CN112651151B - 一种模拟管道穿越走滑断层的试验装置及确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟管道穿越走滑断层的试验装置及确定方法。试验装置包括承压结构，其被构造为能对管道施加拉力，承压结构包括：承压件，其被构造为具有抗压特性，能在对管道施力时产生压缩形变，能通过调节其结构参数使其在受到压力时结构的应力应变关系与土体相似；第一端，其一侧连接所述管道，另一侧以能够施压的方式连接承压件的第二侧；第二端，其一侧以连接拉力，另一侧以能够施压的方式连接所述承压件的第一侧；承压件的第一侧和第二侧的受压方向相反，受压方向与拉力的方向平行。本发明可用于穿越不同断层位移的管道的受力情况和管土相互作用研究，在降低试验成本的同时能真实准确地模拟管道在走滑断层下的破坏机制。

Description

一种模拟管道穿越走滑断层的试验装置及确定方法

技术领域

本发明涉及长输管道试验技术领域，具体涉及一种模拟管道穿越走滑断层的试验装置及确定方法。

背景技术

随着我国经济的发展和工业化水平的提高，长输管道逐渐倾向于长距离方向发展，在管道输送过程中难免会穿越一些地震高发地带。自然灾害，尤其地震，会严重威胁到管道的安全运行。当地壳运动中产生强大的压力和张力，超过岩层本身的强度对岩石产生破坏作用时，即形成了断层位错，我国大陆发生的相对频繁的断层形式是走滑断层，能否准确模拟管道穿越走滑断层时的管土相互作用显得十分重要。

对于长输管道穿越走滑断层，国内外很多学者进行了全尺寸试验和小尺寸试验，包括土箱实验、离心实验等。由于土箱试验模型受试验装置、造价、加载同步性等因素的限制，其无法进行原材料的足尺试验，而且很难满足全尺寸试验的相似条件。离心试验可以通过调节重力加速度满足弹性力-重力相似条件，但是只能进行小尺寸的试验，在模拟土体剪切破坏方面也存在不足。离心试验研究除了要考虑试验装置的成本、试验者的安全、对管道施加载荷的时间控制等操作难度外，由于土壤条件、相似性的理论依据等因素，试验本身和真实工程实际问题的相似度也很难满足。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种模拟管道穿越走滑断层的试验装置及确定方法，该装置可用于穿越不同断层位移的管道的受力情况和管土相互作用研究，在降低试验成本的同时满足相似性理论依据，真实准确地模拟管道在走滑断层下的破坏机制，弥补土箱实验装置和离心实验装置的不足。

本发明首先提出一种模拟管道穿越走滑断层的试验装置，所述试验装置包括承压结构，所述承压结构被构造为能对所述管道施加拉力，所述承压结构包括：

承压件，所述承压件被构造为具有抗压特性，其能在对所述管道施力时产生压缩形变，且可通过调节其结构参数使其在受到压力时结构的应力应变关系与土体相似；

第一端，所述第一端的一侧连接所述管道，另一侧以能够施压的方式连接所述承压件的第二侧；

第二端，所述第二端的一侧以连接拉力，另一侧以能够施压的方式连接所述承压件的第一侧；

所述承压件的第一侧和所述第二侧的受压方向相反，所述受压方向与所述拉力的方向平行。

根据本发明的一种实施方式，所述承压件为钢管。

根据本发明的一种实施方式，所述第一端包括柔性带，所述柔性带以卷绕的形式连接所述管道的外周壁，优选地，所述柔性带为弹性钢带。

根据本发明的一种实施方式，所述第一端还包括第二均布载荷梁，该第二均布载荷梁设置于所述承压件的第二侧，该第二均布载荷梁连接所述柔性带；所述第二端还包括第一均布载荷梁，该第一均布载荷梁设置于所述承压件的第一侧，该第一均布载荷梁连接拉力施加件。

根据本发明的一种实施方式，所述第一端还包括第一连接件，所述第一连接件的一端连接所述柔性带，另一端连接所述第二均布载荷梁，所述第一连接件的所述另一端穿过所述承压件的第一侧到达所述第二侧的第二均布载荷梁处；所述第二端还包括第二连接件，所述第二连接件的一端连接所述拉力施加件，另一端连接所述第一均布载荷梁，所述第二连接件的所述另一端穿过所述承压件的第二侧到达所述第一侧的第一均布载荷梁处。

根据本发明的一种实施方式，所述第一连接件和所述第二连接件各自包括上下平行的两组，所述第一连接件的上下两组分别与所述柔性带的上下卷绕的两端连接，所述第一端还包括第一支撑组件，所述第一支撑组件连接所述第一连接件的上下两组，所述第一支撑组件还优选包括第一底部滚动元件；所述第二端还包括第二支撑组件，所述第二支撑组件连接所述第二连接件的上下两组，所述第二支撑组件活动穿过所述第一连接件的上下两组，所述第二支撑组件还优选包括第二底部滚动元件；优选地，所述第一端还包括均布调节组件，所述均布调节组件连接所述柔性带与所述第一连接件，以使所述柔性带的受力均匀且调节所述柔性带的上下两端间的距离。

根据本发明的一种实施方式，所述装置还包括支撑部件，所述支撑部件被构造为支撑所述管道；所述承压结构沿所述管道的中心水平轴线依次分布若干组，每组沿拉力方向与所述管道的中心轴线垂直；优选地，所述支撑部件包括端部支撑组件和中间支撑组件，所述端部支撑组件在所述管道的端部支撑所述管道，限定所述管道的轴向和侧向的自由度；所述中间支撑组件支撑于所述管道的中部下方；优选地，所述端部支撑组件包括监测器支撑架和轴力监测器，所述监测器支撑架支撑所述管道与所述轴力监测器，所述轴力监测器被构造为监测所述管道的轴向力；优选地，当所述管道的中间的横截面为断层作用面时，多个所述承压结构均匀分布在所述管道中间的横截面的两侧。

本发明还提出一种确定所述试验装置的方法，所述方法包括：

S1、根据确定的回填土土壤类型和土壤的特性计算出土壤的极限抗力和屈服位移；

S2、建立管道穿越走滑断层的半连续型有限元模型，并利用获取的所述管道的参数对该有限元模型进行参数化处理，计算出该管道在断层作用力下的应变值和土弹簧的极限抗力F_ring；ideal；

S3、初步估计施加于所述管道的多组承压结构间的间距L_ref，并计算出土壤侧向极限抗力；

S4、建立所述管道穿越走滑断层的离散型有限元模型，并利用获取的管道参数对该离散型有限元模型进行参数化处理，计算出所述管道在断层作用力下的应变值和土弹簧的极限抗力F_ring；

S5、将所述半连续型有限元模型和离散型有限元模型得到的管道应变值进行对比，通过迭代计算不断调整承压结构的间距值，使所述离散型有限元模型计算出的管道应变值趋近于半连续型模型的管道应变值；

S6：当所述离散型有限元模型计算出的管道应变值与所述半连续型有限元模型计算出的管道应变值相近时，则将此时的承压结构的间距值L_ref'以及由离散模型计算出的土弹簧极限抗力F_ring作为设计所述试验装置的物理参数的依据。

进一步地，设计所述承压件的参数时，使得所述土弹簧极限抗力F_ring对应所述承压件的屈服极限的塑性弯矩承载力。

本发明可以通过承压结构拉动试验管道模拟管道所受的断层作用力，由于承压结构可通过调节其结构参数使其在受到压力时结构的应力应变关系与土体相似，所以可以准确模拟管道穿越走滑断层时的受力情况及管土之间的相互作用。

本发的装置可用于穿越不同断层位移的管道的受力情况和管土相互作用研究，在降低试验成本的同时满足了实验相似性理论依据。

附图说明

图1为本发明一实施例用于模拟管道穿越走滑断层的实验装置的俯视结构示意图；

图2为本发明一实施例试验管道的俯视结构示意图；

图3a为本发明一实施例承压结构的左视结构示意图；

图3b为图3a本发明一实施例承压结构的俯视结构示意图；

图4为本发明一实施例轴力监测器的俯视结构示意图；

图5为本发明一实施例支撑钢架的俯视图结构示意图；

图6a为本发明一实施例监测器支撑架的主视结构示意图；

图6b为本发明一实施例监测器支撑架的俯视结构示意图；

图7a为本发明一实施例固定钢架的俯视结构示意图；

图7b为图7a本发明一实施例固定钢架的左视结构示意图；

附图标号：

1-轴力监测器；2-试验管道；3-承压结构；4-固定钢架；5-支撑钢架；6-监测器支撑架；

1-轴力监测器：11-法兰连接头；12-球状铰接头；13-液压油缸；

2-试验管道：20-试验管道本体；21-法兰盘；

3-承压结构：311-柔性带；312-第三均布载荷梁；313-第一连接件；314-第一螺丝；315-第二螺丝；316-木板；317-第三螺丝；321-第一立柱；322-第一直角构件；323-第一滑轮；331-钢环；332-第一均布载荷梁；333-第二均布载荷梁；334-第二连接件；335-第四螺丝；336-第二直角构件；337-支撑架；341-第二立柱；342-第二滑轮；35-第三直角构件；36-支撑架。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

管道在穿越走滑断层时，沿断层作用面两侧10米内的区域被认为是管道的最大变形区域，10米之外的区域管道受到的土壤施加的应力作用不明显。在走滑断层作用下，断层作用面两侧管道分别受到土壤的拉力和压力作用。

为了能够用于穿越不同断层位移的管道的受力情况和管土相互作用研究，在降低试验成本的同时满足相似性理论依据，真实准确地模拟管道在走滑断层下的破坏机制，弥补土箱实验装置和离心实验装置的不足，本发明首先提出一种模拟管道穿越走滑断层的试验装置，该试验装置主要包括承压结构，该承压结构被构造为能对所述管道施加拉力。

所述承压结构主要包括：

承压件，所述承压件被构造为具有抗压的特性，其能在对所述管道施力时产生压缩形变，且可通过调节其结构参数使其在受到压力时结构的应力应变关系与土体相似；

第一端，所述第一端的一侧连接所述管道，另一侧以能够施压的方式连接所述承压件的第二侧；

第二端，所述第二端的一侧以连接拉力，另一侧以能够施压的方式连接所述承压件的第一侧；

所述承压件的第一侧和所述第二侧的受压方向相反，所述受压方向与所述拉力的方向平行。

如此设计，使得在对管道施加断层作用力时，承压结构可以与真实土壤的力学响应相比拟，拉力器通过承压结构对试验管件产生的拉力可以更真实准确地模拟土壤对管道的挤压力，而且可根据有限元模型，将土壤的塑性极限抗力与承压结构的塑性弯矩承载力相对应，以便科学地调整承压结构中承压件的直径、壁厚和钢级以及承压结构的数量与布置方式等模拟走滑断层作用下不同类型的土壤对管道的作用力，从而能够更准确高效模拟所对应土壤对管道的力学作用，解决了现有的长输管道穿越走滑断层的实验装置试验误差与实际情况相差大，成本高的问题。

根据本发明的一种实施方式，所述承压件为金属件，其优选为钢管。

由于钢材的抗压特性，结合现有计算模拟手段，本发明下述实施方式以承压件为钢环进行示例说明。

根据本发明的一种实施方式，如图3a、3b所示，承压结构3的第一端包括柔性带311，柔性带311以卷绕的形式连接所述管道的外周壁，优选地，柔性带为弹性钢带。图中柔性带以半包围的方式缠绕在管道2的外周壁。

根据本发明的一种实施方式，承压结构3的第一端还包括第二均布载荷梁333，该第二均布载荷梁333设置于承压件如钢环331的第二侧(图上为钢环的右侧)，该第二均布载荷梁333连接柔性带311；承压结构3的第二端还包括第一均布载荷梁332，该第一均布载荷梁332设置于承压件如钢环331的第一侧(图上为钢环的左侧)，该第一均布载荷梁332连接拉力施加件。

根据本发明的一种实施方式，承压结构3的第一端还包括第一连接件313，第一连接件313的一端连接柔性带311，另一端连接第二均布载荷梁333，第一连接件313的另一端穿过承压件如钢环331的第一侧到达第二侧的第二均布载荷梁333处。

承压结构3的第二端还可包括第二连接件334，第二连接件334的一端连接拉力施加件，另一端连接第一均布载荷梁332，第二连接件334的另一端穿过承压件如钢环331的第二侧到达第一侧的第一均布载荷梁332处。

根据本发明的一种实施方式，所述第一连接件313和所述第二连接件334各自包括上下平行的两组，其中，第一连接件313的上下两组分别与柔性带311的上下卷绕的两端连接。

第一端还可进一步包括第一支撑组件，第一支撑组件连接第一连接件313的上下两组。第一支撑组件还优选包括第一底部滚动元件。

如图3a、3b所示，第一支撑组件可包括第一立柱321和第一滑轮323。

第二端还可包括第二支撑组件，第二支撑组件连接第二连接件334的上下两组，第二支撑组件可活动穿过第一连接件334的上下两组。

第二支撑组件还优选包括第二底部滚动元件。

如图3a、3b所示，第二支撑组件可包括第二立柱341和第二滑轮342。

优选地，所述第一端还可包括均布调节组件，均布调节组件连接柔性带311与第一连接件313，以使柔性带311的受力均匀且能调节柔性带311的上下两端间的距离。

如图3a、3b所示，均布调节组件可包括第三均布载荷梁312和木板316，第三均布载荷梁312可包括上下两组，每组夹持柔性带311的一端，木板316可以调节夹持的间隙。

根据本发明的一种实施方式，所述装置还包括支撑部件，支撑部件被构造为支撑所述管道2。

试验时，如图1所示，承压结构3沿管道2的中心水平轴线依次分布若干组，每组沿拉力方向与所述管道2的中心轴线垂直。

优选地，所述支撑部件包括端部支撑组件和中间支撑组件，所述端部支撑组件在所述管道2的端部支撑所述管道，限定所述管道的轴向和侧向的自由度。

所述中间支撑组件支撑于所述管道的中部下方。图1中支撑钢架5作为中间支撑组件。

优选地，如图1所示，所述端部支撑组件包括监测器支撑架6和轴力监测器1，所述监测器支撑架6支撑所述管道2与所述轴力监测器1，所述轴力监测器1被构造为监测所述管道2的轴向力。优选地，当所述管道2的中间的横截面为断层作用面时，多个所述承压结构3均匀分布在所述管道2中间的横截面的两侧。

根据本发明的一种实施方式，如图1所示，提供了一种模拟管道穿越走滑断层的试验装置，所述研究装置主要包括：

承压结构3，固定钢架4，支撑钢架5，试验用管道2，轴力监测器1，监测器支撑架6。

承压结构3沿管道2的轴向依次分布，其一端通过对试验管道2施加拉力来模拟管道所受的断层作用力，另一端与固定钢架4连接，固定钢架4处施加拉力。试验管道2两端通过监测器支撑架6约束侧向及轴向移动，监测器支撑架6同时支撑轴力监测器1，支撑钢架5支撑管道的中部。

承压结构3被设计为带有环状中间受力体，该环状中间受力体在对试验管道2施力过程中两侧均受压，如此设计是为了真实模拟土壤受力情况。在走滑断层的作用下，由于土壤本身具有一定的抗剪强度，土壤对管道的作用力是一种缓冲力，这种缓冲力对管道的力学作用与承压件在受压状态下对管道的力学作用的变化规律相似。

在一个优选实例中，承压结构3沿试验管道2中心水平轴线依次分布并与试验管道中心轴线垂直，一侧通过所述柔性带311半包围所述试验管道2，另一侧通过所述第二连接件334连接所述固定钢架4，固定钢架4的水平轴线与第二连接件334的中心线垂直，通过第二连接件334、第一连接件313和柔性带311拖动试验管道以模拟管道所受的断层作用力。

在一个优选实例中，试验管道2的末端与监测器支撑架6连接，通过监测器支撑架6与轴力监测器1组成组合件，监测器支撑架6用于约束试验管道2侧向及轴向移动。

在一个优选实例中，支撑钢架5沿纵向放置在试验管道中部底端，用于支撑试验管道2，支撑钢架5的轴向中心线与试验管道2的轴线垂直。

在一个优选实例中，试验管道2的两端与监测器支撑架6连接，支撑钢架5垂直于管道2的轴向，放置在试验管道2的中间下方，以作支撑。

在一个优选实例中，试验管道2中间的横截面为断层作用面，也就是断层作用面与支撑钢架5轴向中间线在一个平面上，多个承压结构3均匀分布在断层作用面两侧，受压侧的试验管道2通过承压结构3施加拉力代替其受到的断层作用压力。

在一个优选实例中，如图3a、3b所示，所述的承压结构3包括：柔性带311；第三均布载荷梁312；第一连接件313；第一螺丝314；第二螺丝315；木板316；第三螺丝317；第一立柱321；第一直角构件322；第一滑轮323；钢环331；第一均布载荷梁332；第二均布载荷梁333；第二连接件334；第四螺丝335；第二直角构件336；均布载荷梁337；第二立柱341；第二滑轮342；第三直角构件-35；支撑架36。

在一个优选实例中，第一连接件313一端穿过第一载荷均布梁332和钢环331，通过第三螺丝317固定在第二均布载荷梁333上，并穿过第二立柱341上下两个直角构件，另一端通过螺丝帽固定在第三均布载荷梁312(上下各有一个，共两个均布载荷梁)上。第一连接件313将第二连接件334传递给承压结构331的力传递给均布载荷梁312。均布载荷梁312用于将支撑架传递的集中力均匀传递到柔性带311上。柔性带311从管道另一侧绕半圈后一端通过螺丝帽和木块垫片固定在上侧的第三均布载荷梁312中，另一端以同样的方式固定在下侧的第三均布载荷梁312中，柔性带311用于将均布载荷梁传递的均匀分布力紧密均匀地作用在试验管道2的外壁上。

在一个优选实例中，第二连接件334一端依次穿过第四载荷均布梁333、钢环331、第一载荷均布梁332，通过第四螺丝335固定在第一载荷均布梁332上，另一端通过均布载荷梁337固定在固定钢架4上，固定钢架4与拉力器连接，第二连接件334用于将拉力器施加的作用力传递到钢环331上，钢环331再将力传递给第一连接件313。

在一个优选实例中，第一连接件313穿过第一立柱321上的上下两个第一直角构件322，且在第一直角构件322水平方向不可相互移动。第二连接件334分别用第二直角构件336固定位于第二立柱341的上部和下部，其在竖直方向固定，在水平方向均不可相对移动。第一立柱321和第二立柱341用于将第一连接件313和第二连接件334保持在一个竖直平面上，将第一连接件313和第二连接件334传递的作用力尽可能垂直于试验管道2的纵向轴线。

在一个优选实例中，承压结构3的钢环壁厚、钢材类型、承压结构3之间的间距由试验管道2在不同断层作用力下的两种有限元模型的结果进行对比后，再通过公式计算决定。

在一个优选实例中，所述第一立柱321和所述第二立柱341底端装有滑轮，可用于记录承压结构331的径向变形。

如图2所示，试验管道2可由两个相同的焊接法兰盘21和试验管道本体20组成。

如图3a、3b所示，承压结构3通过第三均布载荷梁312和柔性带311对试验管道2施加拉力来模拟管道所受的断层作用力，柔性带311的末端夹在上下两侧的第三均布载荷梁312中间，通过第一螺丝314固定，并可使用木板316填充同一均布载荷梁上下夹持面之间的间隙，当试验管道2的直径或壁厚需要较小的调整时，可调节木板316的厚度来实现各元件间连接的稳定性。

连接在第一均布载荷梁332和第三均布载荷梁312之间的第一连接件313，其一端通过第二螺丝315固定，另一端依次穿过第一均布载荷梁332、钢环331上的钢环过孔、第二均布载荷梁333和第三直角构件35，并通过第三螺丝317固定在第二均布载荷梁333的外壁上。第三直角构件35在竖直方向和水平方向上均允许移动。第一立柱321上的两个相同的第一直角构件322竖直方向和水平方向均焊接固定，第一立柱321底端为第一滑轮323，用于记录钢环331的变形大小并支撑承压结构3。

钢环331与试验管道2、钢环331与固定钢架4之间相互垂直放置，钢环331径向两侧各打四个对称且相同的钢环过孔，第二连接件334一端依次穿过第二均布载荷梁333、钢环过孔和第一均布载荷梁332，通过第四螺丝335固定在第一均布载荷梁332外壁上。连接在第二连接件334和第二立柱341上的第二直角构件336竖直方向和水平方向均焊接固定。第二连接件334另一端穿过均布载荷梁337，并固定在均布载荷梁337上。固定钢架4与拉力器连接。第二立柱341底端连接第二滑轮342，用于记录钢环331的变形大小并支撑承压结构3。支撑架36由四个均布载荷梁和四个支柱组成，用于稳固第二连接件334和固定钢架4之间的连接。

如图4所示，轴力监测器1由法兰连接头11，球状铰接头12，液压油缸13和液压参数采集装置(图上未示出)构成。试验管道2两端的法兰盘21与法兰连接头11进行螺栓连接。试验过程中打开轴向监测器1并由液压参数采集装置对管道的轴向应力进行实时记录。

如图5所示，支撑钢架5用于支撑管道中部。

如图6a、6b所示，监测器支撑架6用于约束试验管道2的侧向移动并支撑液压油缸13。

如图7a、7b所示为本发明一实施例固定钢架的结构示意。

本公开上述实施例与传统的土箱实验装置、离心实验装置相比，可用于模拟穿越不同断层位移的管道的受力情况和管土相互作用。该装置利用承压结构来模拟穿越走滑断层的长输管道与土壤之间的相互作用，通过调整承压结构的个数和间距可以模拟不同走滑断层作用力下对管道与土壤之间的相互作用，通过调整承压结构的直径、壁厚和钢级可以模拟走滑断层作用下不同类型的土壤对管道的作用力，采用承压结构代替土箱结构来模拟管土之间的相互作用拆卸方便，解决了现有的长输管道穿越走滑断层的实验装置成本高，实验结果与实际相差大的问题。

本发明承压结构的设计步骤具体为：

步骤1：计算土壤的极限抗力和屈服位移，并确定回填土土壤类型和土壤的内摩擦角、内聚力、容重。

土壤的极限抗力和屈服位移采用ALA《管道设计导则》中的计算方法。回填土类型包括密砂、松砂、硬粘土和松粘土。

步骤2：确定试验管道2的管道参数。

管道参数包括管材应力-应变关系曲线、管径、壁厚、工作压力、弹性模量等。管材应力-应变曲线可以通过实验测得，用Ramberg-Osgood(兰贝格-奥斯古德)方程拟合。试验管件外径优选范围为200mm-400mm。

步骤3：建立管道穿越走滑断层的半连续型有限元模型，并利用获取的管道参数对有限元模型进行参数化处理，计算出试验管道2在断层作用力下的应变值和土弹簧的极限抗力F_ring；ideal。

利用有限元软件建立有限元模型。在建立有限元模型中，通过非线性弹簧(SPRING2)单元将土壤节点和管道节点连接起来。将土壤的极限抗力和屈服位移、试验管道2的管道参数引入有限元模型，实现对有限元模型的参数化处理。半连续型有限元模型计算出的试验管道2的应变值作为试验的理想值，用于与离散型的管土相互作用模型的结果作对比。半连续型有限元模型计算出的试验管道2所受的土壤作用力为连续的土压力，将连续的土压力集中在承压结构初步估计的位置，设此集中力为土弹簧极限抗力F_ring；ideal，用于设计承压结构的间距。

步骤4：初步估计承压结构的间距L_ref，并计算出土壤侧向极限抗力q_he。

以6个承压结构3在断层一侧的试验管道2上的位置为例，承压结构的间距L_ref的计算公式、土壤侧向极限抗力q_he和土弹簧极限抗力F_ring；ideal的关系式为：

F_ring；ideal＝L_refq_he

其中，x_i为钢环的位置(i＝1,2,3,4,5,6)，L_stirred是由于断层附近土壤的松动而使管道不受土壤压力作用的长度。在装置试验中使用的典型值是500和700毫米。

步骤5：建立管道穿越走滑断层的离散型有限元模型，并利用获取的管道参数对有限元模型进行参数化处理，计算出试验管道2在断层作用力下的应变值和土弹簧的极限抗力F_ring。

利用有限元软件建立有限元模型。在建立有限元模型中，通过非线性弹簧(SPRING2)单元将土壤节点和管道节点连接起来。土壤侧向极限抗力q_he和屈服位移以及承压结构间距L_ref，作为离散型管土相互作用模型的输入参数。土壤和试验管道的其他属性参数与半连续型管土相互作用模型相同。计算离散型管土相互作用模型，得到管道的应变值。

步骤6：将两种模型得到的管道应变值进行对比，通过迭代计算不断调整承压结构的间距值，使离散模型计算出的管道应变值趋近于半连续型模型。

步骤7：当离散模型计算出的管道应变值与半连续模型计算出的管道应变值相近时，则将此时的承压结构3间距值L_ref'以及由离散模型计算出的土弹簧极限抗力F_ring作为设计试验装置中钢环331的物理参数的依据，设计公式如下：

M_wall＝0.25Lt²σ_y

其中，σ_y为钢环331的屈服应力；L为钢环331的长度；t为钢环331的壁厚；b为钢环331左右两侧的均布载荷梁的宽度；r为钢环331的半径；M_wall为钢环331的塑性弯矩承载力；EI_wall为钢环331的弯曲刚度，u_ring为钢环的径向变形值，即为滑轮记录值。

应用本发明实施方式的装置时，在断层作用面两侧各分布一组承压结构，每组承压结构包括6个承压件，具体放置位置见图1，其中每组承压结构中距离断层作用面较近的4个承压件受到的拉力器的方向相反，每组承压结构中距离断层作用面较远的2个承压件受到的拉力器的方向相反，且与同组的另外4个承压件的受力方向相反。

采用离散型有限元模型的管道应变值趋近于半连续型有限元模型时承压结构的间距值L_ref'作为各个承压结构的间距值，布置承压结构沿管道轴向的间距。

具体试验步骤如下：

将承压结构中的各元件摆放在预定的位置，试验管件中心轴线保持在断层作用面的垂直轴线上；

将应变片均沿试验管件纵向放置于试验管件内外，在试验管件的四个象限均匀分布，并在断层作用面附近集中加密放置；

将压力传感器连接在承压结构左右两侧的均布载荷梁上；

对试验管件施加10KN的力进行预拉伸，固定住试验管件，并激活测试系统；

使用水和水泵对试验管件施加内部压力；

将所有承压结构用约5KN的力预拉伸；

通过拉力器将断层位移以10mm为步长施加到固定钢架上；同时，在轴向方向通过拉力器对试验管件施加轴向力以限制试验管件的轴向和侧向运动。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中实施例的各零部件、装置都是可以有所变化的，各实施方式都可根据需要进行组合或删减，附图中并非所有部件都是必要设置，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所述的这些实施例，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种模拟管道穿越走滑断层的试验装置，其特征在于，所述试验装置包括承压结构，所述承压结构被构造为能对所述管道施加拉力，所述承压结构包括：

承压件，所述承压件被构造为具有抗压的特性，其能在对所述管道施力时产生压缩形变，能通过调节其结构参数使其在受到压力时结构的应力应变关系与土体相似；

第一端，所述第一端的一侧连接所述管道，另一侧以能够施压的方式连接所述承压件的第二侧；

第二端，所述第二端的一侧以连接拉力，另一侧以能够施压的方式连接所述承压件的第一侧；

所述承压件的第一侧和所述第二侧的受压方向相反，所述受压方向与所述拉力的方向平行；

所述第一端包括柔性带，所述柔性带以卷绕的形式连接所述管道的外周壁；

所述第一端还包括第二均布载荷梁，该第二均布载荷梁设置于所述承压件的第二侧，该第二均布载荷梁连接所述柔性带；所述第二端还包括第一均布载荷梁，该第一均布载荷梁设置于所述承压件的第一侧，该第一均布载荷梁连接拉力施加件；

所述第一端还包括第一连接件，所述第一连接件的一端连接所述柔性带，另一端连接所述第二均布载荷梁，所述第一连接件的所述另一端穿过所述承压件的第一侧到达所述第二侧的第二均布载荷梁处；所述第二端还包括第二连接件，所述第二连接件的一端连接所述拉力施加件，另一端连接所述第一均布载荷梁，所述第二连接件的所述另一端穿过所述承压件的第二侧到达所述第一侧的第一均布载荷梁处；

所述第一连接件和所述第二连接件各自包括上下平行的两组，所述第一连接件的上下两组分别与所述柔性带的上下卷绕的两端连接，所述第一端还包括第一支撑组件，所述第一支撑组件连接所述第一连接件的上下两组，所述第一支撑组件包括第一底部滚动元件；所述第二端还包括第二支撑组件，所述第二支撑组件连接所述第二连接件的上下两组，所述第二支撑组件活动穿过所述第一连接件的上下两组，所述第二支撑组件包括第二底部滚动元件；所述第一端还包括均布调节组件，所述均布调节组件连接所述柔性带与所述第一连接件，以使所述柔性带的受力均匀且能调节所述柔性带的上下两端间的距离。

2.根据权利要求1所述的模拟管道穿越走滑断层的试验装置，其特征在于，所述承压件为钢管。

3.根据权利要求1所述的模拟管道穿越走滑断层的试验装置，其特征在于，所述柔性带为弹性钢带。

4.根据权利要求1至3任一项所述的模拟管道穿越走滑断层的试验装置，其特征在于，所述装置还包括支撑部件，所述支撑部件被构造为支撑所述管道；所述承压结构沿所述管道的中心水平轴线依次分布若干组，每组沿拉力方向与所述管道的中心轴线垂直；所述支撑部件包括端部支撑组件和中间支撑组件，所述端部支撑组件在所述管道的端部支撑所述管道，限定所述管道的轴向和侧向的自由度；所述中间支撑组件支撑于所述管道的中部下方；所述端部支撑组件包括监测器支撑架和轴力监测器，所述监测器支撑架支撑所述管道与所述轴力监测器，所述轴力监测器被构造为监测所述管道的轴向力；当所述管道的中间的横截面为断层作用面时，多个所述承压结构均匀分布在所述管道中间的横截面的两侧。

5.一种设计权利要求1至4任一项所述试验装置的方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、根据确定的回填土土壤类型和土壤的特性计算出土壤的极限抗力和屈服位移；

S2、建立管道穿越走滑断层的半连续型有限元模型，并利用获取的所述管道的参数对该有限元模型进行参数化处理，计算出该管道在断层作用力下的应变值和土弹簧的极限抗力

；

S3、初步估计施加于所述管道的多组承压结构间的间距

，并计算出土壤侧向极限抗力；

S4、建立所述管道穿越走滑断层的离散型有限元模型，并利用获取的管道参数对该离散型有限元模型进行参数化处理，计算出所述管道在断层作用力下的应变值和土弹簧的极限抗力

；

S5、将所述半连续型有限元模型和离散型有限元模型得到的管道应变值进行对比，通过迭代计算不断调整承压结构的间距值，使所述离散型有限元模型计算出的管道应变值趋近于半连续型模型的管道应变值；

S6：当所述离散型有限元模型计算出的管道应变值与所述半连续型有限元模型计算出的管道应变值相近时，则将此时的承压结构的间距值

以及由离散模型计算出的土弹簧极限抗力/>

作为设计所述试验装置的物理参数的依据。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，设计所述承压件的参数时，使得所述土弹簧极限抗力

对应所述承压件的屈服极限的塑性弯矩承载力。

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