[發(fā)明專利]模擬海流載荷下管土動(dòng)力相互作用的加載系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510087484.2
• 申請(qǐng)日: 2015-02-25
• 公開（公告）號(hào): CN104729843B
• 公開（公告）日: 2017-03-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 汪寧;高福平;胡存
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所
• 主分類號(hào): G01M13/00
• 分類號(hào): G01M13/00;G01N3/36
• 代理公司: 北京和信華成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11390
• 代理人: 胡劍輝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及海底管道工程、海洋土力學(xué)及海洋基礎(chǔ)工程技術(shù)，尤其是一種模擬海流載荷下管土動(dòng)力相互作用的加載系統(tǒng)。

背景技術(shù)

海底油氣管道、海底電纜、光纜等海底管系結(jié)構(gòu)作為有效的海底運(yùn)輸與通訊手段，已在全球海洋工程中被廣泛應(yīng)用。對(duì)于缺乏填埋、加固措施的深海管道，海底管系結(jié)構(gòu)在海洋波流環(huán)境下工作，易受到循環(huán)載荷的影響而發(fā)生地基土體承載能力降低、管系結(jié)構(gòu)附加嵌入等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生管系結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境災(zāi)害。

在海洋環(huán)境中，單向海流沿側(cè)向流經(jīng)床面上非埋管道時(shí)，受到粘滯力、繞流壓力差，繞流尾渦脈動(dòng)的影響，管道的側(cè)向受力可以簡(jiǎn)化為一個(gè)與床面成一定角度、由較大的常荷載和幅值較小的正弦載荷相疊加的循環(huán)載荷。而當(dāng)海底管道路徑出現(xiàn)彎曲時(shí)(常見于水下長(zhǎng)輸管道)，季節(jié)性水溫變化、輸運(yùn)物質(zhì)速度波動(dòng)等因素也將在管系結(jié)構(gòu)側(cè)向產(chǎn)生循環(huán)載荷。循環(huán)載荷來源復(fù)雜，周期、幅值跨度大，對(duì)地基土體的影響也因此較為復(fù)雜；一方面，排水能力較弱的地基在高頻率大幅度的循環(huán)載荷作用下，可能由于孔壓消散不及造成土體液化而促使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞；另一方面，循環(huán)載荷也可能增大海底管道埋深，從而提高管系結(jié)構(gòu)側(cè)向、軸向穩(wěn)定性。因此，研究側(cè)向周期荷載下海底管系結(jié)構(gòu)與床面土體相互作用的特征和機(jī)理，對(duì)未來深海工程中確保海底管道穩(wěn)定性而言非常重要。

目前，針對(duì)海底管系結(jié)構(gòu)在靜載荷下的極限承載能力的研究已經(jīng)日趨完善，同時(shí)可生成常荷載的加載裝置也較為成熟。參見：

^【1】Gao,F.P.,Yan,S.M.,Yang,B.,Luo,C.C.,2011.Steady?flow-induced?instability?of?a?partially?embedded?pipeline:pipe–soil?interaction?mechanism.

^【2】Wagner,D.A.,Murff,J.D.,Brennodden,H.,Sveggen,O.,1989.Pipe–soil?interaction?model.Journal?of?Waterway,Port,Coastal,Ocean?Engineering?115(2),205–220.

然而，在循環(huán)載荷下管土動(dòng)力作用的問題尚存在較大的研究空間；現(xiàn)在普遍使用的液壓伺服循環(huán)加載設(shè)備也存在技術(shù)復(fù)雜、研制成本高等不足。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種模擬海流載荷下管土動(dòng)力相互作用的加載系統(tǒng)，用于克服現(xiàn)有加載方法的不足，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化設(shè)備構(gòu)造，并達(dá)到降低設(shè)備成本的目的。

本發(fā)明提供一種模擬海流載荷下管土動(dòng)力相互作用的加載系統(tǒng)，包括循環(huán)載荷加載裝置、約束裝置以及測(cè)量裝置；其中：

循環(huán)載荷加載裝置，用于向置于床面上的管道兩端的中心軸施加循環(huán)載荷，包括：

傳動(dòng)裝置，將電機(jī)輸入的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為模擬正弦的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)；輸入端與電機(jī)主軸傳動(dòng)連接，輸出端與位移載荷轉(zhuǎn)化裝置連接；

所述位移載荷轉(zhuǎn)化裝置，將上述往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為指定常荷載與模擬正弦荷載疊加的循環(huán)荷載；包括線筒、加載彈簧以及第一配重塊；所述線筒中心軸與所述傳動(dòng)裝置輸出端連接；所述第一配重塊通過繩索繞設(shè)在線筒上；所述加載彈簧一端通過繩索繞設(shè)在所述線筒上，另一端連接在所述管道中心軸上；

位移修正裝置，用于根據(jù)所述管道的位移調(diào)整繩索的長(zhǎng)度，使得循環(huán)載荷不因多周期的累積管道位移而發(fā)生衰減；包括單向軸承，所述線筒包括所述線筒中心軸和套設(shè)于所述線筒中心軸上的外筒，所述單向軸承設(shè)置在所述線筒中心軸與外筒之間；

測(cè)量裝置，用于實(shí)時(shí)測(cè)量所述管道沿床面的水平位移、垂直床面方向的嵌入深度以及所述管道以及管道周圍土體在循環(huán)載荷下孔壓；包括用于測(cè)量施加在所述管道上循環(huán)載荷拉力的拉力傳感器、用于測(cè)量所述管道沿床面水平位移的水平激光位移傳感器、用于測(cè)量所述管道垂直床面方向的嵌入深度的垂直激光位移傳感器、用于測(cè)量所述管道鄰近土體在循環(huán)載荷下孔壓變化的孔壓傳感器和用于對(duì)上述傳感器的工作進(jìn)行同步觸發(fā)和采集傳輸?shù)亩嗤ǖ罃?shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)。

其中，所述傳動(dòng)裝置包括第一傳動(dòng)裝置和第二傳動(dòng)裝置，其中，所述第一傳動(dòng)裝置用于將輸入的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為往復(fù)平動(dòng)；第二傳動(dòng)裝置用于將輸入的往復(fù)平動(dòng)轉(zhuǎn)換為往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述第一傳動(dòng)裝置包括曲柄盤、連桿和滑塊；

所述曲柄盤中心與所述電機(jī)主軸固定連接；

所述曲柄盤上設(shè)置有至少一個(gè)軸孔；

所述連桿一端與所述第二傳動(dòng)裝置輸入端鉸接，另一端與所述軸孔鉸接；