一种确定穿堤管道振动影响范围的方法

技术领域

本发明属于穿管堤防振动安全及振动影响范围技术领域，特别涉及一种确定穿堤管道振动影响范围的方法。

背景技术

穿堤管道布设通常是沿海地区解决跨流域/时空调水的一项重要工程举措，对缓解城市及工业用水起着至关重要的作用。当前，有关穿管堤防工程中管道设计(包括管道位置、管径大小等)、施工、输水运行与管理等方面的技术要求尚未有完善的规范和标准，且缺乏穿管堤防安全评价方面的技术体系。就穿管堤防工程而言，其在运行过程中同样会存在因泵站机械启闭、水流等激励作用而引发的振动问题，但由此产生的振动能量对堤防工程的影响范围的大小尚不明确，对其运行安全的影响也尚不统一，不利于穿管堤防服役期的运行安全评估。因此，急需明晰穿堤管道输水运行产生的振动能量对堤防工程的影响，为确保穿管堤防工程运行安全具有重要的工程实践意义。

穿堤管道在输水运行过程中引发的振动能量通常会因管道直径、穿管位置、服役环境、管道运行条件等多因素耦合作用而对堤防结构产生不同程度的影响。对于穿管堤防工程而言，因管道输水运行引发的振动能量会一直伴随其整个服役过程，长期不同等级的振动能量往复作用或多或少会对穿管堤防产生一定程度的影响，如穿管堤防局部土体密实性减弱、管道与堤防接触不稳定等局部损伤问题，甚至会出现因振动能量过大而引发的堤防塌陷、破坏等安全问题，容易致使穿管堤防防洪能力降低或丧失而造成巨大经济损失和人员伤亡。穿管堤防工程作为沿海地区跨时空引调水工程的关键环节，应重视该类工程中穿堤管道输水运行产生的振动安全问题，确保穿管堤防工程的长期稳定运行。

为了更好的揭示穿堤管道输水运行引发的振动能量对穿管堤防工程的影响，应先明确振动能量对穿管堤防影响范围的大小，继而为减振控制措施的提出、布设等奠定基础。鉴于当前通过在穿管堤防内部布设传感器来确定振动影响范围存在测点布置数量多、测试难度大、成本高等问题，本发明提出了一种确定穿堤管道振动影响范围的方法。

发明内容

针对当前穿堤管道输水运行期间引发的振动能量对穿管堤防影响范围测试难度大、辨识难的问题，本发明提供一种能够准确地辨识出穿堤管道输水运行条件下因泵站机械启闭、水流等激励引发的振动能量所波及的堤防影响范围的确定穿堤管道振动影响范围的方法。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种确定穿堤管道振动影响范围的方法，包括以下步骤：

步骤一：布置传感器和土压力盒，在穿管堤防的外部选择点位，并在每个点位上布置三个方向的振动传感器，并在堤防内部管道周围按照具体间距布置土压力盒，在输水运行条件下获取真实振动数据；

步骤二、振动信号滤波降噪提取振动主频，对采集到的振动信号进行滤波降噪，滤除振动信息中的干扰信号，获得能够真实反映结构振动特征信息的结构信号，以降噪后的振动响应信息基础，提取穿堤管道输水运行条件下结构的主振源；

步骤三：识别振动载荷，对步骤一中的振动数据信号进行振动荷载识别，将识别出的震动载荷用于穿管堤防动力响应数值模拟分析；

步骤四：建立穿管堤防-管道-水体耦合三维精细化有限元模型，将识别的振动载荷施加于有限元模型之上，提取对应测点位置的振动数据与实测数据进行时域与频域对比，保证误差在10％以内，如若误差满足要求，可以进行下一步计算，如若误差过大，则调整有限元模型，减少误差，

在有限元模型上选择水平面与竖直面，并在水平面与竖直面上等间距选取特征点，

按照距离管道远近的顺序依次提取特征点的振动数据进行频域变化，并查找在该特征点上是否出现步骤二中的主振源，如若出现，则认为该特征点受到了影响，如若没有则认为该特征点不受影响，

找出最先不受影响的特征点，其包括的范围为穿堤管道振动影响范围一；

步骤五：针对堤防土体作动三轴试验，基于步骤二中获得的穿管堤防结构的主振源数据信息，利用动三轴试验仪确定在不同振源频率下堤防土体的应力-应变曲线与循环破坏振次-动应变关系曲线，

借助于循环破坏振次-动应变关系曲线确定不同主频下的临界动应变值，并取最小的临界动应变值，将其作为土体的扰动判据，

以扰动判据动应变值为依据，在应力应变关系曲线上寻找对应的应力，并取最小应力为判据，确定管周围应力超过该值的压力盒，确定了振动影响范围二；

步骤六：寻找范围一和范围二的重合部分，该重合部分为真实的振动影响范围。

其中步骤二中对主振源的提取可以采用傅里叶变换寻找频域数据的峰值频率的方式，也可以采用高效模态辨识方法提取。

其中，采用傅里叶变换寻找频域数据的峰值频率的方式是对振动传感器测得的振动数据进行傅里叶变换，将振动数据从时域数据转换为频域数据，寻找频域数据的峰值频率，并将每个测点三个方向的振动数据峰值频率作数学统计，将出现第一和第二的频率定为穿管堤防结构的主振源。

采用高效模态辨识方法提取穿堤管道输水运行条件下结构的主振源，高效模态辨识方法通过分析结构的振动响应数据来确定结构的固有频率，高效模态辨识方法可以基于频域的模态参数辨识或基于时域的模态参数辨识，对预处理后的振动响应数据进行分析，提取结构的模态参数，包括固有频率、阻尼比和模态形态等。根据提取的模态参数，确定结构的振动主频，主频通常是结构的固有频率，用于表示结构的振动特性。

步骤三中以采集到的真实振动数据为基础，基于具有N自由度和比例阻尼的线性系统的运动方程

具体的，对振动荷载主振源的识别过程包括以下步骤：

S1、读入测点信息、测点个数、位置及响应信号和采样时间；

S2、进行结构模态参数辨识；

S3、依据模态参数的识别结果，建立精准的有限元模型；

S4、读入待识别动荷载的信息，荷载个数、位置、最大特征频率；

S5、依据模态参数及动荷载信息，选取参与计算的模态阶数和时间间隔；

S6、模态阶数和时间间隔进行小波正交算子变换；

S7、依据测点及模态信息，求解模态坐标；

S8、由测点响应求解作用于结构上的模态力；

S9、求解小波正交变换坐标下的力和作用于结构上的实际振动荷载。

进一步，步骤四中在水平面与竖直面上等间距选取特征点，所述间距小于等于0.05。

本发明的有益效果：本发明提供的确定穿堤管道振动影响范围的方法，具有普适性强、实施便捷、辨识精度高等优点，能够准确地辨识出穿堤管道输水运行条件下因泵站机械启闭、水流等激励引发的振动能量所波及的堤防影响范围，为穿堤管道设计及减振措施设置提供理论技术支撑，有效地解决了穿堤管道服役期可能引发的振动安全与稳定问题，确保穿管堤防的运行安全。

附图说明

图1是穿管堤防振动影响范围辨识框视图。

图2是穿管堤防振动测点位置选择示意图。

图3是测点的加速度三向时程曲线。

图4是穿堤管道径向压力盒布置示意图。

图5是穿堤管道轴向土压力盒布置示意图。

图6是穿管堤防实测振动数据频域图。

图7是振动荷载识别过程框视图。

图8是峰值频率出现次数统计表。

图9是经振动荷载识别出的振动荷载三向时程曲线。

图10是三维穿管堤防有限元模型示意图。

图11是有限元模型合理性验证。

图12水平面特征点分布示意图。

图13竖直面特征点分布示意图。

图14竖直面特征点标准差。

图15水平面特征点振动频域图。

图16不同荷载主频下堤防土体应力应变关系图。

图17是不同荷载主频下动应变拟合示意图。

图18为振动影响范围示意图。

具体实施方式

实施例1：本发明提供一种将土体最大动应变作为穿管堤防振动影响范围识别阈值的评判方法，辨识出穿管堤防的振动影响范围，具体包括：穿堤管道振动测试、振动特性提取、振动荷载反演、穿管堤防数值模型建立、穿管堤防振动响应特性模拟计算、评判阈值确定和振动影响范围辨识。

如图1所示，一种确定穿堤管道振动影响范围的方法，包括以下步骤：

步骤一：布置传感器和土压力盒，在穿管堤防的外部选择点位，并在每个点位上布置三个方向的振动传感器，并在堤防内部管道周围按照具体间距布置土压力盒，在输水运行条件下获取真实振动数据。

针对于具体的穿管堤防工程，在穿堤管段管道周围布设土压力盒，并在管道全程关键节点布置三向振动传感器，采集管道周围土体压力数据及振动数据。如图2、4和5所示，沿管道全程测点选择及位置，每个测点均布置X、Y、Z三方向传感器。在穿堤管道径向方向上布置2-3层土压力盒，压力盒的横向以及纵向间距为0.2m，该数值可以根据具体工程进行调整；在轴向方向上，布置传压力盒，压力盒的轴向间距为0.5m，该数值及压力盒列数也可根据工程实际灵活调整。压力盒横向间距一般为管道直径的0.2-0.25倍，竖向间距一般为管道直径的0.4-0.5倍。压力盒的层数最少应设置两层，压力盒每层的个数最少为4个，应布置在矩形的四个顶点位置。如图3所示，为其中一个测点的加速度三向时程曲线。

步骤二、振动信号滤波降噪提取振动主频，对采集到的振动信号进行滤波降噪，滤除振动信息中的干扰信号，获得能够真实反映结构振动特征信息的结构信号，以降噪后的振动响应信息基础，提取穿堤管道输水运行条件下结构的主振源。

在本实施例中，采用高效模态辨识方法或是傅里叶变换的方式提取振动主频，其中傅里叶变换提取主振源的方式是将振动数据从时域数据转换为频域数据，如图6所示为经过傅里叶变换后的穿管堤防实测振动数据频域图，寻找频域数据的峰值频率，并将每个测点三个方向的振动数据峰值频率作数学统计，如图8所示为其中一个测点的峰值频率出现次数统计表，将出现第一和第二的频率定为穿管堤防结构的主振源。

针对于不同测点的时域振动数据，按照式

所述通过高效模态辨识方法是基于降噪后的振动响应信息，提取穿堤管道输水运行引起的管道结构的振动主频，高效模态辨识方法通过分析结构的振动响应数据来确定结构的固有频率，高效模态辨识方法可以基于频域的模态参数辨识或基于时域的模态参数辨识，对预处理后的振动响应数据进行分析，提取结构的模态参数，包括固有频率、阻尼比和模态形态等。根据提取的模态参数，确定结构的振动主频，主频通常是结构的固有频率，用于表示结构的振动特性。

在穿堤管道输水过程中，可以通过以下步骤来提取结构的振动主频：

数据采集：使用合适的传感器在穿堤管道上布置，采集结构的振动响应数据。可以使用加速度计、位移传感器等。

数据预处理：对采集到的振动响应数据进行预处理，包括去除噪声、滤波等。可以使用数字信号处理技术进行数据处理。

模态参数识别：使用高效模态辨识方法，如基于频域的模态参数辨识方法或基于时域的模态参数辨识方法，对预处理后的振动响应数据进行分析，提取结构的模态参数，包括固有频率、阻尼比和模态形态等。

主频提取：根据提取的模态参数，确定结构的振动主频。主频通常是结构的固有频率，它可以表示结构的振动特性。

结果分析：对提取的振动主频进行分析和解释，了解结构的振动特性。可以与设计要求进行比较，评估结构的安全性和可靠性。

高效模态辨识方法的选择根据具体情况进行，考虑到数据的特点、计算效率和准确性等因素。同时，数据采集的位置和方式也会影响结果的准确性，因此需要合理选择传感器的布置方式。

步骤三：识别振动载荷，对步骤一中的振动数据信号进行振动荷载识别，将识别出的震动载荷用于穿管堤防动力响应数值模拟分析，识别振动载荷主要目的在于进行有限元训练过程中，通过在有限元模型中施加真实的振动荷载，使有限元的分析模拟过程更加接近真实效果。

本实施例中的以采集到的真实振动数据为基础，基于具有N自由度和比例阻尼的线性系统的运动方程

如图7所示，对振动荷载主振源的识别过程包括以下步骤：

S1、读入测点信息、测点个数、位置及响应信号和采样时间；

S2、进行结构模态参数辨识；

S3、依据模态参数的识别结果，建立精准的有限元模型；

S4、读入待识别动荷载的信息，荷载个数、位置、最大特征频率；

S5、依据模态参数及动荷载信息，选取参与计算的模态阶数和时间间隔；

S6、模态阶数和时间间隔进行小波正交算子变换；

S7、依据测点及模态信息，求解模态坐标；

S8、由测点响应求解作用于结构上的模态力；

S9、求解小波正交变换坐标下的力和作用于结构上的实际振动荷载。

如图9所示为经振动荷载识别程序识别出的振动荷载三向时程曲线。

步骤四：建立如图10所示穿管堤防-管道-水体耦合三维精细化有限元模型，将识别的振动载荷施加于有限元模型之上，提取对应测点位置的振动数据与实测数据进行时域与频域对比，保证误差在10％以内，如若误差满足要求，可以进行下一步计算，如若误差过大，则调整有限元模型，减少误差。

如图11所示，通过对比发现，整体误差较小，频域区间及峰值能够很好反应，模型正确性得到验证。

在有限元模型上选择水平面与竖直面，并在水平面与竖直面上等间距选取特征点，间距可根据工程实际选择，一般为有限元模型最大尺寸的0.05(此处为倍数比例)。本实施例中选择水平面以及竖直面特征点，水平面特征点间距为5m，竖直面特征点间距为0.5m，分别如图12以及图13所示，特征点的间距可以灵活选择，理论上，特征点个数越多，间距越小，得到的结果越精确，但是会增加计算成本。

按照距离管道远近的顺序依次提取特征点的振动数据进行频域变化，并查找在该特征点上是否出现步骤二中的主振源，如若出现，则认为该特征点受到了影响，如若没有则认为该特征点不受影响，找出最先不受影响的特征点，其包括的范围为穿堤管道振动影响范围一。

具体的，提取特征点振动数据并进行频域转换，并计算其时域数据的标准差。竖直面特征点标准差如图14所示，随着特征点深度的增加，振动加速度标准差在特征点G3逐渐趋于平稳，认为管道振动只能影响到G3特征点及其上部土体，其在竖直面的振动影响范围为7.5m；水平面特征点的振动频域图如图15所示，随着特征点与管道距离的增加，特征点频谱管道的主振源频率24.8与74.36Hz逐渐消失，土体基频逐渐凸显，而主振源频率消失的特征点，即为管道振动在水平面上的最远影响点，因此确定管道振动在水平面上的影响范围为10m，此为影响范围一。

步骤五：针对堤防土体作动三轴试验，基于步骤二中获得的穿管堤防结构的主振源数据信息，利用动三轴试验仪确定在不同振源频率下堤防土体的应力-应变曲线与循环破坏振次-动应变关系曲线。

借助于循环破坏振次-动应变关系曲线确定不同主频下的临界动应变值，并取最小的临界动应变值，将其作为土体的扰动判据。

以扰动判据动应变值为依据，在应力应变关系曲线上寻找对应的应力，并取最小应力为判据，确定管周围应力超过该值的压力盒，确定了振动影响范围二。

根据已有经验可知，荷载的频率不一样，土体具体的应力应变关系也不尽相同，在步骤二中，已经得到了振动的主要振源为24.8、74.36Hz。针对于具体堤防土体，采用动三轴实验仪器研究不同荷载主频下堤防土体的应力应变曲线，如图16所示。

同时，借助于动三轴试验仪，做出堤防土体分别在不同振源下循环破坏振次与动应变关系曲线，如图17所示。不同主频下动应变的临界值分别为15.6％、10.0％，出于安全考虑，现取最小的临界应变值10％，并将其作为该工程土体的扰动判据。

以10％应变为基础，从上述过程中获得的应力应变关系曲线中找到10％应变所对应的应力分别为160kPa、140kPa。现以140kPa为临界值，在土压力盒中寻找对应压力超过140kPa的土压力盒，并以该部分土压力盒为包线，确定振动影响范围二。

根据土压力盒具体数据，确定振动影响范围二为上圆周最大影响范围为2倍管径，下圆周的最大影响范围为1.5-1.7倍管径。

步骤六：寻找范围一和范围二的重合部分，该重合部分为真实的振动影响范围，对比振动影响范围一与振动影响范围二，取其重合部分为真正的穿堤管道振动对堤防土体的扰动范围。振动影响范围一与振动影响范围二重合部分示意图如图18所示。

本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。