CN116773379B - 一种充压管道轴向荷载与横向往复作用耦合试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种充压管道轴向荷载与横向往复作用耦合试验装置，属于机器或结构部件的静或动平衡的测试领域。该装置包括刚性支撑组件、滑动组件、管道固定组件、荷载施加组件、管道、控制与数据采集组件；所述刚性支撑组件包括刚性反力架；所述滑动组件包括滑轨、刚性外箱、滑轮；所述管道固定组件包括滑动端固定组件、固定端固定组件；所述荷载施加组件可同时对管道施加轴向荷载和横向往复作用；所述控制与数据采集组件包括荷载传感器、压力传感器、应变片、非接触式应变位移测量仪、采集仪和计算机。本发明可实现内压、轴向拉/压和横向往复作用的实时耦合，并对其响应模式进行准确、便捷地测定。
Description
技术领域
本发明涉及机器或结构部件的静或动平衡的测试领域，尤其涉及一种充压管道轴向荷载与横向往复作用耦合试验装置，更为具体地说是涉及一种模拟管道在内压、轴向荷载和横向往复荷载耦合作用下变形模式预测的试验装置。
背景技术
管道运输是长距离油气资源转移的首选方式。油气管道在外部载荷作用下的响应行为和失效机理对资源安全、环境保护等诸方面具有重要意义。在诸多载荷工况中，流体输送所必需的内压是首要考量因素。当前，学术界和工程界已经就管道的极限内压预测达成普遍共识：应用已有理论模型可以获得具有足够保守性的预测结果。然而，此保守性存在的前提条件不容忽视：服役期间仅有内压作用。实际上，服役管道不仅承受工作内压作用，还可能遭受来自外部环境的威胁。这些威胁可能通过单独或组合的方式以拉、压、弯曲、剪切等形式呈现。相对于针对极限内压的重视，科研界对于外部载荷作用下管道性能的关注要少得多，且多集中于外部载荷影响下管道极限内压的退化趋势，而非外部载荷导致管道失效本身。当前，海浪、滑坡和地震作用所导致的管道错动是管道安全的重要威胁，为了应对此类激励的挑战，传统方法通常以空管道为研究对象，通过约束其两端位移和转动自由度，并在其中部施加往复载荷以模拟实际工况。这类试验忽略了影响管道响应行为的两个关键因素：内压和轴向效应。管道所输送介质的特性和内压显著影响管道的力学行为，这在诸多文献中已广泛讨论；地震动等传播过程的三维空间效应将使得管道在承受垂直跨度方向挠动的同时产生轴向拉伸或压缩变形，此效应的存在将使得管道材料处于复杂应力状态，从而对其失效行为产生重要影响。现有试验装置中，尚无充分考虑内压、轴向载荷和横向往复载荷实时耦合的试验技术，也缺乏针对不同地震动特征下管道端部边界条件充分体现的试验装置。鉴于此，应用现有的试验装置和方法，无法获取以上三种载荷实时耦合下管道试验的关键数据，从而无法对影响管道失效行为的决定因素给予识别，并对管道的鲁棒性设计提供有效、可靠的指导。
授权公告号为CN113008497B的中国发明专利公开一种埋土充压管道错动载荷作用下性能评估的试验装置；授权公告号为CN113092085B的中国发明专利公开一种充压管道瞬态甩动行为的测量试验装置。以上两项专利均为本申请发明人所提出的，但其所模拟的试验条件及应用场景，并无法获取三种载荷实时耦合下管道试验的关键数据。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出一种充压管道轴向荷载与横向往复作用耦合试验装置。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种充压管道轴向荷载与横向往复作用耦合试验装置，包括刚性支撑组件、滑动组件、管道固定组件与荷载施加组件；
所述刚性支撑组件包括刚性反力架，刚性反力架包括反力架立柱和反力架横梁，反力架立柱的顶端与反力架横梁的一端连接，反力架立柱的底端固定在刚性地板上；
所述滑动组件包括滑轨、刚性外箱和滑轮，滑轨固定在反力架横梁上，滑轮安装在刚性外箱的上部，刚性外箱通过滑轮悬挂在所述滑轨上；在外力作用下，刚性外箱能够沿滑轨来回滑动；
所述管道固定组件包括滑动端固定组件和固定端固定组件，滑动端固定组件设置在固定端固定组件的上方，在滑动端固定组件和固定端固定组件之间竖向设置有管道；
所述滑动端固定组件包括刚性内箱和滑动端夹具组件，刚性内箱设置于刚性外箱的内部，刚性内箱能够沿刚性外箱上下滑动；所述滑动端夹具组件包括滑动端固定夹具和滑动端移动夹具，在滑动端固定夹具和滑动端移动夹具上设置有与管道的外径一致的第一半圆形槽口，滑动端固定夹具固定在刚性外箱的下部，滑动端移动夹具与滑动端固定夹具连接；管道的上端通过第一受力螺母与刚性内箱连接；
所述固定端固定组件包括刚性底座和固定端夹具组件，刚性底座与刚性地板固定连接；固定端夹具组件包括固定端固定夹具和固定端移动夹具，固定端固定夹具的底部与刚性底座固定连接，固定端移动夹具与固定端固定夹具相连接；在固定端固定夹具和固定端移动夹具上设置有与管道的外径一致的第二半圆形槽口；管道的下端通过第二受力螺母与固定端夹具组件连接；
所述荷载施加组件包括作动器、千斤顶和水泵，作动器与刚性外箱连接，随着作动器的活塞杆伸缩，能够带动刚性外箱通过滑轮沿滑轨横向滑动；千斤顶的缸体固定在刚性内箱的内部，千斤顶的缸体通过软管与液压泵站连接，千斤顶的活塞杆穿过刚性内箱并与荷载传感器固定连接，荷载传感器安装在刚性外箱上；通过千斤顶的活塞杆伸缩，能够带动刚性内箱沿刚性外箱向上或向下滑动。
优选的，管道的顶端和底端均设置有用于对管道密封的堵头螺母，堵头螺母通过注水管道连接水泵，在堵头螺母或注水管道处设置有水阀阀门，堵头螺母还与用于测量管道内部充压介质压力的压力传感器连接；
在管道的轴向和环向还分别粘贴有用于测量管道轴向和环向应变数据的应变片；
该耦合试验装置还包括控制与数据采集组件，所述控制与数据采集组件包括非接触式应变位移测量仪，非接触式应变位移测量仪的拍摄范围覆盖管道的最大变形范围，所述荷载传感器、压力传感器、应变片和非接触式应变位移测量仪分别通过信号线与采集仪连接，采集仪与计算机连接。
优选的，所述第一受力螺母和第二受力螺母的结构相同，均包括圆柱状本体，在圆柱状本体的内部沿其轴向设置有贯通的内螺纹孔，该内螺纹孔与管道端部的外螺纹相适配，在圆柱状本体的圆周面上设置有辅助旋转内孔。
优选的，所述刚性外箱包括两个外箱体，该两个外箱体呈对称分布，在两个外箱体的顶部设置有外箱顶板，在两个外箱体的同一侧面设置有外箱侧板，两个外箱体之间形成用于放置刚性内箱的容纳空间；所述滑动端夹具组件安装在两个外箱体的底部之间；
在外箱顶板的两侧设置有竖向侧板，所述滑轮安装在两个竖向侧板的内侧；在每个竖向侧板上均设置有上下两排滑轮，每排滑轮处于同一高度；
所述滑轨包括滑轨顶板和滑轨底板，在滑轨顶板和滑轨底板的中部之间设置有竖直支撑板，滑轨的截面呈工字型；所述滑轨顶板与反力架横梁连接，滑轨底板的两侧边缘处于上下两排滑轮之间。
优选的，所述刚性内箱的高度小于容纳空间的高度，刚性内箱的宽度等于容纳空间的宽度；
刚性内箱包括内箱顶板、内箱底板和内箱侧板，刚性内箱的至少一侧敞口，在内箱顶板和内箱底板之间还设置有内箱隔板，内箱隔板与内箱侧板固定连接；
千斤顶的缸体置于内箱顶板和内箱隔板之间，在内箱顶板和外箱顶板的对应位置处均设置有圆孔，千斤顶的活塞杆从圆孔中穿过，在外箱顶板上且位于圆孔的正上方处设置有刚性顶板，所述荷载传感器安装在刚性顶板的底部；
在内箱底板上设置有条形槽，条形槽的宽度与管道的外直径一致，所述管道卡入条形槽中，且置于条形槽的最内侧；
所述第一受力螺母共设置两个，该两个第一受力螺母分别贴合在内箱底板的上表面和下表面。
优选的，在固定端固定夹具上设置有第一刚性平板和第二刚性平板，第一刚性平板处于第二刚性平板的正上方；在固定端移动夹具上设置有第三刚性平板和第四刚性平板，第三刚性平板和第一刚性平板处于同一高度处，第四刚性平板和第二刚性平板处于同一高度处；
所述第二半圆形槽口在第一刚性平板和第三刚性平板的相向内侧边，以及第二刚性平板和第四刚性平板的相向内侧边均有设置；当固定端移动夹具与固定端固定夹具连接后，第一刚性平板和第三刚性平板相拼接，在第一刚性平板和第三刚性平板之间形成第一限位圆孔，第二刚性平板和第四刚性平板相拼接，在第二刚性平板和第四刚性平板之间形成第二限位圆孔；第一限位圆孔和第二限位圆孔的圆心处于同一竖直线上；所述管道从第一限位圆孔和第二限位圆孔中穿过；
所述第二受力螺母共设置两个，该两个第二受力螺母均处于第一刚性平板和第二刚性平板之间，其中位于上方的第二受力螺母的上表面与第一刚性平板和第三刚性平板的底面相抵触，位于下方的第二受力螺母的下表面与第二刚性平板和第四刚性平板的顶面相抵触。
优选的，所述作动器通过连接器与刚性外箱铰接；作动器的活塞杆通过销轴与连接器的一端铰接，在刚性外箱的侧面设置有凸耳，连接器的另一端通过插栓与凸耳铰接。
优选的，所述管道在朝向非接触式应变位移测量仪的外表面，且沿管道轴线方向间隔设置有若干标记点。
优选的，所述刚性反力架设置多个，相互间呈平行布置；每个刚性反力架包括两根反力架立柱和一根反力架横梁，一根反力架横梁的两端分别与两根反力架立柱的顶端相连接；所述滑轨的伸展方向与反力架横梁相垂直；在反力架立柱的侧面竖向间隔设置有固定螺孔。
优选的，管道的轴线与作动器的轴线在同一竖直平面内。
本发明的有益技术效果是：
本发明通过各组件协同工作，可实现内压、轴向拉/压和横向往复作用的实时耦合，并且可以实时记录并显示整个试验过程中管内压力、管道轴力、应变和构型变化过程，获取以上三种载荷实时耦合下管道试验的关键数据，从而对影响管道失效行为的决定因素给予识别，并对管道的鲁棒性设计提供有效、可靠的指导。
本发明可实现对管道在内压、轴向拉/压和横向往复作用下的响应模式进行准确、便捷地测定。基于测量所得荷载传感器及压力传感器变化时程、管道关键位置应变场分布和整体构型变化等，可准确表征管道变形过程中的轴力、内压等变化规律以及管道响应模式特征，为力学分析模型建立、管道设计和灾害预测等提供依据。
本发明通过刚性外箱、刚性内箱、千斤顶等的配合设计，可巧妙实现充压管道的轴向拉/压，再通过受力螺母与固定端固定夹具等的配合设计，可实现管道固定端的锁紧固定等，结构设计合理，实施简便，可有效实现内压、轴向拉/压和横向往复作用的实时耦合。
本发明可以对于不同规格和形状的试件进行试验，具有很好的实用性和经济性。此外，还可对试件在一端固定另一端施加轴向拉/压荷载、一端固定而另一端轴向自由等多种边界条件下的情况进行试验。本发明的试验装置结构简单紧凑、操作简便。
附图说明
图1为本发明耦合试验装置的整体结构示意图；
图2为本发明耦合试验装置中刚性支撑组件的结构示意图；
图3为本发明耦合试验装置中滑动组件的结构示意图；
图4为本发明中滑动组件的剖切图；
图5为本发明耦合试验装置中固定端组件的结构示意图；
图6为本发明耦合试验装置中载荷施加组件的结构示意图，主要示出作动器结构部分；
图7为本发明中管道的结构原理示意图；
图8为本发明耦合试验装置中滑动端固定组件部分的爆炸图；
图9为本发明耦合试验装置中滑动端固定组件部分的组装剖切图；
图10为本发明耦合试验装置的结构原理示意图，图中省去刚性支撑组件部分结构；
图11为本发明耦合试验装置的结构原理示意图；
图12为本发明耦合试验装置中滑动端固定组件部分的组装原理示意图；
图13为本发明耦合试验装置中固定端固定组件部分的组装原理示意图。
图中：1、反力架立柱；2、反力架横梁；3、地锚杆；4、高强螺杆；5、作动器；6、液压泵站；7、高压水泵；8、非接触式应变位移测量仪；9、计算机；10、采集仪；11、信号线；12、滑轨；13、刚性外箱；14、高强螺栓；15、滑动端移动夹具；16、滑动端固定夹具；17、滑轮；18、刚性底座；19、固定端固定夹具；20、固定端移动夹具；21、第二受力螺母；22、连接器；23、插栓；24、管道；25、应变片；26、喷斑；27、第一受力螺母；28、堵头螺母；29、水阀阀门；30、压力传感器；31、刚性内箱；32、千斤顶；33、荷载传感器；34、刚性顶板；35、高压软管；36、注水管道；37、第一半圆形槽口；38、第二半圆形槽口；39、辅助旋转内孔；
101、固定螺孔；1201、滑轨顶板；1202、滑轨底板；1203、竖直支撑板；1301、外箱体；1302、外箱顶板；1303、竖向侧板；1304、凸耳；1901、第一刚性平板；1902、第二刚性平板；
3101、内箱顶板；3102、内箱底板；3103、内箱侧板；3104、内箱隔板；3105、圆孔；3106、条形槽。
具体实施方式
本发明公开一种充压管道轴向荷载与横向往复作用耦合试验装置，该试验装置包括刚性支撑组件、滑动组件、管道固定组件、荷载施加组件、管道、控制与数据采集组件。所述刚性支撑组件包括刚性反力架；所述滑动组件包括滑轨、刚性外箱、滑轮；所述固定组件包括滑动端固定组件、固定端固定组件；所述荷载施加组件可同时对管道施加轴向荷载和横向往复作用；所述控制与数据采集组件包括荷载传感器、压力传感器、应变片、非接触式应变位移测量仪、采集仪和计算机。本发明可实现内压、轴向拉/压和横向往复作用的实时耦合，并对其响应模式进行准确、便捷地测定。基于测量所得荷载传感器及压力传感器变化时程、管道关键位置应变场分布和整体构型变化等，可准确表征管道变形过程中的轴力、内压等变化规律以及管道响应特征。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。
结合附图，一种充压管道轴向荷载与横向往复作用耦合试验装置，包括刚性支撑组件、滑动组件、管道固定组件、荷载施加组件以及控制与数据采集组件。
所述刚性支撑组件包括刚性反力架，刚性反力架包括反力架立柱1和反力架横梁2，反力架立柱1的顶端与反力架横梁2的一端连接，反力架立柱1的底端通过地锚杆3固定在刚性地板上。
所述滑动组件包括滑轨12、刚性外箱13和滑轮17，滑轨12通过高强螺杆4固定在反力架横梁2上。滑轮17安装在刚性外箱13的上部，刚性外箱13通过滑轮17悬挂在所述滑轨12上。在外力作用下，刚性外箱13能够通过滑轮17沿滑轨12来回滑动。
所述管道固定组件包括滑动端固定组件和固定端固定组件，滑动端固定组件设置在固定端固定组件的上方，在滑动端固定组件和固定端固定组件之间竖向设置有管道24。所述滑动端固定组件包括刚性内箱31和滑动端夹具组件，刚性内箱31设置于刚性外箱13的内部，刚性内箱31能够沿刚性外箱13上下滑动，向上滑动时可对管道24施加轴向拉力，向下滑动时可对管道24施加轴向压力。所述滑动端夹具组件包括滑动端固定夹具16和滑动端移动夹具15，在滑动端固定夹具16和滑动端移动夹具15上设置有与管道的外径一致的第一半圆形槽口37，滑动端固定夹具16通过高强螺栓14固定在刚性外箱13的下部，滑动端移动夹具15通过高强螺栓与滑动端固定夹具16连接。管道24的上端通过第一受力螺母27与刚性内箱31连接。
所述固定端固定组件包括刚性底座18和固定端夹具组件，刚性底座18通过地锚杆3与刚性地板固定连接。固定端夹具组件包括固定端固定夹具19和固定端移动夹具20，固定端固定夹具19的底部通过高强螺栓与刚性底座固定连接，固定端移动夹具20与固定端固定夹具19通过高强螺栓相连接。在固定端固定夹具19和固定端移动夹具20上设置有与管道24的外径一致的第二半圆形槽口38。管道的下端通过第二受力螺母21与固定端夹具组件连接。
所述荷载施加组件包括作动器5、千斤顶32和高压水泵7，作动器5与刚性外箱13连接，随着作动器5的活塞杆伸缩，能够带动刚性外箱13通过滑轮17沿滑轨12横向滑动。千斤顶32的缸体固定在刚性内箱31的内部，千斤顶的缸体通过高压软管35与液压泵站6连接。千斤顶的活塞杆穿过刚性内箱31并与荷载传感器33固定连接，荷载传感器33安装在刚性外箱13上。通过千斤顶32的活塞杆伸缩，能够带动刚性内箱31沿刚性外箱13向上或向下滑动，向上滑动时可对管道施加轴向拉力，向下滑动时可对管道施加轴向压力。
管道24的顶端和底端均设置有用于对管道密封的堵头螺母28，堵头螺母28通过注水管道36连接高压水泵7。在堵头螺母或注水管道处设置有水阀阀门29，堵头螺母28还与压力传感器30连接。压力传感器30用于测量管道内部充压介质压力。
在管道24的轴向和环向还分别粘贴有应变片25，以分别用于测量管道轴向和环向应变数据。
所述控制与数据采集组件包括非接触式应变位移测量仪8，非接触式应变位移测量仪8的拍摄范围覆盖管道24的最大变形范围，可以实时拍摄管道的整个变形过程。所述荷载传感器33、压力传感器30、应变片25和非接触式应变位移测量仪8分别通过信号线11与采集仪10连接，采集仪10与计算机9连接。
作为对本发明的进一步设计，所述第一受力螺母27和第二受力螺母21的结构相同，均包括圆柱状本体，在圆柱状本体的内部沿其轴向设置有贯通的内螺纹孔，该内螺纹孔与管道端部的外螺纹匹配。在圆柱状本体的圆周面上分布有一圈圆柱形的辅助旋转内孔39，该辅助旋转内孔39与内螺纹孔不连通，固定管道时可用直径略小于辅助旋转内孔直径的钢棒插入该辅助旋转内孔中以辅助旋转、拧紧受力螺母。
上述管道24竖向放置。管道24两端外表面加工有外螺纹，所述第一受力螺母27、第二受力螺母21以及堵头螺母28的内部加工有与管道端部外螺纹匹配的内螺纹孔。
更进一步的，所述刚性外箱13包括两个外箱体1301，该两个外箱体1301呈对称分布，在两个外箱体的顶部设置有外箱顶板1302，在两个外箱体的同一侧面设置有外箱侧板，两个外箱体之间形成用于放置刚性内箱的容纳空间。所述滑动端夹具组件安装在两个外箱体1301的底部之间。在外箱顶板1302的两侧设置有竖向侧板1303，所述滑轮17安装在两个竖向侧板1303的内侧；在每个竖向侧板1303上均设置有上下两排滑轮，每排滑轮处于同一高度。所述滑轨12包括滑轨顶板1201和滑轨底板1202，在滑轨顶板1201和滑轨底板1202的中部之间设置有竖直支撑板1203，滑轨的截面呈工字型。所述滑轨顶板1201与反力架横梁2连接，滑轨底板1202的两侧边缘处于上下两排滑轮之间。即上排轴承最外侧圆周面的最下部与下排轴承最外侧圆周面的最上部之间的距离，恰好可以将所述滑轨的滑轨底板1202卡入上下两排滑轮之间。
进一步的，所述刚性内箱31的高度小于容纳空间的高度，刚性内箱31的宽度等于或略小于容纳空间的宽度。因此，刚性内箱31可在两个刚性外箱13之间沿其内侧面上下滑动但又不会发生较大的横向晃动。刚性内箱31包括内箱顶板3101、内箱底板3102和内箱侧板3103，整体呈箱型，刚性内箱的至少一侧敞口，即至少其中一侧没有内箱侧板。在内箱顶板3101和内箱底板3102之间还设置有内箱隔板3104，内箱隔板3104与内箱侧板3103固定连接。千斤顶32的缸体置于内箱顶板3101和内箱隔板3104之间，在内箱顶板3101和外箱顶板1302的对应位置处均设置有圆孔3105。圆孔3105的直径大于千斤顶的活塞杆直径。千斤顶32的活塞杆从圆孔3105中穿过，在外箱顶板上且位于圆孔的正上方处设置有刚性顶板34，所述荷载传感器33安装在刚性顶板34的底部。在内箱底板3102上设置有条形槽3106，该条形槽3106的长度方向垂直于管道往复加载的方向，条形槽3106的宽度与管道24的外直径一致，管道置于条形槽的最内侧后，管道的轴线与作动器的轴线在同一竖直平面内。所述第一受力螺母27共设置两个，该两个第一受力螺母27分别贴合在内箱底板3102的上表面和下表面。
上述荷载传感器33的安装面固定在所述刚性顶板34的下表面，荷载传感器的受荷面与所述千斤顶32的活塞杆固定连接。所述千斤顶通过收缩或伸出活塞杆来带动刚性内箱31相对于刚性外箱13上下移动，进而实现对管道24施加轴向拉力或压力，此时刚性顶板34通过荷载传感器33给千斤顶32提供反力。因此，荷载传感器33所测得的值即管道该时刻所受到的轴向荷载。
在安装好管道后，上述千斤顶32在施加轴力前的初始状态，设定为活塞杆伸出一定长度，使得所述刚性内箱的内箱顶板3101和内箱底板3102在竖直方向上分别距刚性外箱的外箱顶板1302和滑动端夹具组件均有一定距离，进而使千斤顶对管道施加轴向拉/压力时刚性内箱31可分别沿两个刚性外箱之间的容纳空间向上或向下滑动。
更进一步的，在固定端固定夹具19上设置有第一刚性平板1901和第二刚性平板1902，第一刚性平板处于第二刚性平板的正上方；在固定端移动夹具20上设置有第三刚性平板和第四刚性平板，第三刚性平板和第一刚性平板处于同一高度处，第四刚性平板和第二刚性平板处于同一高度处。所述第二半圆形槽口38在第一刚性平板和第三刚性平板的相向内侧边，以及第二刚性平板和第四刚性平板的相向内侧边均有设置。当固定端移动夹具与固定端固定夹具连接后，第一刚性平板和第三刚性平板相拼接，在第一刚性平板和第三刚性平板之间形成第一限位圆孔，第二刚性平板和第四刚性平板相拼接，在第二刚性平板和第四刚性平板之间形成第二限位圆孔。第一限位圆孔和第二限位圆孔的圆心处于同一竖直线上；所述管道24从第一限位圆孔和第二限位圆孔中穿过。所述第二受力螺母21共设置两个，该两个第二受力螺母均处于第一刚性平板和第二刚性平板之间，其中位于上方的第二受力螺母的上表面与第一刚性平板和第三刚性平板的底面相抵触，位于下方的第二受力螺母的下表面与第二刚性平板和第四刚性平板的顶面相抵触。
上述滑动端移动夹具15通过高强螺栓固定到滑动端固定夹具16上后，可恰好将管道上部卡入两个第一半圆形槽口37合成的圆孔内。相应地，固定端移动夹具20通过高强螺栓固定到固定端固定夹具19上后，可恰好将管道下部卡入第一限位圆孔和第二限位圆孔中。以上圆孔可限制管道发生横向晃动，但不限制管道发生轴向移动。
安装管道时，先在管道24顶端各拧入两个第一受力螺母27，在管道底端各拧入两个第二受力螺母21，然后拧入堵头螺母28对管道进行密封。先将管道下端放入固定端固定夹具的半圆形槽口内，调整好竖向位置后用高强螺栓将固定端移动夹具20固定到固定端固定夹具19上，注意此时管道下端的两个第二受力螺母21的竖向位置应在固定端固定夹具的上面两块刚性平板之间，即处于第一刚性平板1901和第二刚性平板1902之间。然后将这两个第二受力螺母21分别向上和向下拧，使上面的第二受力螺母的上平面抵住上面那块刚性平板的下表面，即第一刚性平板1901的下表面；同时下面的第二受力螺母的下平面抵住下面那块刚性平板的上表面，即第二刚性平板1902的上表面。此时，当管道在试验过程受到向上或向下的力时，这两块刚性平板可通过两个第二受力螺母给管道提供反力而保证管道的下端不发生轴向位移。
进一步的，所述作动器5通过连接器22与刚性外箱13铰接。作动器5的活塞杆通过销轴与连接器22的一端铰接，在刚性外箱13的侧面设置有凸耳1304，连接器22的另一端通过插栓23与凸耳1304铰接。
更进一步的，所述管道24在朝向非接触式应变位移测量仪8的外表面，且沿管道轴线方向间隔设置有若干喷斑26，作为标记点。
进一步的，所述刚性反力架设置多个，相互间呈平行布置；每个刚性反力架包括两根反力架立柱1和一根反力架横梁2，一根反力架横梁2的两端分别与两根反力架立柱1的顶端通过高强螺栓相连接。所述滑轨12的伸展方向与反力架横梁2相垂直。在反力架立柱1的侧面竖向间隔设置有固定螺孔101。通过高强螺栓与不同高度处固定螺孔101的配合固定，可将反力架横梁2固定在反力架立柱1的不同高度处。这样可使得反力架横梁2的高度可以上下调节，当然作动器5的竖直高度也可进行相应地上下调节，以满足不同长度管道的要求。
当然，上述固定组件可根据试件的形状和规格进行更换，可实现本装置对不同形状和规格的试件进行耦合荷载的试验。
更进一步的，断开千斤顶32与荷载传感器33的连接，并拆除千斤顶32，则刚性内箱31可以在刚性外箱13内沿高度方向自由上下滑动。此时该装置可对管道进行一端固定、一端轴向自由情况下受内压、往复荷载耦合作用的试验。
本发明通过各组件协同工作，可实现内压、轴向拉/压和横向往复作用的实时耦合，并且可以实时记录并显示整个试验过程中管内压力、管道轴力、应变和构型变化过程，获取以上三种载荷实时耦合下管道试验的关键数据，从而对影响管道失效行为的决定因素给予识别，并对管道的鲁棒性设计提供有效、可靠的指导。
本发明可实现对管道在内压、轴向拉/压和横向往复作用下的响应模式进行准确、便捷地测定。基于测量所得荷载传感器及压力传感器变化时程、管道关键位置应变场分布和整体构型变化等，可准确表征管道变形过程中的轴力、内压等变化规律以及管道响应模式特征，为力学分析模型建立、管道设计和灾害预测等提供依据。
本发明通过刚性外箱、刚性内箱、千斤顶等的配合设计，可巧妙实现充压管道的轴向拉/压，再通过受力螺母与固定端固定夹具等的配合设计，可实现管道固定端的锁紧固定等，结构设计合理，实施简便，可有效实现内压、轴向拉/压和横向往复作用的实时耦合。
上述试验装置中，沿管道24轴向和环向间隔一定距离粘贴应变片，用于记录管道在试验中的实时应变。在管道朝向非接触式应变位移测量仪的外表面沿管道轴线方向间隔粘贴若干标记点，用于非接触式应变位移测量仪记录管道变形位移。
管道通过第一受力螺母27固定于刚性内箱31，通过第二受力螺母21固定于固定端夹具组件，使管道与刚性内箱、固定端夹具组件不会产生相对位移。使用高强螺栓将滑动端移动夹具15连接到滑动端固定夹具16，约束管道的滑动端相对刚性内箱的水平方向上的移动，使管道只能通过刚性内箱31带动做竖向运动。
将非接触式应变位移测量仪8摆放在合适位置，使其拍摄范围覆盖管道的最大变形范围，以便于可以实时拍摄试件的整个变形过程。
试验开始，开启控制与数据采集组件和高压水泵7，输入目标压力值，打开水阀阀门29，启动高压水泵7给管道充水，压力传感器30实时采集压力值，应变片25实时采集管道因内部充压产生的应变。当压力值达到预定值时，高压水泵停止工作并关闭水阀阀门，防止水回流，管道充压完成。开启液压泵站6，输入目标荷载值，启动液压泵站6对千斤顶充压，千斤顶伸/缩活塞杆带动刚性内箱31上下移动以对管道施加轴向拉/压力，荷载传感器33实时测得轴压力值，应变片25实时采集管道因施加轴向荷载产生的应变。当轴力值达到预定值时，液压泵站6停止工作并关闭进/出油口，防止千斤顶卸力，管道施加轴力完成。在整个试验中，千斤顶的活塞杆伸出长度保持不变，直至试验完成。
开启非接触式应变位移测量仪8，同时之前开启的各传感器也持续保持运行状态，计算机9开始实时记录试验中管道的构型变化及其它各参数变化。开启作动器5，输入作动器的加载制度和加载幅值，作动器开始工作，对管道施加横向往复载荷。
上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种充压管道轴向荷载与横向往复作用耦合试验装置，其特征在于：包括刚性支撑组件、滑动组件、管道固定组件与荷载施加组件；
所述刚性支撑组件包括刚性反力架，刚性反力架包括反力架立柱和反力架横梁，反力架立柱的顶端与反力架横梁的一端连接，反力架立柱的底端固定在刚性地板上；
所述滑动组件包括滑轨、刚性外箱和滑轮，滑轨固定在反力架横梁上，滑轮安装在刚性外箱的上部，刚性外箱通过滑轮悬挂在所述滑轨上；在外力作用下，刚性外箱能够沿滑轨来回滑动；
所述管道固定组件包括滑动端固定组件和固定端固定组件，滑动端固定组件设置在固定端固定组件的上方，在滑动端固定组件和固定端固定组件之间竖向设置有管道；
所述滑动端固定组件包括刚性内箱和滑动端夹具组件，刚性内箱设置于刚性外箱的内部，刚性内箱能够沿刚性外箱上下滑动；所述滑动端夹具组件包括滑动端固定夹具和滑动端移动夹具，在滑动端固定夹具和滑动端移动夹具上设置有与管道的外径一致的第一半圆形槽口，滑动端固定夹具固定在刚性外箱的下部，滑动端移动夹具与滑动端固定夹具连接；管道的上端通过第一受力螺母与刚性内箱连接；
所述固定端固定组件包括刚性底座和固定端夹具组件，刚性底座与刚性地板固定连接；固定端夹具组件包括固定端固定夹具和固定端移动夹具，固定端固定夹具的底部与刚性底座固定连接，固定端移动夹具与固定端固定夹具相连接；在固定端固定夹具和固定端移动夹具上设置有与管道的外径一致的第二半圆形槽口；管道的下端通过第二受力螺母与固定端夹具组件连接；
所述荷载施加组件包括作动器、千斤顶和水泵，作动器与刚性外箱连接，随着作动器的活塞杆伸缩，能够带动刚性外箱通过滑轮沿滑轨横向滑动；千斤顶的缸体固定在刚性内箱的内部，千斤顶的缸体通过软管与液压泵站连接，千斤顶的活塞杆穿过刚性内箱并与荷载传感器固定连接，荷载传感器安装在刚性外箱上；通过千斤顶的活塞杆伸缩，能够带动刚性内箱沿刚性外箱向上或向下滑动；
管道的顶端和底端均设置有用于对管道密封的堵头螺母，堵头螺母通过注水管道连接水泵，在堵头螺母或注水管道处设置有水阀阀门，堵头螺母还与用于测量管道内部充压介质压力的压力传感器连接；
在管道的轴向和环向还分别粘贴有用于测量管道轴向和环向应变数据的应变片；
该耦合试验装置还包括控制与数据采集组件，所述控制与数据采集组件包括非接触式应变位移测量仪，非接触式应变位移测量仪的拍摄范围覆盖管道的最大变形范围，所述荷载传感器、压力传感器、应变片和非接触式应变位移测量仪分别通过信号线与采集仪连接，采集仪与计算机连接；
所述刚性外箱包括两个外箱体，该两个外箱体呈对称分布，在两个外箱体的顶部设置有外箱顶板，在两个外箱体的同一侧面设置有外箱侧板，两个外箱体之间形成用于放置刚性内箱的容纳空间；所述滑动端夹具组件安装在两个外箱体的底部之间；
在外箱顶板的两侧设置有竖向侧板，所述滑轮安装在两个竖向侧板的内侧；在每个竖向侧板上均设置有上下两排滑轮，每排滑轮处于同一高度；
所述滑轨包括滑轨顶板和滑轨底板，在滑轨顶板和滑轨底板的中部之间设置有竖直支撑板，滑轨的截面呈工字型；所述滑轨顶板与反力架横梁连接，滑轨底板的两侧边缘处于上下两排滑轮之间；
所述刚性内箱的高度小于容纳空间的高度，刚性内箱的宽度等于容纳空间的宽度；
刚性内箱包括内箱顶板、内箱底板和内箱侧板，刚性内箱的至少一侧敞口，在内箱顶板和内箱底板之间还设置有内箱隔板，内箱隔板与内箱侧板固定连接；
千斤顶的缸体置于内箱顶板和内箱隔板之间，在内箱顶板和外箱顶板的对应位置处均设置有圆孔，千斤顶的活塞杆从圆孔中穿过，在外箱顶板上且位于圆孔的正上方处设置有刚性顶板，所述荷载传感器安装在刚性顶板的底部；
在内箱底板上设置有条形槽，条形槽的宽度与管道的外直径一致，所述管道卡入条形槽中，且置于条形槽的最内侧；
所述第一受力螺母共设置两个，该两个第一受力螺母分别贴合在内箱底板的上表面和下表面；
在固定端固定夹具上设置有第一刚性平板和第二刚性平板，第一刚性平板处于第二刚性平板的正上方；在固定端移动夹具上设置有第三刚性平板和第四刚性平板，第三刚性平板和第一刚性平板处于同一高度处，第四刚性平板和第二刚性平板处于同一高度处；
所述第二半圆形槽口在第一刚性平板和第三刚性平板的相向内侧边，以及第二刚性平板和第四刚性平板的相向内侧边均有设置；当固定端移动夹具与固定端固定夹具连接后，第一刚性平板和第三刚性平板相拼接，在第一刚性平板和第三刚性平板之间形成第一限位圆孔，第二刚性平板和第四刚性平板相拼接，在第二刚性平板和第四刚性平板之间形成第二限位圆孔；第一限位圆孔和第二限位圆孔的圆心处于同一竖直线上；所述管道从第一限位圆孔和第二限位圆孔中穿过；
所述第二受力螺母共设置两个，该两个第二受力螺母均处于第一刚性平板和第二刚性平板之间，其中位于上方的第二受力螺母的上表面与第一刚性平板和第三刚性平板的底面相抵触，位于下方的第二受力螺母的下表面与第二刚性平板和第四刚性平板的顶面相抵触。
2.根据权利要求1所述的一种充压管道轴向荷载与横向往复作用耦合试验装置，其特征在于：所述第一受力螺母和第二受力螺母的结构相同，均包括圆柱状本体，在圆柱状本体的内部沿其轴向设置有贯通的内螺纹孔，该内螺纹孔与管道端部的外螺纹相适配，在圆柱状本体的圆周面上设置有辅助旋转内孔。
3.根据权利要求1所述的一种充压管道轴向荷载与横向往复作用耦合试验装置，其特征在于：所述作动器通过连接器与刚性外箱铰接；作动器的活塞杆通过销轴与连接器的一端铰接，在刚性外箱的侧面设置有凸耳，连接器的另一端通过插栓与凸耳铰接。
4.根据权利要求1所述的一种充压管道轴向荷载与横向往复作用耦合试验装置，其特征在于：所述管道在朝向非接触式应变位移测量仪的外表面，且沿管道轴线方向间隔设置有若干标记点。
5.根据权利要求1所述的一种充压管道轴向荷载与横向往复作用耦合试验装置，其特征在于：所述刚性反力架设置多个，相互间呈平行布置；每个刚性反力架包括两根反力架立柱和一根反力架横梁，一根反力架横梁的两端分别与两根反力架立柱的顶端相连接；所述滑轨的伸展方向与反力架横梁相垂直；在反力架立柱的侧面竖向间隔设置有固定螺孔。
6.根据权利要求1所述的一种充压管道轴向荷载与横向往复作用耦合试验装置，其特征在于：管道的轴线与作动器的轴线在同一竖直平面内。
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