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)?；炷帘盟凸艿勒駝蛹铀俣缺O(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]?？紤]到本試驗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，同樣加速度經(jīng)過二次積分后，位移曲線的趨勢項為+(k+v0)t+?+s0，積分結(jié)果中的趨勢項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，因為混凝土泵啟動時管內(nèi)混凝土運動狀態(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，這主要是因為截面I 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。這主要因為在正常泵送過程中，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方向為主，Y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。