CN113008496B - 一种埋土充压管道错动载荷作用下性能评估的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种埋土充压管道错动载荷作用下性能评估的实验方法，其采用埋土充压管道错动载荷作用下性能评估的试验装置，该试验装置包括可分离式箱体、加载组件、充压组件以及数据采集组件；该实验方法包括以下步骤：(1)调整可分离式箱体的长度；(2)安装布置管道；(3)安装数据采集组件；(4)通过加载组件实施加载；(5)数据采集。本发明可通过加载组件实现单独轴向拉/压荷载、有轴拉/压的斜向错动加载、无轴拉/压的斜向错动加载3类工况的试验，并基于试验测定、数据采集等，可实现对地震作用下管道三维空间行为进行准确、便捷地测定。

Description

一种埋土充压管道错动载荷作用下性能评估的实验方法

技术领域

本发明涉及一种模拟充压管道在地震作用下动力行为预测的实验方法，尤其涉及一种埋土充压管道错动载荷作用下性能评估的实验方法。

背景技术

充压管道在地震作用下的动力行为是关乎管道安全和环境安全的重要工程问题，是力学分析模型建立、管道全寿命设计和灾害预测的重要依据。现有技术中，尚无成熟的、专用于充压管道在地震往复载荷作用下行为识别和关键影响因素对比和识别的试验装置及实验方法。实验人员在测试管道在地震作用下的试验过程中，通常借用类似混凝土柱的静力实验方法开展，此类实验通过一个垂直于管道跨度方向的加载装置缓慢施加横向剪力于单根管道端部壁面，并在加载过程中记录其剪力-侧移关系。然而，这种实验方法无法真实体现管道在经历地震激励过程中出现的挠动方向随机性，也无法充分考察和对比管道内部内充介质类型和压力水平对管道在往复载荷作用下的响应特点，进而导致管道整体响应行为的预测失真和影响因素考察的错误，无法准确反映该类管道在地震作用下性能的主要特征。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种埋土充压管道错动载荷作用下性能评估的实验方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种埋土充压管道错动载荷作用下性能评估的实验方法，其采用埋土充压管道错动载荷作用下性能评估的试验装置，该试验装置包括可分离式箱体、加载组件、充压组件以及数据采集组件；

所述可分离式箱体包括固定端箱体和滑动端箱体；固定端箱体为组合式，包括固定结构件和能够相对于固定结构件轴向来回调整的滑动结构件，固定结构件的底部与支架固定连接，滑动结构件内嵌于固定结构件中，在滑动结构件的两侧开设有若干水平方向的第一条形槽，在固定结构件的两侧与滑动结构件的第一条形槽对应位置处设置有若干第一内螺纹孔，当滑动结构件沿固定结构件水平滑动至合适位置后，通过第一螺栓穿过第一条形槽后拧入固定结构件对应的第一内螺纹孔中以实现滑动结构件与固定结构件的固定连接；

所述滑动端箱体也为组合式，包括斜向加载件和能够相对于斜向加载件轴向来回调整的横向加载件，横向加载件内嵌于斜向加载件中，在横向加载件的两侧开设有若干水平方向的第二条形槽，在斜向加载件的两侧与横向加载件的第二条形槽对应位置处设置有若干第二内螺纹孔，当横向加载件沿斜向加载件水平滑动至合适位置后，通过第二螺栓穿过第二条形槽后拧入斜向加载件对应的第二内螺纹孔中以实现横向加载件与斜向加载件的固定连接；

在可分离式箱体的内部穿过有管道，其中固定端箱体位于管道的一端，滑动端箱体位于管道的另一端，且固定端箱体与滑动端箱体相分离；在固定端箱体的内部、滑动端箱体的内部以及固定端箱体与滑动端箱体之间的空间中均填充有将管道埋设的土体；

所述加载组件包括作动器、加载架和直线导轨，所述作动器包括横向加载作动器、第一斜向加载作动器和第二斜向加载作动器，所述加载架包括横向加载架和斜向加载架，所述直线导轨包括横向直线导轨和竖向直线导轨；

所述横向加载作动器的伸缩杆与横向加载架的一端连接，横向加载架的另一端与滑动端箱体的横向加载件相连接，横向加载作动器的根部设置有第一滑块，第一滑块安装在竖向直线导轨上；

所述斜向加载架共设置两个，分别为第一斜向加载架和第二斜向加载架，第一斜向加载作动器的伸缩杆与第一斜向加载架的上部连接，第一斜向加载架的下部与滑动端箱体的斜向加载件的底部一端连接，第二斜向加载作动器的伸缩杆与第二斜向加载架的上部连接，第二斜向加载架的下部与滑动端箱体的斜向加载件的底部另一端连接；在第一斜向加载作动器和第二斜向加载作动器的根部均设置有第二滑块，第二滑块安装在横向直线导轨上；

所述充压组件包括压力泵站，压力泵站通过高压软管与管道的充压端连接，管道的另一端为测量端；

所述数据采集组件包括压力传感器、非接触式三维应变光学测量系统(DIC)、电磁流量计、动态采集仪及计算机终端；所述压力传感器安装在管道的测量端，所述非接触式三维应变光学测量系统共设置两台，分别为一台用于从可分离式箱体上方监测土体变形的顶部非接触式三维应变光学测量系统，和一台用于从可分离式箱体一侧监测箱体位移的侧向非接触式三维应变光学测量系统；所述电磁流量计安装在管道上；所述压力传感器、非接触式三维应变光学测量系统和电磁流量计均通过信号线与动态采集仪及计算机终端通讯连接；

该实验方法具体包括以下步骤：

(1)调整可分离式箱体的长度；

将固定端箱体的固定结构件固定在支架上，将滑动结构件沿固定结构件水平滑动至合适位置，然后将第一螺栓穿过第一条形槽后拧入固定结构件对应的第一内螺纹孔中固定；

将滑动端箱体的横向加载件沿斜向加载件水平滑动至合适位置后，通过第二螺栓穿过第二条形槽后拧入斜向加载件对应的第二内螺纹孔中固定；

(2)安装布置管道；

将管道布置于可分离式箱体的内部，并在可分离式箱体中填土，以将管道埋设；管道的充压端通过高压软管与压力泵站连接；

(3)安装数据采集组件；

在管道的测量端安装压力传感器，在管道上安装电磁流量计；在可分离式箱体上方安装顶部非接触式三维应变光学测量系统，在可分离式箱体一侧安装侧向非接触式三维应变光学测量系统；并将压力传感器、电磁流量计、顶部非接触式三维应变光学测量系统和侧向非接触式三维应变光学测量系统分别通过信号线与动态采集仪及计算机终端连接；

(4)通过加载组件实施加载；

通过第一斜向加载作动器、第二斜向加载作动器和横向加载作动器的组合，实现单独轴向拉/压荷载、有轴拉/压的斜向错动加载、无轴拉/压的斜向错动加载3类工况的试验；

当需要进行单独轴向拉/压加载试验时，首先将第一斜向加载作动器和第二斜向加载作动器调至竖直方向，然后松开但不取下滑动端箱体两侧边的所有第二螺栓，以使横向加载件可以沿斜向加载件在管道轴线方向水平滑动，但横向加载件与斜向加载件之间不发生相对竖向位移；启动横向加载作动器施加轴向拉/压荷载；

当需要进行有轴拉/压的斜向错动加载试验时，首先将第一斜向加载作动器和第二斜向加载作动器调至倾斜方向，然后松开但不取下滑动端箱体两侧边的所有第二螺栓，以使横向加载件可以沿斜向加载件在管道轴线方向水平滑动，但横向加载件与斜向加载件不发生相对竖向位移；再将所述横向加载作动器与横向加载架进行连接，先对管道施加横向荷载，达到预定值后保持不变，继续启动第一斜向加载作动器和第二斜向加载作动器施加错动荷载，在滑动端箱体沿加载滑道滑动时，横向加载作动器随滑动端箱体上下滑动，并同时伸出或回缩伸缩杆以维持荷载值不变；

当需要进行无轴拉/压的斜向错动加载试验时，滑动端箱体两侧边的所有第二螺栓不松开；所述横向加载作动器不与横向加载架连接，通过第一斜向加载作动器和第二斜向加载作动器施加荷载；

(5)数据采集；

在加载组件对管道实施加载过程中，分别通过压力传感器、电磁流量计、顶部非接触式三维应变光学测量系统和侧向非接触式三维应变光学测量系统实时测量，并通过信号线将测量数据传输至动态采集仪及计算机终端。

优选的，该试验装置还包括用以调整斜向加载角度的角度调节组件；在通过加载组件实施加载之前，需先通过角度调节组件调整加载组件的位置及加载角度；

所述角度调节组件在可分离式箱体的两侧均有布置，且呈对称分布；角度调节组件包括加载滑道和角度调节滑槽，加载滑道包括直线滑轨和能够沿直线滑轨移动的滑动杆，在滑动杆的一侧设置有第三滑块，第三滑块安装在直线滑轨上；

所述直线滑轨的底部与固定转轴连杆的一端转动连接，固定转轴连杆设置在固定端箱体的固定结构件底部；

所述角度调节滑槽包括第一角度调节滑槽和第二角度调节滑槽，第一角度调节滑槽布置在支架上，在第一角度调节滑槽和直线滑轨之间设置有第一连杆，第一连杆的一端与直线滑轨的中部铰接，第一连杆的另一端设置有第四滑块，第四滑块安装在第一角度调节滑槽上；

所述第二角度调节滑槽布置在滑动端箱体的底部一侧，第二角度调节滑槽的一端与第一支撑杆的一端连接，第二角度调节滑槽的另一端与第二支撑杆的一端连接，第一支撑杆和第二支撑杆分别与滑动端箱体相垂直，且第一支撑杆和第二支撑杆分别布置在滑动端箱体的斜向加载件底部两端；第一支撑杆的两端对应与第一斜向加载架的底部两端转动连接，第二支撑杆的两端对应与第二斜向加载架的底部两端转动连接；

在滑动端箱体的底部且靠近第一支撑杆位置处平行布置有滑动转轴连杆，滑动转轴连杆的端部与滑动杆的底部转动连接；

所述第二角度调节滑槽包括平行布置的两个滑槽，分别为内滑槽和外滑槽，在内滑槽和滑动杆之间设置有第二连杆，第二连杆的一端与滑动杆的上部铰接，第二连杆的另一端设置有第五滑块，第五滑块安装在内滑槽上；在外滑槽和第一斜向加载架之间设置有第三连杆，第三连杆的一端与第一斜向加载架的中下部铰接，第三连杆的另一端设置有第六滑块，第六滑块安装在外滑槽上，在外滑槽和第二斜向加载架之间设置有第四连杆，第四连杆的一端与第二斜向加载架的中下部铰接，第四连杆的另一端设置有第七滑块，第七滑块也安装在外滑槽上；

所述第一斜向加载作动器和第二斜向加载作动器的根部对应与所连接的第二滑块转动连接；

所述第一滑块、第二滑块、第三滑块、第四滑块、第五滑块、第六滑块和第七滑块上均设置有用于将滑块锁紧固定的锁紧螺栓；

通过分别调整第一连杆上的第四滑块在第一角度调节滑槽上的位置，第二连杆上的第五滑块在内滑槽上的位置，第三连杆上的第六滑块在外滑槽上的位置，以及第四连杆上的第七滑块在外滑槽上的位置，并通过锁紧螺栓固定，来调整加载滑道、第一斜向加载架和第二斜向加载架的位置及倾斜角度。

优选的，在第一斜向加载作动器和横向直线导轨之间设置有第五连杆，第五连杆的一端与第一斜向加载作动器铰接，第五连杆的另一端连接有第八滑块，第八滑块安装在横向直线导轨上；在第二斜向加载作动器和横向直线导轨之间设置有第六连杆，第六连杆的一端与第二斜向加载作动器铰接，第六连杆的另一端连接有第九滑块，第九滑块安装在横向直线导轨上；

通过分别调整第五连杆上的第八滑块在横向直线导轨上的位置，以及第六连杆上的第九滑块在横向直线导轨上的位置，来调整第一斜向加载作动器和第二斜向加载作动器的位置及倾斜角度。

优选的，可分离式箱体中填土将管道埋设采用如下步骤：根据模拟场地选择土的类别，先在可分离式箱体中填充土层至目标位置，夯实至目标密实度；然后沿可分离式箱体长度方向布置管道，再在管道上部布置埋土层，并夯实至目标密实度。

优选的，所述可分离式箱体的内部设置有竖向隔板，竖向隔板将可分离式箱体的内部分隔成若干个独立空间，所述管道设置多根，在每个独立空间中均有布置；

通过各个独立空间能够实现各管道处于不同埋土深度、不同土体性质及不同密实度下的实验情况，以对比不同埋置情况的管道在相同外部荷载下的响应行为差异。

本发明的有益技术效果是：

本发明提出一种埋土充压管道错动载荷作用下性能评估的实验方法，该方法可通过加载组件实现单独轴向拉/压荷载、有轴拉/压的斜向错动加载、无轴拉/压的斜向错动加载3类工况的试验，并基于试验测定、数据采集等，可实现对地震作用下管道三维空间行为进行准确、便捷地测定。

附图说明

图1为本发明实验方法的流程图；

图2为本发明实验方法所涉及试验装置的整体示意图；

图3为试验装置斜向错动加载示意图；

图4为试验装置增加隔板示意图；

图5为试验装置轴向加载示意图；

图6为试验装置中角度调节组件示意图；

图7为角度调节组件第一细部图；

图8为角度调节组件第二细部图；

图9为试验装置中固定端箱体分解示意图；

图10为滑动端箱体分解示意图；

图11为管道充压端密封组件分解示意图；

图12为管道测量端密封组件分解示意图；

图13示出模拟地震作用加载方案，其中a为单调加载，b为往复加载；

图14示出管道试验前后构型对比；

图15为管道变形分解示意图。

图中：1-固定端箱体，101-固定结构件，102-滑动结构件，103-第一条形槽，104-第一内螺纹孔，105-第一螺栓，2-滑动端箱体，201-斜向加载件，202-横向加载件，203-第二条形槽，204-第二内螺纹孔，205-第二螺栓，3-支架，4-管道，5-横向加载作动器，6-第一斜向加载作动器，7-第二斜向加载作动器，8-横向加载架，9-第一斜向加载架，10-横向直线导轨，11-竖向直线导轨，12-第一滑块，13-第二斜向加载架，14-第二滑块，15-压力泵站，16-压力传感器，17-电磁流量计，18-动态采集仪，19-计算机终端，20-顶部DIC，21-侧向DIC，22-信号线，23-加载滑道，2301-直线滑轨，2302-滑动杆，24-第三滑块，25-固定转轴连杆，26-第一角度调节滑槽，27-第二角度调节滑槽，2701-内滑槽，2702-外滑槽，28-第一连杆，29-第四滑块，30-滑动转轴连杆，31-第二连杆，32-第五滑块，33-第三连杆，34-第六滑块，35-第四连杆，36-第七滑块，37-第五连杆，38-第六连杆，39-坡面，40-第一弧形挡板，41-第二弧形挡板，42-竖向隔板，43-独立空间，44-锁紧螺栓，45-第一快接母头，46-第一快接公头，47-高压球阀，48-第一卡套公头，49-第一密封卡环，50-第一卡套母头，51-第二卡套母头，52-第二密封卡环，53-第二卡套公头，54-对丝，55-第二快接公头，56-第二快接母头，57-位移计，58-高压软管，59-液压卡盘。

具体实施方式

结合附图，一种埋土充压管道错动载荷作用下性能评估的实验方法，采用埋土充压管道错动载荷作用下性能评估的试验装置，该试验装置包括可分离式箱体、加载组件、充压组件以及数据采集组件。

所述可分离式箱体包括固定端箱体1和滑动端箱体2。固定端箱体1为组合式，包括固定结构件101和能够相对于固定结构件轴向来回调整的滑动结构件102，固定结构件101为U形结构，左右两侧及顶部均敞口，滑动结构件102为抽屉状结构，顶部及一侧敞口。固定结构件101的底部与支架3的上部固定连接，支架3由型钢制成，下部固定在刚性地板上。滑动结构件102内嵌于固定结构件101中，滑动结构件102的尺寸略小于固定结构件101，在滑动结构件的两侧开设有若干水平方向的第一条形槽103，在固定结构件的两侧与滑动结构件的第一条形槽对应位置处设置有若干第一内螺纹孔104。当滑动结构件沿固定结构件水平滑动至合适位置后，通过第一螺栓105穿过第一条形槽后拧入固定结构件对应的第一内螺纹孔中以实现滑动结构件102与固定结构件101的固定连接。

所述滑动端箱体2也为组合式，包括斜向加载件201和能够相对于斜向加载件轴向来回调整的横向加载件202，同样的斜向加载件201为U形结构，左右两侧及顶部均敞口，横向加载件202为抽屉状结构，顶部及一侧敞口。横向加载件202的尺寸略小于斜向加载件201，横向加载件202内嵌于斜向加载件201中，在横向加载件202的两侧开设有若干水平方向的第二条形槽203，在斜向加载件的两侧与横向加载件的第二条形槽对应位置处设置有若干第二内螺纹孔204。当横向加载件沿斜向加载件水平滑动至合适位置后，通过第二螺栓205穿过第二条形槽后拧入斜向加载件对应的第二内螺纹孔中以实现横向加载件与斜向加载件的固定连接。

在可分离式箱体的内部穿过有管道4，其中固定端箱体位于管道4的一端，滑动端箱体位于管道4的另一端，且固定端箱体与滑动端箱体相分离。管道4的两端对应与可分离式箱体的两端固定连接。在固定端箱体的内部、滑动端箱体的内部以及固定端箱体与滑动端箱体之间的空间中均填充有将管道埋设的土体。

上述可分离式箱体的固定端箱体1和滑动端箱体2均为组合式，可通过调整各部分箱体的长度实现对不同长度管道及管道不同位置进行错动加载试验。

所述加载组件与可分离式箱体的滑动端箱体连接，加载组件包括作动器、加载架和直线导轨。所述作动器包括横向加载作动器5、第一斜向加载作动器6和第二斜向加载作动器7，所述加载架包括横向加载架8和斜向加载架，所述直线导轨包括横向直线导轨10和竖向直线导轨11。

所述横向加载作动器5的伸缩杆与横向加载架8的一端连接，横向加载架8的另一端与滑动端箱体的横向加载件202相连接，横向加载作动器5的根部设置有第一滑块12，第一滑块12安装在竖向直线导轨11上。

所述斜向加载架共设置两个，分别为第一斜向加载架9和第二斜向加载架13，第一斜向加载作动器6的伸缩杆与第一斜向加载架9的上部连接，第一斜向加载架9的下部与滑动端箱体的斜向加载件201的底部一端连接。第二斜向加载作动器7的伸缩杆与第二斜向加载架13的上部连接，第二斜向加载架13的下部与滑动端箱体的斜向加载件201的底部另一端连接。在第一斜向加载作动器和第二斜向加载作动器的根部均设置有第二滑块14，第二滑块14安装在横向直线导轨10上。

所述充压组件包括压力泵站15，压力泵站15通过高压软管58与管道4的充压端连接，管道4的另一端为测量端。通过压力泵站15可对每根管道分别内充液体或气体介质并分别施加不同的压力值。

所述数据采集组件包括压力传感器16、非接触式三维应变光学测量系统、电磁流量计17、动态采集仪18及计算机终端19。所述压力传感器16安装在每根管道的测量端，所述非接触式三维应变光学测量系统共设置两台，分别为一台用于从可分离式箱体上方监测土体变形的顶部非接触式三维应变光学测量系统，简称为顶部DIC 20，以及一台用于从可分离式箱体一侧监测箱体位移的侧向非接触式三维应变光学测量系统，简称为侧向DIC 21。所述电磁流量计17安装在管道的充压端，用于监测、记录充入管道内部的介质流量或流体体积。所述压力传感器16、顶部DIC 20、侧向DIC 21和电磁流量计17均通过信号线22与动态采集仪及计算机终端通讯连接。

该实验方法具体包括以下步骤：

(1)调整可分离式箱体的长度；

将固定端箱体的固定结构件101固定在支架3上，将滑动结构件102沿固定结构件101水平滑动至合适位置，然后将第一螺栓105穿过第一条形槽后拧入固定结构件对应的第一内螺纹孔中固定。

将滑动端箱体的横向加载件202沿斜向加载件201水平滑动至合适位置后，通过第二螺栓205穿过第二条形槽后拧入斜向加载件对应的第二内螺纹孔中固定。

(2)安装布置管道；

将管道布置于可分离式箱体的内部，并在可分离式箱体中填土，以将管道埋设；管道的充压端通过高压软管与压力泵站15连接。

(3)安装数据采集组件；

在管道的测量端安装压力传感器16，在管道上安装电磁流量计17；在可分离式箱体上方安装顶部DIC 20，在可分离式箱体一侧安装侧向DIC 21；并将压力传感器、电磁流量计、顶部DIC和侧向DIC分别通过信号线22与动态采集仪及计算机终端连接。

(4)通过加载组件实施加载；

通过第一斜向加载作动器6、第二斜向加载作动器7和横向加载作动器5的组合，实现单独轴向拉/压荷载、有轴拉/压的斜向错动加载、无轴拉/压的斜向错动加载3类工况的试验。

当需要进行单独轴向拉/压加载试验时，首先将第一斜向加载作动器6和第二斜向加载作动器7调至竖直方向，然后松开但不取下滑动端箱体两侧边的所有第二螺栓，以使横向加载件可以沿斜向加载件在管道轴线方向水平滑动，但横向加载件与斜向加载件之间不发生相对竖向位移。启动横向加载作动器施加轴向拉/压荷载。

当需要进行有轴拉/压的斜向错动加载试验时，首先将第一斜向加载作动器6和第二斜向加载作动器7调至竖直方向或相应角度的倾斜方向，然后松开但不取下滑动端箱体两侧边的所有第二螺栓，以使横向加载件可以沿斜向加载件在管道轴线方向水平滑动，但横向加载件与斜向加载件不发生相对竖向位移。再将所述横向加载作动器5与横向加载架8进行连接，先对管道施加横向荷载，达到预定值后保持不变，继续启动第一斜向加载作动器6和第二斜向加载作动器7施加错动荷载，在滑动端箱体沿加载滑道滑动时，横向加载作动器随滑动端箱体上下滑动，并同时伸出或回缩伸缩杆以维持荷载值不变。

当需要进行无轴拉/压的斜向错动加载试验时，滑动端箱体两侧边的所有第二螺栓不松开；所述横向加载作动器5不与横向加载架8连接，通过第一斜向加载作动器6和第二斜向加载作动器7施加荷载。

(5)数据采集；

在加载组件对管道实施加载过程中，分别通过压力传感器16、电磁流量计17、顶部DIC 20和侧向DIC 21实时测量，并通过信号线22将测量数据传输至动态采集仪18及计算机终端19。

作为对本发明的进一步设计，该试验装置还包括用以调整斜向加载角度的角度调节组件；在通过加载组件实施加载之前，需先通过角度调节组件调整加载组件的位置及加载角度。通过角度调节组件可始终保持加载方向与加载滑道平行。

所述角度调节组件在可分离式箱体的两侧均有布置，且呈对称分布。角度调节组件包括加载滑道23和角度调节滑槽，加载滑道23包括直线滑轨2301和能够沿直线滑轨移动的滑动杆2302，在滑动杆2302的一侧设置有第三滑块24，第三滑块24安装在直线滑轨2301上。

第三滑块24可设置多个，且沿直线滑轨2301间隔布置。进一步的可在第三滑块的内部与直线滑轨接触位置设置有钢滚珠，以进一步减小滑动时的摩擦力。

所述直线滑轨2301的底部与固定转轴连杆25的一端转动连接，固定转轴连杆25设置在固定端箱体的固定结构件101底部，固定转轴连杆25与另一侧角度调节组件的直线滑轨底部转动连接。

所述角度调节滑槽包括第一角度调节滑槽26和第二角度调节滑槽27，第一角度调节滑槽26布置在支架3上，在第一角度调节滑槽26和直线滑轨2301之间设置有第一连杆28，第一连杆28的一端与直线滑轨的中部铰接，第一连杆的另一端设置有第四滑块29，第四滑块29安装在第一角度调节滑槽26上。

所述第二角度调节滑槽27布置在滑动端箱体2的底部一侧，第二角度调节滑槽27的一端与第一支撑杆28的一端连接，第二角度调节滑槽27的另一端与第二支撑杆29的一端连接，第一支撑杆28和第二支撑杆29分别与滑动端箱体2的伸展方向相垂直，且第一支撑杆28和第二支撑杆29分别布置在滑动端箱体的斜向加载件201底部两端。相应的，在滑动端箱体2的另一侧也设置有第二角度调节滑槽，第一支撑杆和第二支撑杆的另一端均分别连接另一第二角度调节滑槽的左右两端。第一支撑杆28的两端对应与第一斜向加载架9的底部两端转动连接，第二支撑杆29的两端对应与第二斜向加载架13的底部两端转动连接。

在滑动端箱体的底部且靠近第一支撑杆位置处平行布置有滑动转轴连杆30，滑动转轴连杆30的端部与滑动杆2302的底部转动连接。

所述第二角度调节滑槽包括平行布置的两个滑槽，分别为内滑槽2701和外滑槽2702，在内滑槽2701和滑动杆之间设置有第二连杆31，第二连杆31的一端与滑动杆的上部铰接，第二连杆的另一端设置有第五滑块32，第五滑块32安装在内滑槽2701上。在外滑槽和第一斜向加载架之间设置有第三连杆33，第三连杆33的一端与第一斜向加载架9的中下部铰接，第三连杆的另一端设置有第六滑块34，第六滑块34安装在外滑槽2702上。在外滑槽和第二斜向加载架13之间设置有第四连杆35，第四连杆35的一端与第二斜向加载架的中下部铰接，第四连杆的另一端设置有第七滑块36，第七滑块36也安装在外滑槽2702上。

所述第一斜向加载作动器6和第二斜向加载作动器7的根部对应与所连接的第二滑块14转动连接。在第一斜向加载作动器6和横向直线导轨10之间设置有第五连杆37，第五连杆37的一端与第一斜向加载作动器6铰接，第五连杆37的另一端连接有第八滑块，第八滑块安装在横向直线导轨上。在第二斜向加载作动器7和横向直线导轨10之间设置有第六连杆38，第六连杆38的一端与第二斜向加载作动器7铰接，第六连杆38的另一端连接有第九滑块，第九滑块安装在横向直线导轨上。

所述第一滑块、第二滑块、第三滑块、第四滑块、第五滑块、第六滑块、第七滑块、第八滑块和第九滑块上均设置有用于将滑块锁紧固定的锁紧螺栓44。具体地，以上滑块由高强钢材制成，整体为中间带贯穿圆孔的长方体形状，通过锁紧螺栓与角度调节滑槽等连接。所述角度调节滑槽材质为高强钢材，中间沿长度方向具有长条形滑槽，滑槽宽度与滑块的圆孔及锁紧螺栓直径匹配。所述锁紧螺栓可穿过滑块和角度调节滑槽的滑槽并沿长条形滑槽滑动，滑至适当位置后可通过拧紧锁紧螺栓固定角度。

通过分别调整第一连杆28上的第四滑块在第一角度调节滑槽26上的位置，第二连杆31上的第五滑块在内滑槽2701上的位置，第三连杆33上的第六滑块在外滑槽2702上的位置，以及第四连杆35上的第七滑块在外滑槽上的位置，并通过锁紧螺栓固定，来调整加载滑道23、第一斜向加载架9和第二斜向加载架13的位置及倾斜角度。

通过分别调整第五连杆37上的第八滑块在横向直线导轨上的位置，以及第六连杆38上的第九滑块在横向直线导轨上的位置，来调整第一斜向加载作动器6和第二斜向加载作动器7的位置及倾斜角度。

进一步的，可分离式箱体中填土将管道埋设采用如下步骤：根据模拟场地选择土的类别，先在可分离式箱体中填充土层至目标位置，夯实至目标密实度；然后沿可分离式箱体长度方向布置管道，再在管道上部布置埋土层，并夯实至目标密实度。

更进一步的，所述可分离式箱体的内部设置有竖向隔板42，竖向隔板42将可分离式箱体的内部分隔成若干个独立空间43，所述管道设置多根，在每个独立空间中均有布置。通过各个独立空间等的结构布置可实现各管道处于不同埋土深度、不同土体性质及不同密实度下，同时进行试验，以对比不同埋置情况的管道在相同外部荷载下的响应行为差异。

作为对本发明方法所涉及试验装置的进一步设计，所述固定端箱体从靠近滑动端箱体一端的底部向另一端斜上方切割，形成坡面39。如坡面可与垂直方向呈70°的夹角，以配合不同角度斜向加载的实现，即当进行斜向加载时，由于坡面的设置，固定端箱体不会对滑动端箱体的斜上方运动造成影响。在固定端箱体形成坡面位置的两侧均设置有弧形挡板，弧形挡板包括相分离的第一弧形挡板40和第二弧形挡板41，第一弧形挡板40与加载滑道的直线滑轨2301相连接，第二弧形挡板41与加载滑道的滑动杆2302相连接。

更进一步的，所述第一螺栓105在第一内螺纹孔中拧紧后，第一螺栓的端部不伸出固定结构件的外表面。所述第二螺栓205在第二内螺纹孔中拧紧后，第二螺栓的端部不伸出斜向加载件的外表面。该结构布置可防止第一螺栓105和第二螺栓205的末端外露，以确保不会阻碍第一弧形挡板40和第二弧形挡板41的转动。

进一步的，在固定端箱体1与滑动端箱体2的底部之间沿管道轴向铺设有高弹橡胶薄板，以防止试验过程中土体洒落。

更进一步的，所述斜向加载架即第一斜向加载架9和第二斜向加载架13均呈U形，所述横向加载架8呈长方体框架形状，管道的测量端位于横向加载架的内部。

进一步的，所述管道的充压端设置有充压端密封组件，充压端密封组件包括依次连接的第一快接母头45、第一快接公头46、高压球阀47、第一卡套公头48、第一密封卡环49和第一卡套母头50，所述第一快接母头45与高压软管16连接，第一卡套母头50与管道4的端部连接，所述电磁流量计17布置在高压球阀47和第一卡套公头48之间。所述管道的测量端设置有测量端密封组件，测量端密封组件包括依次连接的第二卡套母头51、第二密封卡环52、第二卡套公头53、对丝54、第二快接公头55和第二快接母头56，第二卡套母头51与管道的端部连接，所述压力传感器19与第二快接母头56相连接。

具体地，钢制密封卡环内径不变且与管道外径一致，卡环外部从头部向底部带有一定坡度外径逐渐变大呈外锥面，底部向外突出后又缩回至初始外径，其头部边缘恰好可进入卡套公头内部，其整体底部可恰好放入卡套母头内部。当密封卡环底部放入卡套母头内部时，起主要密封作用的密封卡环，在起压紧作用的卡套公头、卡套母头旋转力的轴向作用下，沿卡套公头的内锥孔轴向移动，同时密封卡环头部在卡套公头径向反力的作用下产生径向收缩而贴紧管道表面，从而对管道外壁形成径向挤压力实现对管道的密封。所述卡套公头内部中空、连通，外部一部分为六棱柱，六棱柱用于使用过程中扳手拧紧，六棱柱的内中空部分为带内螺纹圆孔；另一部分外壁加工外螺纹和卡套母头内螺纹配合、连接，内中空部分为从外向内内径逐渐变小的内锥孔并和密封卡环外锥面配合，部分卡环外锥面恰好进入。所述卡套母头一部分为中空六棱柱，六棱柱用于使用过程中扳手拧紧，内中空部分为内螺纹圆孔和卡套公头外螺纹配合、连接，中空部分用于卡环沿底部放入和管道穿过，卡套母头另一部分为中间留有圆孔的圆形挡板，管道恰好穿过圆孔进入卡套母头内部。

更进一步的，所述数据采集组件还包括应变片和位移计57，应变片和位移计也均通过信号线与动态采集仪及计算机终端通讯连接。所述应变片设置多个，应变片粘贴在管道关键部位，如侧向变形发生处，管道根部等。位移计57布置在可分离式箱体的上方。当然，位移计也可布置于管道的关键位置处以监测关键位置的位移。

上述可分离式箱体两端沿水平方向开有多个与管道外径相适应的圆孔，且可分离式箱体端部外侧每个圆孔处都固定有一个液压卡盘59用于夹紧、固定管道。各管道在液压卡盘夹紧处内侧可均塞入一小段外径略小于管道内径的中空钢棒，以防止管道被夹扁。

上述滑动杆与滑动转轴连杆的转动连接，连杆分别与加载滑道和滑块的铰接等均可通过角度调节转轴等结构配合实现。

上述第一弧形挡板40和第二弧形挡板41均为扇形，第一弧形挡板40的圆心位于固定转轴连杆25的轴线上，第二弧形挡板41的圆心位于滑动转轴连杆30的轴线上。第一弧形挡板和第二弧形挡板的半径约为可分离式箱体高度的2倍，圆心角约为75°，以保证在角度调节范围内弧形挡板部分始终不低于箱体侧板，进而防止试验过程中土体洒落到外面。

上述加载方向与水平方向的夹角可通过所述角度调节组件在30°-90°范围内进行调整。

上述横向直线导轨和竖向直线导轨均包含两根平行的直线导轨。所述横向直线导轨沿管道轴线方向水平固定于反力架的横梁上；所述竖向直线导轨竖直固定于反力墙上。

上述横向加载作动器只在进行轴向拉/压试验时进行位置固定。

上述实验方法中，斜向错动加载和轴向拉/压加载都可进行单次加载或多次循环往复加载，即上述三种工况均既可进行单次加载试验，也可进行循环往复加载试验。

在进行加载试验过程中，具体可通过数据采集组件同步测量或采集管道内压力、管道位移、管壁应变、箱体位移和埋土位移等数据，进而可实现对地震作用下管道三维空间行为进行准确、便捷地测定。

下面对本发明实验方法所涉及的原理方面内容进行简单阐述：

初步研究表明，管道力学行为受多种因素影响，可归纳为式(1)所示函数，

其中，

μ_p和μ_w分别反映管周介质、内压水平和加载制度的影响。其中，

表明，管周介质性质由土层类型λ、埋置深度υ和土层密实度ω决定。

内压水平由无量纲量μ_p表征，

μ_p＝pR/(σ_yt) (3)

表明，其数值由实际管道内压p、管道材料屈服强度σ_y、管道内径R和管壁厚度t确定。

加载制度由无量纲量μ_w表征，

μ_w＝w(t)/Δy (4)

其中w(t)和Δy分别为加载位移和经数值模拟预测的管道屈服时对应的位移数值。

试验前、后试件构型示意如图14所示，其中因地震作用发生错动的部位为试件的关键截面。

为表征管道试件关键截面的变形特征，如图15所示，将其整体塑性变形W_f分解为局部变形W_l和整体变形W_g，分别给予考虑，前者关乎管道的局部屈曲，后者通常与管道的整体塑性变形密切相关。在此基础上，进一步考察两种变形与管道内压水平的关联性。

r₀＝T_r{1+(D_m/2T_r)²}/2 (5)

cosφ₀＝1-T_r/r₀ (7)

δ＝r₀(cosβ-cosφ₀) (8)

W_l＝R-δ (9)

W_g＝W_f-W_l (10)

以上公式内符号含义可参考图15示意。

下面对本发明实验方法进行补充说明，该实验方法大致包括以下步骤：

第一步，试验开始，准备试验管道，并在管道关键部位(如侧向变形发生处，管道根部等)粘贴应变片，并合理保护。

第二步，通过数据采集组件等输入初始条件，如目标内压、轴力、加载制度。

第三步，针对第二步给定的初始条件，开展数值模拟，确定屈服位移和极限位移参考值。

第四步，调整可分离式箱体长度和加载组件的位置及加载角度。

第五步，在可分离式箱体中填充土层(根据模拟场地选择土的类别)至目标位置，夯实至目标密实度。

第六步，沿可分离式箱体长度方向布置管道，并在上部布置拉线式位移传感器。

第七步，将待测管道的一端布置压力传感器，另一端通过卡环封堵，留有流体输入口并布置流量计。

第八步，在管道上部布置埋土，并夯实至目标密实度。

第九步，布置侧向DIC(非接触式三维应变光学测量系统)，应用标记点标定箱体位置。

第十步，布置顶部DIC，应用标记点标定土层相对位置。

第十一步，控制压力泵站15给管道输入介质，并充压至目标内压。

第十二步，通过横向加载作动器5、第一斜向加载作动器6和第二斜向加载作动器7等，以位移控制方式，按照第二步设计的加载制度进行位移加载。

第十三步，同步测量并显示管内压力、管道位移、管壁应变、箱体位移和埋土位移等。

第十四步，在满足如下标准时停止试验：1)管道破裂(具有压力的流体介质溢出，内压骤降)；2)管壁应变达到应变限值(第二步给定)；3)管道或者埋土位移达到限值(第二步给定)。

第十五步，去除箱内埋土，取出管道，进行管道构型表征、破坏位置和模式识别。

第十六步，基于试验观察、加载位移与反力、管内压力等定量关系，评估管道在模拟地震作用下的力学性能，试验结束。

本发明方法基于试验测定、数据采集和分析，可实现对地震作用下管道三维空间行为进行准确、便捷地测定。

Claims (5)

1.一种埋土充压管道错动载荷作用下性能评估的实验方法，其特征在于，采用埋土充压管道错动载荷作用下性能评估的试验装置，该试验装置包括可分离式箱体、加载组件、充压组件以及数据采集组件；

所述可分离式箱体包括固定端箱体和滑动端箱体；固定端箱体为组合式，包括固定结构件和能够相对于固定结构件轴向来回调整的滑动结构件，固定结构件的底部与支架固定连接，滑动结构件内嵌于固定结构件中，在滑动结构件的两侧开设有若干水平方向的第一条形槽，在固定结构件的两侧与滑动结构件的第一条形槽对应位置处设置有若干第一内螺纹孔，当滑动结构件沿固定结构件水平滑动至合适位置后，通过第一螺栓穿过第一条形槽后拧入固定结构件对应的第一内螺纹孔中以实现滑动结构件与固定结构件的固定连接；

所述滑动端箱体也为组合式，包括斜向加载件和能够相对于斜向加载件轴向来回调整的横向加载件，横向加载件内嵌于斜向加载件中，在横向加载件的两侧开设有若干水平方向的第二条形槽，在斜向加载件的两侧与横向加载件的第二条形槽对应位置处设置有若干第二内螺纹孔，当横向加载件沿斜向加载件水平滑动至合适位置后，通过第二螺栓穿过第二条形槽后拧入斜向加载件对应的第二内螺纹孔中以实现横向加载件与斜向加载件的固定连接；

在可分离式箱体的内部穿过有管道，其中固定端箱体位于管道的一端，滑动端箱体位于管道的另一端，且固定端箱体与滑动端箱体相分离；在固定端箱体的内部、滑动端箱体的内部以及固定端箱体与滑动端箱体之间的空间中均填充有将管道埋设的土体；

所述加载组件包括作动器、加载架和直线导轨，所述作动器包括横向加载作动器、第一斜向加载作动器和第二斜向加载作动器，所述加载架包括横向加载架和斜向加载架，所述直线导轨包括横向直线导轨和竖向直线导轨；

所述横向加载作动器的伸缩杆与横向加载架的一端连接，横向加载架的另一端与滑动端箱体的横向加载件相连接，横向加载作动器的根部设置有第一滑块，第一滑块安装在竖向直线导轨上；

所述斜向加载架共设置两个，分别为第一斜向加载架和第二斜向加载架，第一斜向加载作动器的伸缩杆与第一斜向加载架的上部连接，第一斜向加载架的下部与滑动端箱体的斜向加载件的底部一端连接，第二斜向加载作动器的伸缩杆与第二斜向加载架的上部连接，第二斜向加载架的下部与滑动端箱体的斜向加载件的底部另一端连接；在第一斜向加载作动器和第二斜向加载作动器的根部均设置有第二滑块，第二滑块安装在横向直线导轨上；

所述充压组件包括压力泵站，压力泵站通过高压软管与管道的充压端连接，管道的另一端为测量端；

所述数据采集组件包括压力传感器、非接触式三维应变光学测量系统、电磁流量计、动态采集仪及计算机终端；所述压力传感器安装在管道的测量端，所述非接触式三维应变光学测量系统共设置两台，分别为一台用于从可分离式箱体上方监测土体变形的顶部非接触式三维应变光学测量系统，和一台用于从可分离式箱体一侧监测箱体位移的侧向非接触式三维应变光学测量系统；所述电磁流量计安装在管道上；所述压力传感器、非接触式三维应变光学测量系统和电磁流量计均通过信号线与动态采集仪及计算机终端通讯连接；

该实验方法具体包括以下步骤：

(1)调整可分离式箱体的长度；

将固定端箱体的固定结构件固定在支架上，将滑动结构件沿固定结构件水平滑动至合适位置，然后将第一螺栓穿过第一条形槽后拧入固定结构件对应的第一内螺纹孔中固定；

将滑动端箱体的横向加载件沿斜向加载件水平滑动至合适位置后，通过第二螺栓穿过第二条形槽后拧入斜向加载件对应的第二内螺纹孔中固定；

(2)安装布置管道；

将管道布置于可分离式箱体的内部，并在可分离式箱体中填土，以将管道埋设；管道的充压端通过高压软管与压力泵站连接；

(3)安装数据采集组件；

在管道的测量端安装压力传感器，在管道上安装电磁流量计；在可分离式箱体上方安装顶部非接触式三维应变光学测量系统，在可分离式箱体一侧安装侧向非接触式三维应变光学测量系统；并将压力传感器、电磁流量计、顶部非接触式三维应变光学测量系统和侧向非接触式三维应变光学测量系统分别通过信号线与动态采集仪及计算机终端连接；

(4)通过加载组件实施加载；

通过第一斜向加载作动器、第二斜向加载作动器和横向加载作动器的组合，实现单独轴向拉/压荷载、有轴拉/压的斜向错动加载、无轴拉/压的斜向错动加载3类工况的试验；

当需要进行单独轴向拉/压加载试验时，首先将第一斜向加载作动器和第二斜向加载作动器调至竖直方向，然后松开但不取下滑动端箱体两侧边的所有第二螺栓，以使横向加载件可以沿斜向加载件在管道轴线方向水平滑动，但横向加载件与斜向加载件之间不发生相对竖向位移；启动横向加载作动器施加轴向拉/压荷载；

当需要进行有轴拉/压的斜向错动加载试验时，首先将第一斜向加载作动器和第二斜向加载作动器调至竖直方向或倾斜方向，然后松开但不取下滑动端箱体两侧边的所有第二螺栓，以使横向加载件可以沿斜向加载件在管道轴线方向水平滑动，但横向加载件与斜向加载件不发生相对竖向位移；再将所述横向加载作动器与横向加载架进行连接，先对管道施加横向荷载，达到预定值后保持不变，继续启动第一斜向加载作动器和第二斜向加载作动器施加错动荷载，在滑动端箱体沿加载滑道滑动时，横向加载作动器随滑动端箱体上下滑动，并同时伸出或回缩伸缩杆以维持荷载值不变；

当需要进行无轴拉/压的斜向错动加载试验时，滑动端箱体两侧边的所有第二螺栓不松开；所述横向加载作动器不与横向加载架连接，通过第一斜向加载作动器和第二斜向加载作动器施加荷载；

(5)数据采集；

在加载组件对管道实施加载过程中，分别通过压力传感器、电磁流量计、顶部非接触式三维应变光学测量系统和侧向非接触式三维应变光学测量系统实时测量，并通过信号线将测量数据传输至动态采集仪及计算机终端。

2.根据权利要求1所述的一种埋土充压管道错动载荷作用下性能评估的实验方法，其特征在于：该试验装置还包括用以调整斜向加载角度的角度调节组件；在通过加载组件实施加载之前，需先通过角度调节组件调整加载组件的位置及加载角度；

所述角度调节组件在可分离式箱体的两侧均有布置，且呈对称分布；角度调节组件包括加载滑道和角度调节滑槽，加载滑道包括直线滑轨和能够沿直线滑轨移动的滑动杆，在滑动杆的一侧设置有第三滑块，第三滑块安装在直线滑轨上；

所述直线滑轨的底部与固定转轴连杆的一端转动连接，固定转轴连杆设置在固定端箱体的固定结构件底部；

所述角度调节滑槽包括第一角度调节滑槽和第二角度调节滑槽，第一角度调节滑槽布置在支架上，在第一角度调节滑槽和直线滑轨之间设置有第一连杆，第一连杆的一端与直线滑轨的中部铰接，第一连杆的另一端设置有第四滑块，第四滑块安装在第一角度调节滑槽上；

所述第二角度调节滑槽布置在滑动端箱体的底部一侧，第二角度调节滑槽的一端与第一支撑杆的一端连接，第二角度调节滑槽的另一端与第二支撑杆的一端连接，第一支撑杆和第二支撑杆分别与滑动端箱体相垂直，且第一支撑杆和第二支撑杆分别布置在滑动端箱体的斜向加载件底部两端；第一支撑杆的两端对应与第一斜向加载架的底部两端转动连接，第二支撑杆的两端对应与第二斜向加载架的底部两端转动连接；

在滑动端箱体的底部且靠近第一支撑杆位置处平行布置有滑动转轴连杆，滑动转轴连杆的端部与滑动杆的底部转动连接；

所述第二角度调节滑槽包括平行布置的两个滑槽，分别为内滑槽和外滑槽，在内滑槽和滑动杆之间设置有第二连杆，第二连杆的一端与滑动杆的上部铰接，第二连杆的另一端设置有第五滑块，第五滑块安装在内滑槽上；在外滑槽和第一斜向加载架之间设置有第三连杆，第三连杆的一端与第一斜向加载架的中下部铰接，第三连杆的另一端设置有第六滑块，第六滑块安装在外滑槽上，在外滑槽和第二斜向加载架之间设置有第四连杆，第四连杆的一端与第二斜向加载架的中下部铰接，第四连杆的另一端设置有第七滑块，第七滑块也安装在外滑槽上；

所述第一斜向加载作动器和第二斜向加载作动器的根部对应与所连接的第二滑块转动连接；

所述第一滑块、第二滑块、第三滑块、第四滑块、第五滑块、第六滑块和第七滑块上均设置有用于将滑块锁紧固定的锁紧螺栓；

通过分别调整第一连杆上的第四滑块在第一角度调节滑槽上的位置，第二连杆上的第五滑块在内滑槽上的位置，第三连杆上的第六滑块在外滑槽上的位置，以及第四连杆上的第七滑块在外滑槽上的位置，并通过锁紧螺栓固定，来调整加载滑道、第一斜向加载架和第二斜向加载架的位置及倾斜角度。

3.根据权利要求2所述的一种埋土充压管道错动载荷作用下性能评估的实验方法，其特征在于：在第一斜向加载作动器和横向直线导轨之间设置有第五连杆，第五连杆的一端与第一斜向加载作动器铰接，第五连杆的另一端连接有第八滑块，第八滑块安装在横向直线导轨上；在第二斜向加载作动器和横向直线导轨之间设置有第六连杆，第六连杆的一端与第二斜向加载作动器铰接，第六连杆的另一端连接有第九滑块，第九滑块安装在横向直线导轨上；

通过分别调整第五连杆上的第八滑块在横向直线导轨上的位置，以及第六连杆上的第九滑块在横向直线导轨上的位置，来调整第一斜向加载作动器和第二斜向加载作动器的位置及倾斜角度。

4.根据权利要求1所述的一种埋土充压管道错动载荷作用下性能评估的实验方法，其特征在于，可分离式箱体中填土将管道埋设采用如下步骤：根据模拟场地选择土的类别，先在可分离式箱体中填充土层至目标位置，夯实至目标密实度；然后沿可分离式箱体长度方向布置管道，再在管道上部布置埋土层，并夯实至目标密实度。

5.根据权利要求1所述的一种埋土充压管道错动载荷作用下性能评估的实验方法，其特征在于：所述可分离式箱体的内部设置有竖向隔板，竖向隔板将可分离式箱体的内部分隔成若干个独立空间，所述管道设置多根，在每个独立空间中均有布置；

通过各个独立空间能够实现各管道处于不同埋土深度、不同土体性质及不同密实度下的实验情况，以对比不同埋置情况的管道在相同外部荷载下的响应行为差异。

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