混凝土泵送管道振動監(jiān)測與分析

(華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北武漢，430074)

混凝土泵送管道是泵送施工系統(tǒng)中輸送混凝土材料的重要載體，在混凝土泵送過程中，由混凝土泵液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的泵壓會對泵送管道產(chǎn)生較大的沖擊和壓力，導(dǎo)致泵送管道產(chǎn)生振動[1-2]。在實(shí)際泵送過程中，由于泵送壓力、泵送管道的支撐方式和位置、管線布置以及混凝土性能等因素的影響，混凝土泵送有時會發(fā)生堵管、泄露和爆管等現(xiàn)象[3-5]，這直接影響項(xiàng)目的施工進(jìn)度，甚至引發(fā)安全事故。姚煜中[6]研究表明，壓力脈動流體的工作狀態(tài)與輸送管道的動力特性直接相關(guān)。因此，泵送管道的動力特性是反映混凝土泵送狀態(tài)的重要參數(shù)，而通常加速度是結(jié)構(gòu)動態(tài)信號測量和分析的主要物理參數(shù)之一[7-8]。目前有關(guān)混凝土泵送動力特性的研究主要集中在混凝土泵車臂架[9-11]，對混凝土泵送管道的動力特性監(jiān)測及分析的研究極少，而利用加速度傳感器可以獲取土木工程結(jié)構(gòu)的振動位移及振動頻率等動力特性，實(shí)時掌握結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)變化[12]，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)工作時的異常狀態(tài)。因此，本文通過監(jiān)測混凝土泵送時管道振動加速度，分析混凝土泵送管道振動的動力特性和變化規(guī)律，有利于及時發(fā)現(xiàn)混凝土泵送的異常狀態(tài)和采取措施防范堵管、漏管等現(xiàn)象，對保證混凝土正常泵送具有很重要的理論和工程實(shí)際意義。

1 混凝土泵送管道現(xiàn)場監(jiān)測方案

1.1 混凝土泵送管道現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)

選擇武漢市光谷廣場附近某棟58 層的在建高層住宅混凝土泵送管道系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，泵送管道加速度監(jiān)測時混凝土已澆筑到第10 層，混凝土泵選用中聯(lián)重科生產(chǎn)的ZLJ5180THBJE-10528R 型混凝土車載泵。泵送試驗(yàn)監(jiān)測系統(tǒng)主要由測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲3部分組成。加速度傳感器采用1A116E型壓電式加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集采用DH3822型動態(tài)信號采集系統(tǒng)。混凝土泵送管道振動加速度監(jiān)測現(xiàn)場和監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 混凝土泵送管道振動加速度監(jiān)測現(xiàn)場和監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Monitoring site and system of vibration accelerate of concrete pumping pipe

1.2 管道振動加速度測點(diǎn)布置

選擇第1層水平直管段、水平彎管和第1層豎直管段和豎直彎管進(jìn)行加速度測試。加速度測點(diǎn)布置如圖2所示，控制截面選在各管道中間部位。在每個控制截面布置2 個相互垂直的加速度傳感器，將管道2個相互垂直的方向分別定義為X方向和Y方向，如圖3所示。

2 混凝土泵送管道振動分析

2.1 加速度去噪處理和振動位移計算原理

2.1.1 加速度信號去噪處理

現(xiàn)場試驗(yàn)采用的是直流電源，采集到的加速度振動信號包含了其直流信號和周圍環(huán)境噪聲，因此，須對原始信號進(jìn)行去噪處理。對采集到的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行合理的濾波處理，可以起到降噪的作用，有利于準(zhǔn)確識別監(jiān)測結(jié)構(gòu)的狀態(tài)[13]。近年來，許多濾波技術(shù)已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)體監(jiān)測數(shù)據(jù)的去噪處理[14-17]。考慮到本試驗(yàn)加速度傳感器的幅頻變化特性，切比雪夫II型濾波器在通帶內(nèi)具有更穩(wěn)定的幅度函數(shù)和衰減特性[18-19]，對本試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)處理獲取有效數(shù)據(jù)更有優(yōu)勢。因此，本研究采用IIR切比雪夫II 型數(shù)字濾波器對加速度信號進(jìn)行去噪處理。

2.1.2 管道振動位移計算原理

對采集的加速度信號進(jìn)行時域積分處理，獲取泵送管道的振動速度和振動位移。試驗(yàn)采集的泵管振動加速度a(t)含有直流干擾成分η，即a(t)=a1(t)+η，則振動速度和振動位移分別為

式中：v0為初始速度，v′(t)為v(t)的原函數(shù)；s0為初始位移，s′(t)為s(t)的原函數(shù)；k和?分別為η在一次積分和二次積分后得到的積分常量。

由于直流分量η的影響，導(dǎo)致由加速度積分得到的速度曲線有ηt+k+v0趨勢項(xiàng)，同樣加速度經(jīng)過二次積分后，位移曲線的趨勢項(xiàng)為+(k+v0)t+?+s0，積分結(jié)果中的趨勢項(xiàng)誤差積累會引起波形變形，這對位移曲線的準(zhǔn)確性有較大影響[20]。因此，本研究對速度和位移信號曲線多項(xiàng)式采用最小二乘法進(jìn)行波形修正，消除加速度積分過程中產(chǎn)生的趨勢項(xiàng)誤差，從而得到更為精確的振動速度和振動位移信號[21-22]。

圖2 泵送管道振動加速度測試控制截面Fig.2 Control sections of vibration acceleration test of concrete pumping pipe

2.2 不同泵送階段管道加速度監(jiān)測與分析

2.2.1 泵啟動階段

混凝土控制截面的最大加速度反映了該部位的振動響應(yīng)，圖4所示為試驗(yàn)采集的泵啟動階段不同泵壓下各控制截面最大振動加速度。由圖4可見：控制截面I 處X和Y方向加速度最大，因?yàn)榛炷帘脝訒r管內(nèi)混凝土運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生突變，而截面I離泵源最近，受到泵的沖擊作用相對其他截面大，管道因此突然產(chǎn)生劇烈振動。除彎管截面III 處X方向和彎管截面VI 處Y方向最大加速度有突增現(xiàn)象外，隨著管道長度延伸，管道振動加速度逐漸減小。

2.2.2 正常泵送階段

對泵壓20 MPa 時離泵源最近的水平直管段截面I和最遠(yuǎn)的豎直管段截面VII的X和Y方向加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，得到截面I和截面VII的X和Y方向加速度，如圖5所示。由圖5可見：正常泵送階段管道截面I 處X和Y方向加速度峰值變化的周期性不明顯，而截面VII 的X和Y方向加速度變化具有較明顯的周期性，且加速度穩(wěn)定在[-0.3g，0.3g](g為重力加速度)區(qū)間內(nèi)。

圖3 泵送管道振動加速度傳感器布置方向示意圖Fig.3 Arrangement direction of acceleration sensor of concrete pumping pipe

圖4 各控制截面最大振動加速度Fig.4 Maximum vibration acceleration of each control sections

圖5 正常泵送階段不同控制截面振動加速度Fig.5 Vibration acceleration of different control section

分析不同條件下加速度峰值的出現(xiàn)時間，發(fā)現(xiàn)管道的振動加速度周期性隨著管道延伸明顯加強(qiáng)。對一定時間間隔內(nèi)泵管振動的加速度進(jìn)行峰值提取并記錄峰值出現(xiàn)的時間，將相鄰2個加速度峰值出現(xiàn)的時間點(diǎn)相減得到相應(yīng)的加速度峰值周期Ti，

式中：ti和ti+1分別為泵管振動加速度的第i個峰值和第i+1個峰值出現(xiàn)的時間。

對一段測試時間內(nèi)獲取的泵管振動加速度峰值周期Ti進(jìn)行算數(shù)平均計算，得到該組加速度數(shù)據(jù)峰值出現(xiàn)的周期T,

式中：n為在一定時間間隔內(nèi)加速度峰值周期Ti的總數(shù)。

分析20 MPa 泵壓下加速度，得到各截面峰值平均周期如圖6所示。由圖6可見：管道不同截面的振動加速度峰值周期隨管道的延伸趨于穩(wěn)定，在水平直管截面I 處X和Y方向加速度峰值出現(xiàn)周期比其他截面的小，表明泵送過程中該管段振動比較復(fù)雜，因而加速度峰值出現(xiàn)較多。經(jīng)過彎管，從截面III 開始后面截面加速度峰值周期基本穩(wěn)定在4.3 s 左右，與混凝土泵的行程轉(zhuǎn)換時間基本一致。分析不同泵壓下各截面X和Y方向的峰值周期，發(fā)現(xiàn)其周期變化規(guī)律與上述規(guī)律一致。

圖6 不同截面X和Y方向加速度峰值出現(xiàn)周期Fig.6 Period of peak acceleration in X direction and Y direction

2.3 混凝土泵送管道振動位移分析

2.3.1 泵壓20 MPa下管道振動位移結(jié)果與分析

振動位移能更直觀地判斷管道運(yùn)行狀態(tài)，因此，選取20 MPa 泵壓下正常泵送過程中的加速度曲線進(jìn)行二次積分和去趨勢項(xiàng)處理，得到各截面X和Y方向的振動位移，如圖7所示。

由圖7可見，在水平直管截面I 處X方向最大振動位移達(dá)到15 mm，Y方向最大振動位移僅5 mm，X方向振動位移明顯大于Y方向位移，且該截面振動最劇烈，這主要是因?yàn)榻孛鍵 離泵源最近，混凝土泵送壓力損失較小。截面III、截面IV和截面V 的振動位移在2～5 mm，豎直管段振動位移保持在2 mm左右。試驗(yàn)表明經(jīng)過彎管后管道振動大幅減弱，且以水平振動為主，隨著管道延伸，振動位移逐漸減小。這主要因?yàn)樵谡１盟瓦^程中，混凝土輸送經(jīng)過一段距離的直管和彎管后，混凝土壓力衰減幅度減小并趨于穩(wěn)定，管道振動隨之減弱。

圖7 各控制截面振動位移變化Fig.7 Vibration displacement of each control section

2.3.2 不同泵壓下管道振動位移

采用同樣方法對不同泵壓下采集的加速度曲線進(jìn)行二次積分和去趨勢項(xiàng)處理，得到不同泵壓下各控制截面X方向的平均最大位移如圖8所示。由圖8可見：不同泵壓下，混凝土泵送管道振動位移的變化規(guī)律是一致的，泵壓越大，管道振動位移越大。第1段水平直管X方向振動位移最大，經(jīng)過第1段水平彎管截面III及以后截面X方向的振動位移緩慢減小并趨于穩(wěn)定，且X方向振動位移都在4 mm以內(nèi)。

圖8 各控制截面X方向最大振動位移Fig.8 Maximum vibration displacement in X direction of each control section

分別將泵壓與不同截面X方向振動位移進(jìn)行擬合，得到各管段截面X方向振動位移與泵壓的關(guān)系，如圖9所示。

從圖9可以發(fā)現(xiàn)，同一管段截面X方向振動位移與泵壓呈線性關(guān)系，因此將直線的斜率定義為管段X方向位移特征系數(shù)λx，表征不同泵壓下管段X方向振動位移變化，將直線截距定義為管道X方向位移常數(shù)Bx，則X方向振動位移方程式為

式中：Sx為管道X方向振動位移；P為混凝土泵源泵壓。

圖9 不同泵壓下泵送直管振動位移Fig.9 Vibration displacement of straight pumping pipe under different pumping pressures

分別對不同管段進(jìn)行擬合分析計算，得到第1段水平直管λx1為0.353，第2 段水平管λx2為0.095，豎直管段λx3為0.073。研究表明：管道振動位移與泵壓呈線性關(guān)系，λx可以表征截面X方向振動位移的變化，不同管段λx不同，離泵源最近的第1段水平管λx最大，經(jīng)彎管后λx突然減小，之后λx衰減可以忽略，同一管段不同截面位移常數(shù)Bx不同。

3 結(jié)論

1)在泵啟動階段，靠近泵源的水平直管振動加速度最大，垂直于彎管外弧線方向的加速度有突增現(xiàn)象，泵送管道其余截面加速度隨著泵送管道延伸逐漸減小。

2)在正常泵送階段，泵壓越大，則泵送管道振動最大加速度越大，靠近泵源處泵送管道振動加速度周期性不明顯，但隨著泵送管道延伸，泵送管道振動加速度變化的周期性明顯加強(qiáng)。

3)同一泵送管段截面X方向振動位移與泵壓呈線性關(guān)系，泵壓越大，泵送管道振動位移越大。泵送過程中第1段水平直管振動位移最大，經(jīng)過彎管后泵送管道振動位移大幅降低，且泵送管道振動以X方向?yàn)橹鳎琘方向振動相對較小。

4)X方向位移特征系數(shù)λx可以表征不同泵壓下泵送管段X方向振動位移變化，離泵源最近的第1段水平管λx最大，經(jīng)彎管后λx突然減小，之后λx衰減很小可忽略；同一泵送管段不同截面位移常數(shù)Bx不同。