过江管道沉放施工过程中的应力监测

唐志坚
（解放军理工大学 工程兵工程学院，江苏 南京 210007）

　　摘要：在采用浮沉法铺设水下管道的施工中，利用应力应变自动跟踪监测管道下沉过程中的应力变化情况，可为施工人员提供科学的决策依据，并可分析判断管道沉放施工的成败及检验设计计算的正确与否，它能确保过江管道施工安全和顺利沉放到位。
　　关键词：过江管；沉放；应力监测
　　中图分类号：TU991.37
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2000)11-0044-02

　　1 概况

　　南京市大厂区饮用水源整治改造工程的关键性工程是两根直径DN1400、壁厚16mm的过江管道的施工。按设计要求，钢管全部采用现场卷制、焊接工艺，并按弹性敷设法一次过江(由南岸的八卦洲至大厂区北岸滩地)。过江段全长624.43m，沉放时最大水深约28.5m，钢管在江底呈曲线形状。钢管材料的力学指标为：E=2.1×10⁵MPa，μ＝0.296，F_Y＝235MPa。
　　钢管充水后下沉，沉放时钢管各吊点的沉放量不同，因而钢管弯曲后各点的应力大小也不一样，应力最大处应集中在钢管弯曲变形最厉害的部位。由于钢管沉放施工过程中存在许多不确定的因素，如：风浪使吊船上下波动、个别吊点每次的沉放量可能出现不同程度的超沉或欠沉等，这就使实际应力值可能大于计算值。钢管沉放施工过程中的应力跟踪监测，可使施工指挥人员随时了解沉放过程中钢管的变形情况及测点的实际应力，当应力出现异常情况时，可及时通知施工指挥人员，作为调整各吊点的沉放量及采取其他措施的依据，同时借助应力测试的结果来观察所采取措施的效果。

　　2 测点布置

　　在每根钢管弯曲变形最大的部位设置了4个应力测试断面，具体桩号是：+490m，+530m，+560m，+640m，每个测试断面的管顶和管底处分别设3只应变计，具体测点布置如图1所示。

　　3 监测软件的开发与模拟试验

　　为了方便、准确地对过江管的沉放过程进行跟踪监测，研制开发了过江管道应力跟踪监测专用软件，它能自动循环采样，自动传输，自动计算应变、应力、合成应力及合成应力增量，同时能画出合成应力随时间的变化曲线。合成应力达到一定数值时，分三级填入预警、报警结果表中(σi＞180MPa为预警，σi＞210 MPa为报警，σi＝235MPa为极限应力)。为了确保现场实际监测时能准确及时有效地提供有关数据与曲线，对监测系统的各种硬件和软件在实验室均作了试验，如：应变计量程，应变计线性度及范围，应变计稳定性及耐水压和水流的影响，硬件和软件结合后数据的采集、传输、计算等过程的检验、调试等。还对每组24只应变计及相应导线接入检测仪器系统后进行调试检测，取得了许多宝贵的经验和第一手资料。

　　4 现场安装、调试

　　在长管道对接完成之后，首先确定各测试断面及各应变计的相应位置，安装应变计的同时测量其频率读数，确认每只应变计读数在正常预定范围内之后，盖上钢板盒保护盖，并点焊牢固，将导线沿钢管侧面引向预定位置。两根钢管的应变计和相应导线安置完毕后，测试48只应变计全部读数正常。
钢管拖运到位后，在充水下沉前，每组导线集束引向指挥船，与自动频率仪、计算机主机、显示器、打印机等相连接，并作调试。经检查，除A管D断面D₁测点x方向、45°方向和D₂测点0方向及B管D断面D₂测点45°方向应变计或导线因拖管等原因而受损外，其他测点均正常。

　　5 应力应变监测及分析

　　钢管充水后开始按预先设计的程序弯曲下沉，整个沉放过程中对测点的应力应变情况作自动跟踪监测，电脑随时显示监测结果，并将测得的数据自动存入电脑硬盘中。
　　监测过程中，发现A管在A、B监测断面应力突然增加(如：A₂点σx从72MPa猛增至230Pa)，立即通知施工指挥人员对沉放量作适当调整后应力减少，并恢复正常。又如B管D断面弯曲应力偏大，经相关吊点往下调整后，应力得以缓和。再如B管C₂测点应力突增，经检查是由于3＃吊点超降0.4m所至，在后续状态吊点下经修正应力，应变得以缓和。钢管接近着床时应力增加较大，但全部着床后应力应变逐渐减少，直到基本趋稳。
　　在过江管道整个沉放过程中，虽然个别测点的应力达到了屈服应力(235MPa)，但应力仍处于屈服阶段允许应变范围内，未达到硬化阶段的起始应变(实测最大应变只达到硬化起始应变的1/2及断裂应变值的1/20)，且部分测点在钢管全部着床后约10～15min，应力由屈服应力逐渐减小至正常应力范围。因此，从测点应力监测结果看，过江管道的沉放是成功的。两根过江管道的实测应力值比设计应力值一般略偏大，但其基本规律有一定的相似性，这也说明了设计计算的合理性。

　　6 结束语

　　修建过河(江)管、长距离河底或海底输水管等，都会遇到水下铺设管道的施工问题。而在采用浮沉法施工中利用应力应变自动跟踪监测管道下沉过程中的应力应变的变化情况，可使施工管理人员及时掌握管道的应力应变信息，为施工过程处置各种可能发生的意外事件提供科学的决策依据。应力应变监测对确保管道安全顺利地沉放到位具有积极有效的指导作用，同时测点应力应变监测的结果可用来分析判断管道沉放施工的成败与设计计算的正确与否，它对类似管道的施工具有较大的借鉴作用。

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收稿日期：2000-05-18