应变监控技术在管道跨越中的运用

1、应变监控技术在管道跨越中的运用     长输管道在通过河流、沟谷、湖泊等天然障碍物时，受到地质等因素的影响，常采用跨越形式通过，桁架跨越结构是最常用的结构形式之一。当受到通航等因素影响时，桁架结构的跨度逐渐增大，结构自身质量也相应增大，增加了施工难度；当受到风荷载、机械振动等不可预见因素的影响时，仅靠理论计算无法保证结构施工的安全，因此引入了应力应变监控技术。应力应变监测技术采用监测仪器对监控目标的相关应力应变指标进行监测，当监测值接近预定阈值时发出警报，从而保证监控目标的安全性，为工程施工提供最可靠的技术保障。国外从20世纪50年代开始进行结构的监测研

2、究，最早应用于航空航天和机械领域。结构监控系统在土木工程中应用较早的是大型桥梁结构，对施工的监控现已逐渐成为施工过程中不可或缺的部分1。1桁架跨越牵引（顶推）施工长输管道跨越结构最重要的施工步骤是桁架就位，目前常采用牵引法（顶推法）施工2-3。某工程采用3跨简支桁架梁结构，边跨64.4m，中间跨65m，总跨度193.8m（图1）。桁架采用梯形截面，截面高度4.5m，上弦平面宽2.5m，下弦平面宽4.5m。813原油管道和1016天然气管道并排布置于桁架的下弦平面上，原油管道的设计压力为13.5MPa，天然气管道的设计压力为10MPa。该工程三榀桁架在岸上完成焊接，在岸边制作130m钢结构门型发

3、送架（应满足两榀桁架发送要求），发送架上安装滚轮支架，现场组装桅杆用于桁架发送施工的起吊和稳定。将分段预制的单品桁架吊装至发送架滚轮支架就位，首先完成两榀桁架的焊接组对，然后向前发送一榀桁架，待第一榀桁架就位后，将第三榀桁架与前两榀桁架焊接组对，最后将三榀桁架一同牵引就位（图2）。在施工过程中，因受机械振动、风荷载等因素的影响，桁架受力比较复杂，尤其是在桁架悬臂最大时，风荷载、机械振动对桁架结构的受力影响较大，对桁架的关键部位进行应力应变监控，对保证结构施工安全十分必要。2应力应变实时监控方案应力应变监控的目的是确保结构施工过程中构件的应力始终处于比较安全、平稳的状态，竣工后构件内无较大的附加

4、应力。应力应变实时监控方案主要涉及桥路选择、数据采集系统、施工过程数值模拟计算以及传感器选择与安装等。2.1桥路选择应力应变的测试原理为惠斯通电桥，目前常用的测试桥路有全桥、半桥和1/4桥。选取合理的桥路主要达到以下目的：实现温度补偿；从复杂的变形中测得所需应变分量；扩大应变仪读数，减小读数误差，提高测量灵敏度。根据施工现场情况，选择半桥桥路作为测量电路（图3），测量电路的读数：d为测量电路应变变化值；U0为BD端电压，VUAC为AC端电压，V；K为灵敏因数；1、2、3、4分别为电桥上4个桥臂电阻R1、R2、R3、R4所感受的应变值。2.2数据采集系统现场施工机具较多，增加了数据线布设的难度，

5、因此设备需要采用无线工作模式，且应具有较高的稳定性和环境适应能力。由于现场需要长时间连续检测，内置电池可持续时间难以保证，因此数据采集系统供电采用220V电源。短时间停电时，可由仪器内置的锂电池模块供电，确保在整个监测过程中数据记录的完整性。采集模块还需内置信号适调、电压放大、低通滤波、数据采集、WiFi无线通讯模块和智能锂电池等硬件系统，确保高速、可靠的无线数据传送以及计算机海量存贮、实时处理、同时显示功能的正常实现（图4）2.3数值模拟跨越工程在施工过程中通常是分阶段逐步完成，各阶段前后连接。结构计算分析通常是假设结构整体建成后，一次性加入结构所承受的全部荷载；将施工过程假定为一个静态过程

6、，忽略施工过程对结构状态的影响。实际上，施工对结构状态的影响是存在的，因此导致建成后的结构内力和变形等与计算结果出现较大差异。必须采用合理的理论分析和计算方法确定施工过程中各个阶段受力和变形的实际情况，以便控制施工阶段的结构状态。施工状态的模拟方法主要有一般迭代法、正装迭代法、倒拆迭代法和无应力状态分析法等。根据桁架施工过程的受力特点，利用一般迭代法模拟施工过程。基本原理是：将结构在荷载作用下的变形值反号叠加到设计变形上，得到初始变形，考虑顶推（牵引）施工中钢丝绳的变形量。由于非线性因素的影响，计算得到的初始变形只是近似值，需要反复迭代直至在误差允许范围内。一般情况下，桁架跨越结构的上弦杆和斜

7、腹杆受压力作用，下弦杆和竖杆受拉力作用，整个结构以拉、压杆件的形式结合在一起，达到比较理想的结构受力状态4。目前，常用的桁架跨越结构模型有B-P-P、B-P-P-BP和B-P-P-TP等。根据桁架跨越施工特点，选择改进的B-P-P-BP模型作为桁架跨越结构模型，即将端斜杆、横向连接和上下弦杆作为空间梁单元，其他构件作为空间杆单元，不考虑桥面板（图5）。采用单元生死技术模拟整个施工过程，即在模型中加入或删除材料，模型中的相应单元随之存在或消亡（图6，62m下弦应力在牵引过程中的变化曲线）。2.4传感器选择与安装目前，结构应力应变监控常用的传感器有电阻应变片、钢弦式传感器和光纤传感器等5-6。根据

8、桁架结构特点，选择电阻应变片作为应力应变监测传感器，应变片型号为箔式应变片，采用环氧类基底材料，电阻为120。在牵引过程中，当悬臂至20m时，桁架端部被设置在基础上部的桅杆吊起，桁架由悬臂状态转为简支状态，应力重新分布，由于此处应力变化较大，故在此位置设置一组监测点（4片）；当牵引至63m时，由于桁架跨中出现最大应力，故在跨中位置设置一组监测点（4片）；由于桁架质量较大，当前端桅杆发生振动时，由于桁架端部应力将发生突变，若桅杆未能提供足够的拉力，则根部应力最大，因此应在桁架根部左右设置一组监测点（4片）（图7）。3监控实施过程与结果应力监控的主要内容是校核主要设计数据，提供施工理想状态的内力数

9、据，对施工各状态控制数据实测值与理论值进行比较分析，识别与调整结构设计参数，监测结构内力（应力），防止施工中应力超过设计阈值，从而确保施工的结构安全（图8）。桁架牵引施工耗时约7d，在实施过程中，监测到桁架的最大应力为121MPa（图9），该应力值比计算值偏大。现场分析其原因主要是在桁架的牵引过程中，桁架的牵引速度太快且不均匀，导致桁架振动而引起应力值偏大。现场即时调整桁架的牵引速度，此后桁架应力稳定在90MPa以内，与计算值基本吻合，桁架成功牵引就位。4结论（1）应力应变监控技术在桁架牵引施工中能够提供关键部位的实时应力应变数据，为工程安全施工提供可靠的技术支持。（2）桁架牵引施工过程中，由于桁架结构受到风荷载、机械振动等因素的影响，监测到的应力值比理论计算值偏大，在施工过程中应预留一定的安全裕量，以保证结构安全。（3）应根据施工现场条件，选择合理的数据采集系统，由于该工程施工主要在水面进行，为了避免信号过长，应选择