Seismic response of buried socket pipelines with typical cross connections
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摘要: 埋地管线的接口类型以及管线交叉连接形式,对管线结构地震响应造成较大影响。由于管线交叉处的受力和变形特征受到各分肢管线结构类型的影响,首先建立分肢直线型管线有限元模型,分析了地震波作用下柔性接口球墨铸铁管线(DIP)和刚性接口灰口铸铁管线(CIP)的接口张开量以及管土相对变位;然后分析了采用十字型、T型、L型和双T型交叉管件连接的管线地震响应特征,其中交叉管件与各分肢管线分别采用承插式和法兰式两种连接口,并比较了接口类型对各类交叉管件地震响应的影响规律。结果表明:对于地震波作用下不同接口类型的直线型管线,DIP柔性接口峰值张开量大于CIP刚性接口,CIP刚性接口管线轴力远大于DIP柔性接口管线。管线交叉处采用承插式接口时,双T型交叉管件连接的管线接口峰值张开量略小于十字型、T型连接。管线交叉处采用法兰接口时,与法兰口邻接的DIP柔性接口张开量较大、易发生拉伸破坏,与法兰口邻接的CIP刚性接口轴向压力较大、易发生受压破坏;在双T型交叉处,与法兰口邻接的承插接口响应显著大于十字型、T型连接。Abstract: The joint type and cross connection pattern of buried pipelines have a significant impact on the seismic responses of pipeline structures. As the seismic deformation and stress of pipeline cross are determined by the structural types of branch pipelines, a finite element model for straight branch pipelines is firstly established to investigate the joint displacement and relative pipe-soil displacement of ductile iron pipelines (DIP) with flexible socket rubber joints and cast iron pipelines (CIP) with rigid joints under seismic wave propagation. Then, the seismic responses of pipeline connections using cross-shaped, T-shaped, L-shaped and double-T-shaped cross connections are analyzed, where the pipe cross is connected to the branch pipelines using the socket or flange joints. Furthermore, the effects of joint types on the seismic responses of pipeline cross connections are evaluated. The results show that for the straight pipelines with different types of joints, the peak joint displacement of the DIP with flexible joints is larger than that of the CIP with rigid joints. When the pipe cross is connected with the socket joints, the peak joint displacement of the pipelines with double-T-shaped cross is slightly smaller than that of the pipelines with cross-shaped and T-shaped connections. When the pipe cross is connected using the flange joints, the DIP with flexible joints adjacent to the flange joints exhibits a larger joint displacement and is prone to tensile failure, while the CIP with rigid joints adjacent to the flange joint experiences greater axial compressive force and is prone to compressive failure. At the cross of double-T-shaped pipelines, the responses of the socket joints adjacent to the flange joints are significantly larger than those of the cross-shaped and T-shaped connections.
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Keywords:
- buried pipeline /
- cross pipeline /
- seismic wave propagation /
- socket joint /
- flange joint /
- joint deformation
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0. 引言
灌注桩具有地质适应性强、承载力高等特点,是目前工程建设中最主要的基础形式,广泛应用在桥梁工程中[1-5]。在桥梁服役过程中,由于环境和外部荷载作用,桥梁桩基水下部分会出现混凝土剥落、破损、断裂等质量问题[6-8],三维成像声呐技术能够直观准确的识别桩基水下及泥面以上部分的结构病害情况,因此基于三维成像声呐的水下试验和点云数据处理技术研究对确保整个桩基工程的质量和安全具有重要意义[9-10]。目前三维成像声呐的研究基本上处于设备硬件研发和实际应用的范围,尚缺少“模型试验-数据处理-工程应用”系统性的研究,本文基于三维声呐点云的模型试验,进行了水下目标物缺陷识别、尺寸测量以及点云数据后处理方法研究和桥梁桩基现场试验,充分验证了三维成像声呐在桥梁桩基水下部分检测的适用性,为该技术应用于水下结构检测提供了参考。
1. 试验
1.1 试验设备
试验由美国BlueView公司研制开发三维成像声呐系统对点云数据进行采集,系统硬件部分包括声呐发生器、云台、三角支架、计算机等组成。
1.2 试验方案
试验共设计3个试件,圆柱体混凝土试块2个,带缺陷圆柱体木质试件1个,试件尺寸见表1。试验主要研究三维成像声呐对水下不同材质、不同尺寸、以及不同缺陷结构形式的识别和测量效果。
表 1 试件尺寸参数Table 1. Size parameters of specimens序号 试件编号 形状 材质 尺寸r×h/cm 备注 1 WSC - #1 圆柱体 混凝土 2.5×10.0 — 2 WSC -#2 5.0×15.0 — 3 WSW-#3 木质 15×100.0 带缺陷 为减少环境对声呐数据采集造成影响,选择在平面尺寸为21 m×50 m,深度1.8 m的水池中进行声呐试验,并在试验目标物底下垫上粗糙多孔的防滑垫,目的在于减少声波在瓷砖表面发生较强反射,从而获得更加准确的数据。
2. 数据处理
试验通过三维成像声呐发射固定频率声波波束,在触及目标物后接收到反射声波,从而获得目标物的外形轮廓坐标数据,最后生成点云图像。由于外部环境影响,原始点云图像存在较多的噪点,如图1所示。
为了更好的分析三维成像声呐对水下结构的识别和测量效果,本文提出了数据后处理方案:①人工删减原始数据,去除大面积噪点;②对单次采集点云数据进行滤波处理,对原始数据进行压缩并去除离散点;③对处理后的图像进行尺寸测量。
2.1 点云滤波处理
本文根据点云噪声特征进行不同的滤波处理。
(1)半径滤波通过统计一定半径区域内点的个数来去除离散点。可依据点云的不同特征定义多种条件,定义条件为点在x,y和z维度下的取值同时满足某个值域,则可以在指定3D空间内对点云进行裁剪。假设有n个点云,对这部分点云进行半径滤波。设定近邻点数量为k,半径为r。然后遍历每一个点云。i=1,2,…,n。以第i个点云为圆心,在其r半径内,若有k个点云,则该第i个点云将被保留;若其r半径内,点云个数少于k个,则该第i个点云将被去除。
(2)体素滤波主要对点云数据进行压缩,在保证点云图像主体结构不变的情况下减少点的数量。用于密集型点云的预处理中,以加快后续配准、重建等操作的执行速度。
(3)高斯统计滤波是最常用的滤波处理方式,通过统计某个点于相邻点之间的平均距离来去除离散点。设定去除离散噪点前的点云集合为
A= {ai, i=1,2,n} ,去除噪声后点云集合A′={ai,i=1,2,m} 。用bi表示ai到邻域中k个点的平均距离。算法中A所有点到其各自邻域的平均距离服从高斯分布且形状由均值和标准差决定。令所估计点平均距离a为其标准差,则记为S(μ,σ) ,且有如下公式:μ=∑ni=1Sin, (1) σ=∑ni=1(Si−μ)2n。 (2) 所有位于(μ-std×σ,μ+std×σ)范围外的点即可认为是大尺度噪声点,设k值为估算平均距离的邻域点大小,标准差倍数控制筛选阈值。设目标点坐标为(Xm,Ym,Zm),领域内某点N坐标为(Xn,Yn,Zn),则
SN=√(Xm+Xn)2+(Ym+Yn)2+(Zm+Zn)2, (3) ˉs =∑Kn=1SNk。 (4) SN服从一个位置参数μ、尺度参数为
σ 的概率分布,且其概率密度函数为f(SN)=1√2πσexp(−(SN−μ)22σ2), (5) Smax=(ˉs)+nσ⋅std, (6) 式中,std为标准差倍数阈值。
对点云原始数据进行大面积噪点人工删减后再经上述滤波处理得到图2所示点云图像,点云图像能够清晰反映设备扫描侧的形状轮廓。
2.2 尺寸测量
点云滤波处理后,对点云图像进行切面处理,选择一个剖面测量试件尺寸。对试件WSC - #1、WSC - #2两个试件进行尺寸测量,如图3所示,经滤波处理后对点云图像进行测量,测得圆柱高度分别为15,10 cm与试件实际尺寸基本吻合,由于测量过程存在主观因素影响,试验结果存在一定误差,但误差能够保持在厘米级,完全满足工程应用需求。
对带缺陷圆柱体木桩WSW-#3试件的高度和缺陷尺寸进行测量,试件及缺陷尺寸如图4所示。
为方便试件点云图像尺寸测量,将桩的点云图旋转90°,右侧为桩底,左侧为桩顶,下侧为缺陷侧,尺寸测量如图5所示,测量结果见表2。
表 2 缺陷圆柱试件尺寸测量数据Table 2. Measured data of defective specimens序号 位置 实际尺寸 测量尺寸 误差 1 下部缺陷宽度 10 10 0 2 下部缺陷深度 5 4 1 3 缺陷距离 30 29 1 4 上部缺陷宽度 5 3 2 5 上部缺陷深度 10 11 1 测量结果表明:点云图像能够清晰显示缺陷位置,对数据后处理后的点云图像进行测量,试件各个部位测量尺寸与实际尺寸误差在2 cm以内,满足实际工程测量精度需求。
3. 工程应用
某高速桥梁左幅建成于1994年,桥梁下部结构为桩柱式桥台,桩柱式桥墩,墩柱直径1.0 m,桩基直径1.2 m。现场采用声学可视化检测技术对水下结构进行检测,并在检测完成后进行抽水验证。
选取其中一根桩基进行声纳扫测分析,原始点云数据如图所示,进行大面积噪点人工删减和软件滤波处理后,得到点云图像如图所示,数据后处理后的点云图像能够清晰显示桩基轮廓。对点云图像断面进行测量,桩基础部分点云断面缩小,结合设计图纸判断该桩基存在混凝土大面积剥落现象。
3.1 声呐数据处理及尺寸测量
为测得混凝土剥落厚度和长度,选取桩基竖向断面并对点云图像3个不同位置进行测量,如图6所示,测得剥落厚度为0.12,0.18,0.11 m,平均值为0.14 m;剥落长度为0.93,0.94,0.97 m,平均值为0.95 m。
3.2 现场试验验证
为验证声呐数据的测量精确度,在抽水后采用人工进行测量,现场实测混凝土剥落厚度分别为0.15,0.16,0.14 m,平均值为0.15 m;剥落长度分别为1.01,0.99,0.95 m,平均值为0.98 m,现场实测照片如图7所示。
通过对比声呐与人工测量数据,两种方法测量混凝土剥落厚度平均值误差在1 cm,剥落长度平均值误差在3 cm,基本满足桥梁检测现场检测需求。
4. 结论
(1)三维成像声呐扫测原始数据存在较多噪点,在经过滤波处理后,能够清晰呈现目标物部分外形轮廓,保留目标物几何信息,并能够较好识别试件缺陷。
(2)对滤波处理后的点云图像尺寸测量结果准确,其中混凝土试件高度测量尺寸与实际基本吻合,带缺陷木桩试件部位尺寸在低于5 cm时,误差较大,尺寸大于10 cm误差较小,整体误差保持在2 cm以内。
(3)三维成像声呐应用于桥梁桩基水下部分的外观完整性检测效果较好,能够直观呈现桩基外观特征,识别桩基外观缺陷。
(4)经过将三维成像声呐的测试数据与现场测量数据对比,三维成像声呐能够较准确测量桩基混凝土剥落厚度,误差在3 cm内,满足工程检测需求。
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胶圈柔性接口(DIP) 铅嵌缝刚性接口(CIP) 公称直径/
mm接口拉伸极限强度
FDe/kN接口极限强度对应位移
xDe/mm弹性阶段峰值压力
FDc/kN弹性阶段段压缩最大深度xDc/mm 公称直径/
mm弹性阶段峰值轴力
FCe/kN初始滑移位移
ΔCe/mm接口渗漏抗拔力
FCu/kN接口渗漏位移
ΔCu/mm峰值
压力
FCv/kN压缩最大深度
ΔCv/mm200 11.60 11.0 10.54 10.0 200 112.60 1.0 225.20 40.05 1000 12 密度/
(g·cm-3)剪切波速/
(m·s-1)剪切
模量/
MPa泊松比 特征周期/
s圆频率/
s-1内摩擦角/
(°)黏聚力/
kPa1.89 300 180 0.3 0.40 15.708 30 20 表 3 简单交叉管线响应汇总(交叉管件连接采用承插式接口)
Table 3 Responses of simple cross pipe (cross pipelines with socket joints)
管线
交叉形式响应类型 胶圈柔性管线(DIP) 铅嵌缝刚性管线(CIP) 干线 影响系数λ 干线 影响系数λ 直管线 张开/mm 5.81 — 5.17 — 转角/(°) 0 — 0 — 十字型 张开/mm 3.05 0.52 3.55 0.69 转角/(°) 0 — 0 — T型 张开/mm 3.04 0.52 3.55 0.69 转角/(°) 0.01 — 0.03 — L型 张开/mm 1.18 — 0.01 — 转角/(°) 0.02 — 0.65 — 表 4 简单交叉管线响应汇总(交叉管件连接采用法兰接口)
Table 4 Responses of simple cross pipe (cross pipelines with flange joints)
管线交叉
形式DIP管线交叉 CIP管线交叉 法兰接口峰值
变形/mm法兰邻接的承插接口 法兰接口峰值
变形/mm法兰邻接的承插接口 峰值变形/mm 影响系数λ 峰值变形/mm 影响系数λ 十字型 -0.52 8.50 1.46 -1.84 7.32 1.26 T型 -0.52 8.49 1.46 -1.84 7.32 1.26 L型 -0.04 5.67 — -0.18 1.37 — 表 5 DIP管线双T型交叉峰值响应
Table 5 Peak seismic responses of double T-cross DIP pipelines
交叉管件处
接口类型管线交叉形式 DIP柔性接口峰值张开/mm 影响系数λ 交叉处接口 邻接承插口 交叉处接口 邻接承插口 承插接口 双Ta 2.28 5.63 0.39 — 双Tb 2.97 5.67 0.51 — 双Tc 3.04 5.67 0.52 — 法兰接口 双Ta -0.50 8.41 — 1.45 双Tb -0.70 11.03 — 1.90 双Tc -0.54 11.19 — 1.93 表 6 CIP管线双T型交叉峰值响应
Table 6 Peak seismic responses of double T-cross CIP pipelines
交叉管件处
接口类型管线
交叉形式CIP刚性接口峰值张开量/mm 影响系数λ 交叉处接口 邻接承插口 交叉处接口 邻接承插口 承插接口 双Ta 3.04 4.82 0.58 — 双Tb 3.24 4.89 0.63 — 双Tc 3.36 4.65 0.65 — 法兰接口 双Ta -1.74 7.29 — 1.41 双Tb -1.85 9.34 — 1.81 双Tc -1.85 9.44 — 1.83 -
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