CN113188927A - 一种埋地有压管道冲击动力模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种埋地有压管道冲击动力模型试验装置及试验方法，试验装置包括管道模型箱，其箱体的上部开口设置，管道模型箱的箱体内设有安装试验管道的管道连接结构；管道充压设备，用于给所述试验管道内部充压；多自由度加载机构，其上设有加载锤，用于实现加载锤的冲击位置、冲击高度及冲击力的变化。本发明实现了有压管道在不同冲击荷载下的模型试验；通过管道模型箱实现了试验管道增压和管道埋深调整，通过加载装置实现了冲击位置、冲击高度及冲击力的变化，模拟实际工程情况。

Description

一种埋地有压管道冲击动力模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明公开了一种埋地有压管道冲击动力模型试验装置及试验方法，属于管道冲击动力试验的技术领域。

背景技术

给排水、电力、燃气、石油、通信等城市生命线在地下空间星罗棋布，生命线工程在维持城市生存功能系统和国计民生中扮演举足轻重的角色。在埋地管线周边进行采石、爆破或者从事其他施工作业施工产生的冲击荷载可能使管道发生变形甚至破坏，所以一旦发生运行事故，除了管道系统自身的损坏导致的直接损失外，还可能会引发严重的次生灾害，造成巨大的经济损失甚至人员伤亡，威胁着社会生产和生活安全。埋地管线的安全性涉及爆破工程、交通工程、建筑工程、防护工程、市政工程等多领域，如建（构）筑物爆破塌落体、岩坡落石、施工机械冲击和路面过往车辆脉动作用引起的管道冲击振动响应（爆破工程、交通工程、建筑工程）、管道防护层设计（防护工程）、市政综合管线设计（市政工程）等，其在冲击荷载下的力学行为是相关领域中的重要研究课题。

由于冲击荷载引起的地震波在岩土介质中的传播以及埋地管线的动力响应的复杂性，到目前为止，该问题的研究还主要以现场监测、试验并结合数值模拟分析为主，理论研究还处于探索阶段，完整的理论体系尚未建立。现有的成果集中在理论分析和计算机数值模拟，但获得的成果并不能应用于实际，只有定性分析。

基于现场测量或冲击试验并对数据进行分析是直观且可靠的管线冲击振动响应研究方法，学者们通过现场爆破试验、加载锤冲击试验研究了各项参数对埋地管线振动响应的影响。近几年埋地有压管道冲击动力学试验方面做的较少，主要是两方面原因：一是埋地管道不易实现管道内部充压与密封，只能简化为无压管道，无法模拟燃气、石油等埋地有压管道的实际工况；二是冲击加载装置功能较为单一，冲击位置及荷载大小不易调整，而冲击荷载引起的地震波在岩土介质中的传播以及埋地管道的动力响应是一个复杂的力学过程，冲击高度、冲击质量以及埋地管线距冲击点的距离、埋地管道尺寸与材质等因素均会影响管道的冲击振动响应。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种埋地有压管道冲击动力模型试验装置及其试验方法，能够实现加载锤冲击位置、冲击高度及冲击力的变化，模拟实际工程情况。

为实现上述发明目的采用如下技术方案，本发明采用如下技术方案：

一种埋地有压管道冲击动力模型试验装置，包括：

管道模型箱，其箱体的上部开口设置，管道模型箱的箱体内设有安装试验管道的管道连接结构；

管道充压设备，用于给所述试验管道内部充压；

多自由度加载机构，其上设有加载锤，用于实现加载锤的冲击位置、冲击高度及冲击力的变化，包括顶部滑梁、位于顶部滑梁底部一侧的第一支腿以及位于顶部滑梁底部另一侧的第二支腿，所述管道模型箱设置在所述顶部滑梁下方且位于所述第一支腿和第二支腿之间，两个支腿的底部分别通过滑座与一导轨滑动连接，以使整个多自由度加载机构实现Y向移动；

所述顶部滑梁上滑动连接有一输送小车；

输送小车的一侧通过复位弹簧与所述第二支腿上端内侧固定连接；

第一定滑轮，设置在所述第一支腿的顶端；

第一卷扬机，其固定在所述第一支腿底部的滑座上；

第一钢丝绳，其一端与所述第一卷扬机连接，另一端绕过所述第一定滑轮后与所述输送小车的一侧连接；

第二定滑轮，设置在所述第二支腿的顶端；

第三定滑轮，设置所述输送小车上，输送小车上设有竖向通孔；

第二卷扬机，其固定在所述第二支腿底部的滑座上；

第二钢丝绳，其一端与所述第二卷扬机连接，另一端依次绕过所述第二定滑轮和第三定滑轮后经所述竖向通孔与所述加载锤连接。

所述管道模型箱包括底板以及围合在底板四周的侧板，所述侧板包括一个活动侧板和三个固定侧板，其中，所述活动侧板底部通过伸缩铰链与底板连接，活动侧板侧部通过固定栓与固定侧板连接；

所述活动侧板内侧设有管道固定板，所述管道固定板上设有密封管口；

与所述活动侧板相对的一侧固定侧板上安装充压连接管；

所述试验管道放置在管道模型箱内后，其一端与所述密封管口密封连接，另一端与所述充压连接管连接。

所述管道模型箱上设置有若干通信网口，用于管道冲击动力试验中各种传感器与外部通信线缆连接与信号传输。

所述充压设备为增压泵，所述增压泵上信号处理模块通过通讯线与箱体表面的控制面板连接，增压泵进水口与外接进水管道相连，增压泵出水口通过充压分流管与所述充压连接管相连。

所述通信网口设置在箱体上任一固定侧板的外侧。

所述充压分流管含若干支管，每个支管上安装有水阀。

所述管道模型箱的一侧设有增压室，所述增压泵设置在所述增压室内，增压泵主机盒内含信号处理模块，与控制面板通过通信线缆连接。

所述加载锤由半球形锤头和若干增重片组装而成，所述半球形锤头背面焊接有螺旋杆，增重片中心有圆孔，半球形锤头和增重片组装后用固定螺母固定，螺旋杆端部有连接螺帽，连接所述第二钢丝绳。

所述管道固定板上的密封管口包括多个，多个密封管口在管道固定板上沿高度方向均匀间隔布置；

所述箱体上位于所述管道固定板相对一侧的固定侧板上对应所述密封管口的位置设置所述安装孔。

本发明进一步公开了一种基于所述埋地有压管道冲击动力模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1，安装试验管道，选取试验管道，管道外壁贴应变片，记录应变片和导线编号；

步骤2，将试验管道与充压设备连接；

步骤3，将步骤1中的应变片导线接入通信网口，记录编号；

步骤4，在管道模型箱内填土，并压实；

步骤5，调整支腿在所述滑座上滑动，确定所述加载锤的Y向位置；

步骤6，启动第一卷扬机，第一卷扬机通过第一钢丝绳调整输送小车的位置并固定，确定所述加载锤的X向位置；

步骤7，启动第二卷扬机，第二卷扬机通过第二钢丝绳将加载锤吊起至指定高度，确定所述加载锤的Z向位置；

步骤8，启动增压设备，进行管道充压，记录管道压力值；

步骤9，控制第一卷扬机，自由落体释放所述加载锤。

有益效果：

本发明一种埋地有压管道冲击动力模型试验装置，实现了冲击荷载作用下的埋地有压管道试验；通过多自由度加载装置实现了冲击荷载位置、冲击高度、冲击力大小的调节，模拟实际环境荷载。

附图说明

图1为埋地有压管道冲击动力模型试验装置的示意图。

图2为管道模型箱结构示意图。

图3为管道模型想管道室内部结构示意图。

图4为管道模型想增压室内部结构示意图。

图5为多自由度加载机构结构示意图。

图6为组装式加载锤结构示意图。

其中有：

1.管道模型箱；2.多自由度加载机构；3.管道室；4.增压室；5.固定侧板A；6.固定侧板B；7.通信网口；8.控制面板；9.活动侧板；10.固定侧板C；11.底板；12.伸缩铰链；13.管道固定板；14.密封管口；15.充压管口；16.充压连接管；17.增压泵；18.增压泵主机盒；19.通信线缆；20.充压分流管；21.水阀；22.滑座A；23.滑座B；24.导轨；25.第二卷扬机；26.第一卷扬机；27.第二支腿；28.第一支腿；29.第二定滑轮；30.第一定滑轮；31.钢丝绳；32.输送小车；33.复位弹簧；34.第三定滑轮；35.加载锤；36.半球形锤头；37.螺旋杆；38.增重片；39.固定螺母；40.连接螺帽。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

实施例1

如图1~图6所示，本发明埋地有压管道冲击动力模型试验装置包括：管道模型箱1和多自由度加载机构2；管道模型箱包括箱体、管道固定板13、密封管口14、充压管口15、充压连接管16、充压分流管20和控制面板8。

管道模型箱，其箱体的上部开口设置，管道模型箱1的箱体内设有安装试验管道的管道连接结构；

所述箱体由活动侧板9、底板11、固定侧板A5、固定侧板B6、固定侧板C10组成。活动侧板9通过伸缩铰链12与底板11连接，通过固定栓与固定侧板A5、固定侧板B6连接并固定。

管道固定板13设在活动侧板9内侧，固定侧板C10上连接有充压连接管16，试验管道放置在管道模型箱内后，其一端与所述密封管口14密封连接，另一端与所述充压连接管16连接。

所述多自由度加载机构包括滑座A22、滑座B23、导轨24、第一卷扬机26、第二卷扬机25、第一支腿28、第二支腿27、顶部滑梁、第一定滑轮30、第二定滑轮29、第三定滑轮34、复位弹簧33、输送小车32以及加载锤35，其中，滑座置于导轨之上，支腿与滑座连接，支腿顶部安装有定滑轮，顶部滑梁两端与支腿顶部相连。

输送小车32上装有第三定滑轮34，输送小车32一端与第二支腿27顶端之间通过复位弹簧33相连接，滑座A22上设有第二卷扬机25，第二卷扬机25中钢丝绳穿过第二定滑轮29、第三定滑轮34、输送小车32后与加载锤35连接。第二定滑轮29与第一定滑轮30高度相同。

管道充压设备，用于给所述试验管道内部充压；

所述固定侧板A5表面上设置有若干通信网口，用于管道冲击动力试验中各种传感器与外部的通信线缆连接与信号传输。伸缩铰链可旋转角度为90度，可伸缩部分安装在底板边缘，可做水平向伸缩。

作为本发明实施例1技术方案的进一步优选，所述管道充压设备为增压泵，所述增压泵上信号处理模块通过通讯线与箱体表面的控制面板连接，可执行控制面板所输入的电机开关和增压等命令，并向控制面板传输液压力值信号；增压泵进水口与外接进水管道相连，增压泵出水口通过充压分流管与所述充压连接管相连。

作为本发明实施例1技术方案的进一步优选，所述增压泵通过充压分流管与试验管道连接，所述充压分流管含若干支管，每个支管上安装有水阀。

作为本发明实施例1技术方案的进一步优选，所述管道固定板上的密封管口包括多个，多个密封管口在管道固定板上沿高度方向均匀间隔布置；

所述箱体上位于所述管道固定板相对一侧的固定侧板上对应所述密封管口的位置设置所述安装孔。

本发明实施例1公开了基于所述埋地有压管道冲击动力模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1，选取试验管道，管道外壁贴应变片，记录应变片和导线编号；

步骤2，打开管道模型箱的活动侧板，拉伸伸缩铰链，将管道密封管口一段凸起部分卡入管道固定板选定的圆槽，本方案采用第二个圆槽；

步骤3，将充压连接管插入固定侧板C第二个圆孔，充压连接管与充压分流管第二个支管连接并旋紧，打开第二支管上的水阀；

步骤4，将活动侧板竖起，管道充压管口和充压连接管连接并旋紧，伸缩铰链随上述过程逐渐复位，之后将活动侧板固定栓与固定侧板A、固定侧板B连接并固定，应变片导线接入通信网口，记录编号；

步骤5，管道模型箱内填土，并压实；

步骤6，调整滑座A和滑座B的位置；

步骤7，启动第一卷扬机，调整输送小车的位置并固定；

步骤8，启动第二卷扬机，将加载锤吊起至指定高度；

步骤9，控制面板启动增压泵，进行管道充压，记录管道压力值；

步骤10，控制第二卷扬机，自由落体释放加载锤。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，所述管道模型箱的一侧设有增压室，所述管道充压设备设置在所述增压室内。

实施例3

本实施例与实施例1和实施例2的区别在于，所述加载锤为组装式，由半球形锤头和若干增重片组装而成，锤头背面焊接有螺旋杆，增重片中心有圆孔，锤头和增重片组装后用固定螺母固定，螺旋杆端部有连接螺帽，连接第二卷扬机的钢丝绳。

Claims (10)

1.一种埋地有压管道冲击动力模型试验装置，其特征在于，包括：

管道模型箱，其箱体的上部开口设置，管道模型箱的箱体内设有安装试验管道的管道连接结构；

管道充压设备，用于给所述试验管道内部充压；

多自由度加载机构，其上设有加载锤，用于实现加载锤的冲击位置、冲击高度及冲击力的变化，包括顶部滑梁、位于顶部滑梁底部一侧的第一支腿以及位于顶部滑梁底部另一侧的第二支腿，所述管道模型箱设置在所述顶部滑梁下方且位于所述第一支腿和第二支腿之间，两个支腿的底部分别通过滑座与一导轨滑动连接，以使整个多自由度加载机构实现Y向移动；

所述顶部滑梁上滑动连接有一输送小车；

输送小车的一侧通过复位弹簧与所述第二支腿上端内侧固定连接；

第一定滑轮，设置在所述第一支腿的顶端；

第一卷扬机，其固定在所述第一支腿底部的滑座上；

第一钢丝绳，其一端与所述第一卷扬机连接，另一端绕过所述第一定滑轮后与所述输送小车的一侧连接；

第二定滑轮，设置在所述第二支腿的顶端；

第三定滑轮，设置所述输送小车上，输送小车上设有竖向通孔；

第二卷扬机，其固定在所述第二支腿底部的滑座上；

第二钢丝绳，其一端与所述第二卷扬机连接，另一端依次绕过所述第二定滑轮和第三定滑轮后经所述竖向通孔与所述加载锤连接。

2.根据权利要求1所述的埋地有压管道冲击动力模型试验装置，其特征在于，

所述管道模型箱包括：

底板；

围合在所述底板四周的侧板，所述侧板包括一个活动侧板和三个固定侧板，其中，所述活动侧板底部通过伸缩铰链与底板连接，活动侧板侧部通过固定栓与固定侧板连接；

所述活动侧板内侧设有管道固定板，所述管道固定板上设有密封管口；

管道模型箱上与所述活动侧板相对的一侧固定侧板上安装充压连接管；

所述试验管道放置在管道模型箱内后，其一端与所述密封管口密封连接，另一端与所述充压连接管连接。

3.根据权利要求2所述的埋地有压管道冲击动力模型试验装置，其特征在于：所述管道固定板上的密封管口包括多个，多个密封管口在管道固定板上沿高度方向均匀间隔布置；

所述箱体上位于所述管道固定板相对一侧的固定侧板上对应所述密封管口的位置设置所述充压连接管。

4.根据权利要求1所述的埋地有压管道冲击动力模型试验装置，其特征在于，

所述管道模型箱上设置有若干通信网口，用于管道冲击动力试验中各种传感器与外部通信线缆连接与信号传输。

5.根据权利要求2所述的埋地有压管道冲击动力模型试验装置，其特征在于，

所述充压设备为增压泵，所述增压泵上信号处理模块通过通讯线与箱体表面的控制面板连接，增压泵进水口与外接进水管道相连，增压泵出水口通过充压分流管与所述充压连接管相连。

6.根据权利要求4所述的埋地有压管道冲击动力模型试验装置，其特征在于，所述通信网口设置在箱体上任一固定侧板的外侧。

7.根据权利要求5所述的埋地有压管道冲击动力模型试验装置，其特征在于，所述充压分流管含若干支管，每个支管上安装有水阀。

8.根据权利要求5所述的埋地有压管道冲击动力模型试验装置，其特征在于：所述管道模型箱的一侧设有增压室，所述增压泵设置在所述增压室内，增压泵主机盒内含信号处理模块，与控制面板通过通信线缆连接。

9.根据权利要求1所述的埋地有压管道冲击动力模型试验装置，其特征在于：所述加载锤由半球形锤头和若干增重片组装而成，所述半球形锤头背面焊接有螺旋杆，增重片中心有圆孔，半球形锤头和增重片组装后用固定螺母固定，螺旋杆端部有连接螺帽，连接所述第二钢丝绳。

10.一种基于权利要求1~9中任一所述埋地有压管道冲击动力模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，安装试验管道，选取试验管道，管道外壁贴应变片，记录应变片和导线编号；

步骤2，将试验管道与管道充压设备连接；

步骤3，将步骤1中的应变片导线接入通信网口，记录编号；

步骤4，在管道模型箱内填土，并压实；

步骤5，调整支腿在所述滑座上滑动，确定所述加载锤的Y向位置；

步骤6，启动第一卷扬机，第一卷扬机通过第一钢丝绳调整输送小车的位置并固定，确定所述加载锤的X向位置；

步骤7，启动第二卷扬机，第二卷扬机通过第二钢丝绳将加载锤吊起至指定高度，确定所述加载锤的Z向位置；

步骤8，启动增压设备，对试验管道进行充压，记录管道压力值；

步骤9，控制第一卷扬机，自由落体释放所述加载锤。

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