m e t e r so fs t r u c t u r e s t h e6 n i t e e l e m e n tm o d e lo fp o r t a lp i p e l i n es p a n n i n gs t m c t u r ei se s t a b l i s h e d t h ee f r e c to fv a r i a t i o ni n s t r u c t u r a l p a r a m e t e r so ns t r u c t u r ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n di t se f r e c td e 伊e ea r ed i s c u s s e db ys e n s i t i v i t ya n a l y s i s m e t h o d i ts u p p l i e sab a s i sf o rm o d m c a t i o no fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft r u es t r u c t u r e s ，s ot h e r ea r ef e w e r n e c e s s a r ye x p e r i m e n t s _ lj1 一 1n ed a m p l n gt h e o r e t l c a lm o d e l sa r e s u n l i n a n z e d d a m p i n gm a t e r i a l sa n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa r e m t r o d u c e d b a s e do ns u m m a r yo fv i b r a t i o nc o n t r o l ，d a m p e r sa r e1 0 c a t e dt oc o n t r 0 1v i b r a t i o no fd o r t a l p l p e l i n es p a n n i n gs t n j c t u r ew h i c hi se x c i t e db yn u i d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wr e s p o n s ea m p l i t u d ev a l u e o f s t r u c t u r a lv i b r a t i o ni se f 佗c t i v e l yr e d u c e db yp r a c t i c a li n s t a l l a t i o no fd a m p e r s ，s of a t i g u el i f eo f p i p e l i n e s t r u c t u r e si sp r 0 1 0 n g e d i i f o rc a b l e s t a y e dp i p eb r i d g e ，i ti si m p o r t a n tt om e a s u r ea j l dm o n i t o rt h ec a b l et e n s i o na n dt h em e t h o d o fe s t i m a t i n gt h et e n s i o nf o r c et h r o u g hn a t u r a l 疔e q u e n c i e si si n t r o d u c e d t h ee 日e c to f a d d i t i o n a lm a s sa n d n o n l i n e a rf a c t o r so nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs t a y e d c a b l ea n da c c u r a c yo fc a b l et e n s i o nm e a s u r e m e n t r e s u l ti ss p e c i a l l ys t u d i e d t h ef o n n u l as e l e c t i n ga c c e l e r a t i o nt r a n s d u c e rf o rc a b l et e n s i o nt e s tt h r o u 曲 v i b r a t i o nm e t h o di sg i v e no u t c o n s i d e r i n gl o w o r d e rn a t u r a l 矗e q u e n c i e so fs t a y e dc z l b l ea r en o te a s yt o i d e n t i f vw h e nt h er a n d o mv i b r a t i o nm e t h o di sa p p l i e df o rc a b l et e n s i o nm e a s u r e m e n ta n dm o n l t o rm e n g i n e e r i n g ，s o m es u g g e s t i o n sa r em a d et h a ts t a y e dc a b l ei sm a n u a l l yi n s t a n t a n e o u s l ye x c l t e db yr u b b e r h a m m e r ，o rb e i n gp u l l e dt oag i v e np o s i t i o na n dt h e n1 0 0 s e n e d k e yw o r d s ：s u s p e n d e dp i p e l i n e ，p i p e s o 订i n t e r a c t i o n ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，s e i s m i cr e s p o n s e ，s t a y e d c a b l e ， c a b l et e n s i o n ，a d d i t i o n a lm a s s ， p o r t a ls p a n n i n gs t r u c t u r e ， m o d e lu p d a t e ， s t l l l c t u r e d y n a m i c m o d i 6 c a t i o n ，d a m p i n gv i b r a t i o nr e d u c t i o n i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：弛盎髯 日 期：魈皇2 1 i f 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：逛隧霉导师签名 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和重要意义n 1 一管线在现代化的工业生产和人们生活中占有相当重要的位置，随着我国社会经济的发展，管线 运输应用范围不断扩大，不仅可以输送石油、成品油、水、天然气、煤气等液、气体介质，而且也 可以输送城市垃圾、工业原料、粮食、水泥、煤浆等固体散装物料，在石油、化工、冶金、交通运 输和排水等行业得到了越来越广泛的应用，成为现代工业和城镇生活的大动脉，因而被称为生命线 工程。管线运输方式与公路、铁路、水运、航空运输方式相比具有运输量大、建设周期短、费用低 以及耗能少、成本低的特点，因而经济效益和社会效益更好。1 9 9 5 年我国有长输管道2 6 3 条，约1 7 万公里，2 0 0 0 年有大约3 0 0 条，2 万多公里；集输管道约2 0 万公里；城市内的供水管道和工厂的工 业管道就更多了。 在管线建设中常常遇到河流、沼泽、湖泊、山谷、冲沟等自然障碍物或人工构筑物，管道从障 碍物上部架空通过是管线通过障碍物的主要方式之一。另外由于水流冲刷等地质灾害原因，埋地管 道周围土壤流失或失去承载能力，造成埋地管线部分悬空，有可能出现管线悬空较长的情况，形成 与管线跨越相类似的结构。因此，管线跨越结构在整个管道工程中占有相当比例。 管线跨越结构是一种特殊的管道结构，其安全问题是整个管线安全问题的重要组成部分。管线 发生事故不仅导致管道设备非计划检修、更换或企业停产，还会造成严重的资源浪费，也对管道沿 线的生态环境造成恶劣的影响，甚至严重污染破坏环境。特别是随着城市的发展和人们生活水平的 提高，越来越多的压力管道安装在人群密集地区，管道事故都将产生灾难性的后果，给国家和人民 带来巨大的损失。 影响管线跨越结构可靠性的因素包括载荷因素、结构参数、工作环境和工作状况等。管线跨越 结构受到动力设备和环境的激励会产生随机振动，有可能导致管道损坏而引发事故。 管线动力源会不可避免的产生压力脉动，从而引起管道的振动，使管道系统不能稳定工作，当 压力脉动的谐振频率与管道结构的固有频率接近时，会发生共振，甚至使管道系统严重破坏，发生 重大事故。因此研究管道动态特性，寻求合理的管道结构参数，减少管道振动，是工程技术人员的 重要课题，而管线跨越结构是整个管线相对薄弱环节，也应重点研究。 地震能使管线遭受到破坏而失去工作服务能力，同时还将引发次生灾害，给人民生活带来痛苦 和灾难。如1 9 0 6 年美国s a nf r a n c i s c o 地震，三条输水干管破坏，全市5 0 余处起火，消防用水断绝， 火灾造成的损失比地震直接造成的损失高达3 倍。1 9 2 3 年k a n t o 地震，东京供水中断，大火烧毁约 3 6 平方公里的市区。1 9 7 1 年s a nf e m a d o 地震，煤气管4 5 0 处破坏。1 9 7 6 年唐山地震，供水瘫痪， 管道震害率达4 o 处公里。1 9 9 4 年n o r t l l r i d g e 地震，大型输水干管损坏，有的修复达6 7 天。1 9 9 9 年台湾9 21 大地震，供水管道破裂、裂缝和变形的很多，其损坏率占整个管道和管件的6 8 4 。由 此可见，地震破坏管线能在较大的范围内造成灾难。近年来我国的地震活动形势发生了变化，19 7 6 年唐山地震以后相对平静期结束，进入了地震的活跃期，大地构造运动趋于频繁，地震的发生将处 于一个高峰时期。因此管线跨越结构在地震作用下的安全性是一个十分重要且紧迫的问题，为了减 少地震作用对管线跨越结构造成的破坏，提高管线的抗震性能，确保生命线工程的安全和防止次生 灾害的产生，开展跨越管道的地震u 向应和抗震性能研究有着十分重要的意义。 综上所述，对管线跨越结构进行动态特性分析，进而从振动控制的理论和技术出发从根本上提 高管线跨越结构的安全性，是一项不但有学术价值，而且将产生巨大经济效益和保护环境、控制灾 害等社会效益的研究。 东南大学博士学位论文 1 2 管线跨越结构类型简介1 1 1 3 1 虽然管线跨越结构的形式有许多种，但是按其跨度可分为小型跨越、中型跨越和大型跨越三种 类型。 ( 1 ) 小型跨越：总跨度不超过1 0 0 聊，主跨不超过5 0 聊； ( 2 ) 中型跨越：总跨度一般在1 0 0 3 0 0 朋，主跨5 0 1 5 0 聊： ( 3 ) 大型跨越总跨度超过3 0 0 聊，主跨超过1 5 0 聊。 从管道强度角度来考虑，管线跨越结构可分为两类：第一类是在跨越结构中把管道作为跨越结 构的受力构件；第二类是管道不作为跨越结构的受力构件。“兀”形跨跃、悬缆式跨越、拱管跨越、 以管道为弦杆( 桥面) 的悬索跨越和以管道为弦杆( 桥面) 的斜拉索跨越皆属于第一类跨越结构。 随桥跨越、提篮半穿式管桥、管道敷设在桥面上的桁架式管桥、悬索管桥和斜拉式管桥跨越则属于 第二类。第二类跨越结构的设计思想是尽可能使压力管道不承受除压力载荷以外的外力载荷，尤其 是不承受额外的轴向拉力载荷，以使压力管道具备更多的强度储备。 1 3 国内外研究状况概述n 4 5 4 1 由于管线在各个领域中的广泛应用使得人们很早就开始对其进行研究。早期管线的设计与施二l ： 仅考虑了静力要求，而对其动力行为考虑很少或未予考虑。由于对核电站安全要求极高，核电站管 线的抗震设计也有着极为严格的规范。很早人们就对核电站管线的静、动态特性和动力反应进行了 深入研究，对其它的动力管线研究相对较少。在一般的动力管线设计中若套用核电站的有关抗震设 计规范，其结果必将偏于保守，是十分不经济的。因此常规动力管线的研究设计应同时兼顾其安全 性和经济性。 结构的动态特性包括的内容较为广泛，不同结构的测试参数不完全相同，般都包括结构的自 振特性( 模态参数，如模态频率、振型和阻尼特性等) 。结构动态特性测试的主要目的是掌握结构的 特性，参照有关标准评估结构状况，制定结构维护方案。近年来多种结构测试方法发展起来，按信 号检测原理可分为声学方法、光学方法和力学方法。这些检测方法的实施有的需要加动力载荷，即 结构动态测试，能直接反映结构的整体特性，而且在原型结构上便于经济有效的实施测试，目前被 广泛应用于结构测试领域。结构的激振技术是结构动态测试需要考虑的第一个环节，从激励源来分， 通常分为外加专门的激励和利用自然环境激励两种性质的激励方式。模态试验技术目前主要采用随 机、正弦和锤击三种方法 i 引，正弦激励技术和锤击技术实施起来较麻烦，费用也较高，在我国应 用较少。结构在自然环境激励下总是处于振动状态，这类激励信号多属于平稳的、随机的、近似各 态遍历的随机信号，在环境激励下，结构振动的振幅较小，由于结构的动力特性，振动响应将具有 狭带特性。结构测试信号分析处理方法一般是通过快速傅里叶变换( f f t ) 获取振动响应的功率谱密 度函数来确定结构模态。频域f f t 计算存在不可避免的数据截断、窗泄漏造成的频域误差，影响识 别精度，通过加大数据记录长度和选用合适的窗函数仍可以满足目前的测试要求。管线跨越结构是 管线的咽喉部位，对其进行振动测试和动态分析是管线设计和日常维护以及保障管线稳定可靠运行 不可或缺的重要手段。 管线的振源可分为来自系统自身和i 系统外的两大类。来自系统自身的主要有与管道直接相连接 的机器、设备的振动和管道液体的不稳定流动引起的振动：来自系统外的有风荷载、地震作用等。 人们对石油、化二 、冶金、电力等行业二l 二厂复杂的工业管道系统振动研究较多，但大多是从机械设 备振动角度出发研究管线振动，也未涉及埋地管段作用的研究。早期对管线的研究大都采用管梁模 型，即视管道为梁。到上世纪7 0 年代初，人们发现将短而薄的管道视为梁模型是不适合的，因为它 的失稳模态不仅包括梁模态失稳，还包括壳模态失稳，而且，管道越短越薄，振动时对应的环向模 数就越大，因此引入壳模型进行研究。壳模型的引入使得理论计算的精度有了明显提高，同时也扩 大了理论的适用性，然而同时它也带来了一定难度，壳模型需要的计算量较之梁模型要大许多。一 般在分析长或厚的管道时使用梁模型。地下管线因受周围土介质的约束，其动力特性与地面结构相 2 第一章绪论 差很大，目前，常用的理论模型有两种：一种是假定管线埋于半无限空间中，土介质为线弹性介质， 管线与土之间的相互作用采用半无限空间中土一管线相互作用刚度来考虑，建立土一管线联动方程n 6 1 8 。；另一种是用弹性地基上的连续梁模型进行分析，土体对管线的作用以分布弹簧来模拟，土体和管 线可以相对运动3 管线系统的静动态特性决定了其运行的安全可靠性，因此在管线设计过程中分析计算模型尽可 能符合实际是非常重要的。在悬垂管道工程设计中可以采用小垂度柔索模型、纵横弯曲模型和全弹 性支承模型等三种计算模型比8 | ，其中前两种模型与实际差距较远且计算公式难于求解，后一种模型 采用弹性基础梁来描述非悬垂管道变形与力学特性，其悬跨段端部的约束特性介于简支与固端之间， 为弹性约束，其弹性约束系数视管道铺设区域的特性而定2 l 。 管道在概念上作为压力容器的延伸，某些特性与圆柱形压力容器相类似。动力源会不可避免的 产生压力脉动，压力脉动将产生对管道壁的激振力。因此随着工业生产科学管理的深化，在管道设 计过程中不但要考虑其强度问题，还要进行失效分析。 斜拉索张力直接决定了桥梁的线型和主梁梁体应力，因此斜拉索张力的准确测量直接关系到斜 拉桥结构施工控制和安全运营。跨越管桥斜拉索张力产生的原因很复杂，一般可采用油压千斤顶、 常见的钢索测力仪、手持式应变仪或磁力环等进行索力测试。姚加飞陋副介绍了一种新型的钢索张力 在线测量仪，该仪器二 作时需通过加力机构对钢索施加一横向力，由此导致索产生变形和弯曲，对 索力计算造成影u 向，最后需采用实测数据进行整体拟合修正。油压千斤项笨重不易移动且容易漏油， 手持式应变仪在现场很难进行温度补偿，磁力环的造价昂贵，因此它们在实际j “i ”：程中应用很少。索 力测试的振动法以其精度高、方便、适合观测等特点受到广泛的应用。目前国内斜拉公路桥一般都 采用振动法进行索力测试，由于斜拉公路桥斜拉索的单位长度质量较大，因此加速度传感器质量对 索振动的影响很小，可以不予考虑。但是管线桥的斜拉索单位长度质量相对较小，加速度传感器的 质量大小就显得十分重要了。 在1 9 7 2 年之前，输油输气埋地管道的设计是不考虑抗震要求的。由于1 9 7 1 年圣费尔南多地震 给加利福尼弧州沿圣安德列斯断层的地下输气管道造成了严重破坏，人们才不得不考虑这种焊接连 续钢管道的抗震问题，一批美国地震工程学家正式提出了生命线地震二 程的概念，此后生命线工程 才被地震_ _ ：r ：程研究者们作为一个专门的研究领域加以看待。生命线地震二 程研究包括地下管道的地 震行波、跨越断层、在砂土液化区域的反应，管网震害预测与可靠度分析，以及交通、电力和电信 系统的地震反应，我国在这方面的起步较晚。目前，对地下管线的地震反应研究较多，而对部分管 段埋地又有部分：悬空段的管线研究较少。李昕h 3 1 采用二维有限元方法对连续直埋管线及其周围士体 受波传播效应引起的反应进行了数值分析，土体动力模型为等效线性粘弹性模型，土一管间采用无厚 度g o o d m a n 接触单元模拟土一管相对滑移。由于地上管线所受地震作用主要集中在水平面内，冈此 在进行地震反应分析时将地上管线简化为水平面内二维系统，其水平地震响应和竖赢地震响应的相 互影响作用忽略不计 ；支座随时间变化的运动导致管线受到动态激励，管道滑动支座间存在着滑 动摩擦力，因此整个结构的响应与载荷路径有关。管道一支座间隙和摩擦力等非线性因素导致整个结 构最大u 向应减少，s u z u k 一卜纠1 通过管线支座结构模型的振动试验对此进行了研究评估，并用一个响 应减少因子来表征结构响应减少量：在进行管线支座结构的线性响应谱分析时根据能量平衡原理 将管道一支座间的摩擦作用等效为粘弹性阻尼。w a t a n a b e 圳通过振动台试验研究了模拟地震作用导致 的管线一摩擦支座之间的二维非线性滑动，然后采用管线系统有限元模型分析计算了二维摩擦运动引 起的能量耗散和系统最大时间历程响应，并与试验结果进行对比后发现二者非常相符合。李雯荣i ：。刈 对垂直载荷作用下折线形跨越管道结构的稳定性进行了分析，但是采用的是静力法，视折线形管道 跨越结构为有水平管和斜管两类杆件组成的框架体系，进行整体稳定性分析。周晶| 9 l 】建立了基于 m o r i s o n 方程的悬跨海底管线在地震作用下的动力方程，该方程考虑了海水对管道反应的影u 向，并对 影响悬跨海底管线地震反应的因素进行了分析，在此基础上建议了控制管道反应的方法。但是计算 模型假定管线材料性能为线弹性，采用r a y l e i 曲阻尼表达结构阻尼矩阵，各阶阻尼比相同，管线跨 肩支承简化为固定端或简支端。周晶0 1 利用水下振动台研究了海底悬跨管线在地震作用下的动力反 应，完成了1 2 0 组试验。模型材料采用p v c 管，依据弹性相似律设计，管道端部支撑也简化为固定 端或简支端。但是，：悬空管段受两岸入土管线的约束，其振动特性与两端按简支或固定考虑时相比 有很大差别，在：悬空管段的两端往往设置有固定墩或支墩，以加固整个跨越结构，支墩与管道之间 的滑动摩擦能够消耗部分地震能量。管土相互作用和支座非线性因素影响悬垂管道跨越结构在地震 东南大学博士学位论文 作用下的反应。 动力分析，特别是在地震和冲击波作用下的动力分析是工程设计中的一个重要问题，复杂结构 的动力分析在过去是很困难的。由于有限元素法和子结构综合法等新的分析方法的出现以及数字计 算机的应用，近几十年来结构动力学己取得了惊人的进展，新的分析方法能描述十分复杂的问题， 而计算机又能够使它们得到这些问题的数值解。数学模型是结构动力学的一个重要方面，按照所描 述系统性质的参数的空间分布来分类，有离散参数模型和连续参数模型两大类，一般很少遇到部分 离散和部分连续的混合系统。离散系统通常用常微分方程组来描述；而连续系统通常用偏微分方程 组来描述。实际上大多数动力学系统是连续的，而且除了某些简单的经典例子外，求得响应问题的 精确解一般是极其困难的。上述论点表明要用近似解来替代精确解，这相当于用离散模型代替连续 模型求解，即空间离散化。虽然有限单元法的分析能力很强，但实际工程问题有时是很复杂的，计 算分析之前仍需要进行一定的概化和假定，有关的计算参数和设计载荷也有一定的近似性，初始的 分析模型并不能获得与实测相一致的模态振型、自振频率和静力位移等系统响应值，因此，在利用 模型进行分析前需要对模型进行更新。 管线的应用范围很广，其研究领域涉及到机械工程和土木工程。1 9 7 4 年美国土木工程学会成立 了生命线地震工程委员会，1 9 7 5 年美国机械工程学会成立了生命线地震学组。自1 9 7 2 年美籍华裔学 者姚治平( j t p y a o ) 教授首次明确提出土木工程结构控制的概念以来，国内外很多学者在结构控制 的方法、理论、试验和应用等方面均取得了大量的研究成果，其中已有多项技术成功地应用于工程 实践。结构振动控制的目的就是要采用一定的措施，减轻和抑制结构在各种环境荷载作用下的动力 反应，提高结构抵抗环境荷载、工作荷载的能力，以满足结构安全性、可靠性以及使用性的功能要 求。对于结构振动控制，合理、有效、安全与经济抗震途径是采用减震、隔震新技术，通过设置隔 震器和阻尼器，达到增加结构延性，降低结构振动反应和消耗地震能量，把结构的变形限制在弹性 范围内。在机械工程领域一般运用机械振动的理论研究管线跨越结构的动态特性。由于振动能造成 机械电子设备结构的破坏，引起设备工作性能失灵、功能失效、性能超差或稳定性丧失，因此人们 对机械振动研究较早，对机械电子设备的振动进行控制，一般采取控制振源、隔离振源或控制振动 响应的方法。当设备的固有频率与振源的振动频率接近时，则会产生共振，出现很大的振动响应。 这种情况通常可通过改变设备的固有频率，避免谐振以减少振动，或通过增加设备结构的动刚度来 提高它的抗振能力。当激振力的频率不保持恒定，或具有一定带宽时，避开共振的做法就不能奏效。 这时可采用阻尼技术来增加系统的能耗以达到减振的目的；或在被减振的主振系统上附加适当的质 量、弹簧和阻尼，构成所谓动力减振器。当主系统振动时，附加减振器也随之振动，通过设计使它 作用在主系统上的力与激振力的方向相反，大小相近，以抵消作用在主系统上的激振力的作用，达 到抑制主系统振动的目的。 1 4 本文的研究内容 由于管线跨越的主体结构是跨越管道，典型边界条件是管土相互作用以及埋地管段的约束，重 要承载装置是缆索，因此本文将针对以上三个对象展开了管线跨越结构的动态分析与振动控制研究。 悬垂管道可以充分利用管道自身的强度跨越小河、深谷等障碍，而不需要辅以其它构筑物，这 种跨越方式是最为简单的一种，应用十分广泛；另外由于水流冲刷，管道周围土壤流失，造成埋地 管线部分悬空，有可能出现管线悬空较长的情况，形成与悬垂管道跨越相类似结构；本文考虑了管 土相互作用和埋地管段对悬空管段的约束，分析了悬空管段的振动特性，研究了不同土反力系数和 管土相互作用对悬空管段固有频率的影响，并得出了估算悬垂管道固有基频的公式。 悬垂管道在地震作用下的安全性是一个十分重要的问题，对悬空管段进行抗震性能研究是非常 必要的。在以往对悬垂管道跨越结构进行动态特性分析中，悬空管段两端往往简化为固定端或简支 端。但是悬空管段受两岸入土管线的约束，其振动特性与两端按简支或固定考虑时相比有很大差别， 在悬空管段的两端往往设置有固定墩或支墩，以加固整个跨越结构，支墩与管道之间的滑动摩擦能 够消耗部分地震能量。本文充分考虑了管土相互作用和支座非线性因素的影响，采用非线性增量有 4 第一苹绪论 限元方法对悬垂管道跨越结构在地震作用下的反应进行了分析。 管道通常用于输送流体，为使流体流动，需要通过泵或压缩机作为动力，泵或压缩机在工作过 程中对流体间隙性加压造成流体压力脉动，即管道内的压力在平均值的上下脉动，因此管道内壁受 到交变压力的作用而发生振动，本文对其振动特性进行了分析。 结构模型是响应计算、载荷预估、稳定性分析、结构振动控制、故障在线的振动诊断等所必需 的。结构的有限元模型往往不能准确反映结构的动态特性，需用测试数据进行修正。有限元模型的 修正对象可以分为两类：一类是有限元模型的刚度矩阵、质量矩阵、甚至阻尼矩阵中的元素；另一 类是有限元模型的设计参数，包括物理参数与几何参数。本文提出了一种试验模态数据修正计算模 型的改进拉直算法，把位于矩阵带状内的元素直接作为优化目标函数进行迭代，进而得到修正模型， 不但保证修正后结构模型的矩阵仍然保持带状稀松的特点，并通过对修正过程中约束条件的改进， 使其对权距阵及迭代修正量的选择更宽松，应用更容易。为使结构具有所希望的良好的动态特性， 常需要对结构反复修改，在结构的修改过程中，为避免结构修改的盲目性，可以采取结构设计灵敏 度分析方法进行有效控制。有限元模型修正的设计参数型法是直接进行修正结构设计参数，包括材 料参数、几何参数等有限元建模输入参数；其结果具有明确的物理意义，便于实际结构分析计算， 实用性强，修正量与真实结构有限元模型对应，而且一旦模型修正成功( 即设计参数符合实际) ，由修 正后的有限元模型计算的模态参数不仅在试验频段与试验结果一致，在试验频段外( 即更高阶模态) 预示的结果也能保持正确。本文针对门形管线跨越结构采用有限元模型的设计参数型修正法进行了 结构动态特性调整研究。 通过修改结构参数而不附加任何子系统可以改变结构振动特性，使其避开共振，满足预定要求； 当结构己实际存在且因处于工作状态等原因而无法进行修改时，只能采用其它振动控制方案。阻尼 减振在工程上应用十分广泛，它通过提高受控结构的模态阻尼比，消耗系统的振动能量，达到降低 结构反应的目的。本文归纳总结了阻尼理论模型，介绍了阻尼材料及其特性，在总结阻尼减振原理 的基础上，本文研究了流体激振导致剧烈振动的门形管线跨越结构的阻尼减振技术，讨论了阻尼减 振效果。 斜拉索张力的检测是管线斜拉桥安全检测的重要内容之一。本文提出了跨越管桥斜拉索张力的 振动测试方法，并深入研究了附加质量和非线性因素对被测斜拉索动态特性和索力测试结果精度的 影响，同时给出了振动法索力测试时选用传感器的公式。针对自然随机激励下斜拉索的低阶自振频 率不容易识别的问题，本文提出了瞬态激励的检测试验方案和检测技术。 东南大学博士学位论文 第二章管线跨越结构振动测试与动态分析 2 1 引言 为了使管线能够安全可靠的运行，其结构系统必须具有良好的静动态特性。管线运行时产生的 振动与噪声，会损害人们的身心健康，污染环境，管线振动还会导致设备寿命缩短，甚至灾难事故 发生。因此必须对管线进行动态分析和动态设计，以满足结构的静、动态特性与低振动、低噪声的 要求。管线跨越结构是管线的咽喉部位，对其进行振动钡0 试和动态分析是管线设计和日常维护以及 保障管线稳定可靠运行不可或缺的重要手段。振动测试包含振动测量与数据采集以及结构动态试验 两部分。动态分析既是指动态信号分析，也是指被测试结构的动态特性分析。 悬垂管道跨越是将输送介质的管道本身作为跨越结构，可以充分利用管道自身的强度跨越小河、 沟壑、深谷等障碍，而不需要辅以其它构筑物，因而结构简单、施工方便、用料节省、经济性较好， 在管道跨越工程中得到了越来越广泛的应用；另外由于水流冲刷等地质灾害原因，埋地管道周围土 壤流失或失去承载能力，造成埋地管线部分悬空，有可能出现管线悬空较长的情况，形成与管线跨 越相类似的结构。因此对悬空管线进行振动分析具有十分重要的意义。 斜拉索桥的设计施工技术日趋完善，斜拉索管桥或斜拉索跨越管段已是管线跨越结构可靠的、 可供比选的方案之一，在我国应用较多，直接使用斜拉索的张力来负载载荷。由于斜拉索的张力直 接影响跨越结