模拟海流载荷下管土动力相互作用的加载系统

摘要

本发明公开一种模拟海流载荷下管土动力相互作用的加载系统，包括模拟海流向管道施加循环载荷的加载装置和测量管道位移的测量装置，其中加载装置包括将输入的匀速转动转换为往复转动的传动装置、将往复转动转化为指定常荷载与正弦荷载叠加的位移载荷转化装置和根据所述管道的位移调整绳索的长度，使得循环载荷不因多周期的累积管道位移而发生衰减的位移修正装置。通过加载装置生成循环载荷，对管道加载，从而模拟波流等动力载荷对部分嵌入土体海底管道的循环作用；加载方向、大小、周期、幅值均可调节，可实现对模型管道所受外载荷、管道位移、管道邻近土体孔压变化的实时同步测量，结构更为简单、制作成本也相对较低。

说明书

技术领域

本发明涉及海底管道工程、海洋土力学及海洋基础工程技术，尤其是一 种模拟海流载荷下管土动力相互作用的加载系统。

背景技术

海底油气管道、海底电缆、光缆等海底管系结构作为有效的海底运输与 通讯手段，已在全球海洋工程中被广泛应用。对于缺乏填埋、加固措施的深 海管道，海底管系结构在海洋波流环境下工作，易受到循环载荷的影响而发 生地基土体承载能力降低、管系结构附加嵌入等现象，严重时可能发生管系 结构失稳破坏，造成巨大的经济损失和环境灾害。

在海洋环境中，单向海流沿侧向流经床面上非埋管道时，受到粘滞力、 绕流压力差，绕流尾涡脉动的影响，管道的侧向受力可以简化为一个与床面 成一定角度、由较大的常荷载和幅值较小的正弦载荷相叠加的循环载荷。而 当海底管道路径出现弯曲时(常见于水下长输管道)，季节性水温变化、输 运物质速度波动等因素也将在管系结构侧向产生循环载荷。循环载荷来源复 杂，周期、幅值跨度大，对地基土体的影响也因此较为复杂；一方面，排水 能力较弱的地基在高频率大幅度的循环载荷作用下，可能由于孔压消散不及 造成土体液化而促使结构失稳破坏；另一方面，循环载荷也可能增大海底管 道埋深，从而提高管系结构侧向、轴向稳定性。因此，研究侧向周期荷载下 海底管系结构与床面土体相互作用的特征和机理，对未来深海工程中确保海 底管道稳定性而言非常重要。

目前，针对海底管系结构在静载荷下的极限承载能力的研究已经日趋完 善，同时可生成常荷载的加载装置也较为成熟。参见：

^【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，在循环载荷下管土动力作用的问题尚存在较大的研究空间；现在 普遍使用的液压伺服循环加载设备也存在技术复杂、研制成本高等不足。

发明内容

本发明提供一种模拟海流载荷下管土动力相互作用的加载系统，用于克 服现有加载方法的不足，实现简化设备构造，并达到降低设备成本的目的。

本发明提供一种模拟海流载荷下管土动力相互作用的加载系统，包括循 环载荷加载装置、约束装置以及测量装置；其中：

循环载荷加载装置，用于向置于床面上的管道两端的中心轴施加循环载 荷，包括：

传动装置，将电机输入的匀速转动转换为模拟正弦的往复转动；输 入端与电机主轴传动连接，输出端与位移载荷转化装置连接；

所述位移载荷转化装置，将上述往复转动转化为指定常荷载与模拟 正弦荷载叠加的循环荷载；包括线筒、加载弹簧以及第一配重块；所述 线筒中心轴与所述传动装置输出端连接；所述第一配重块通过绳索绕设 在线筒上；所述加载弹簧一端通过绳索绕设在所述线筒上，另一端连接 在所述管道中心轴上；

位移修正装置，用于根据所述管道的位移调整绳索的长度，使得循 环载荷不因多周期的累积管道位移而发生衰减；包括单向轴承，所述线 筒包括所述线筒中心轴和套设于所述线筒中心轴上的外筒，所述单向轴 承设置在所述线筒中心轴与外筒之间；

测量装置，用于实时测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围土体在循环载荷下孔压；包括用于测量 施加在所述管道上循环载荷拉力的拉力传感器、用于测量所述管道沿床面水 平位移的水平激光位移传感器、用于测量所述管道垂直床面方向的嵌入深度 的垂直激光位移传感器、用于测量所述管道邻近土体在循环载荷下孔压变化 的孔压传感器和用于对上述传感器的工作进行同步触发和采集传输的多通 道数据同步采集系统。

其中，所述传动装置包括第一传动装置和第二传动装置，其中，所述第 一传动装置用于将输入的匀速转动转换为往复平动；第二传动装置用于将输 入的往复平动转换为往复转动。

进一步地，所述第一传动装置包括曲柄盘、连杆和滑块；

所述曲柄盘中心与所述电机主轴固定连接；

所述曲柄盘上设置有至少一个轴孔；

所述连杆一端与所述第二传动装置输入端铰接，另一端与所述轴孔铰 接；

所述滑块固定在所述第二传动装置输入端；

在固定于土槽的机架上设有水平直线导轨，所述滑块能在所述水平直线 导轨上滑动。

更进一步地，所述第二传动装置包括齿条和齿轮；

所述齿条一端与所述连杆一端连接，所述齿条与所述齿轮啮合；

所述齿轮的中心轴与所述线筒中心轴传动连接或固定连接；

所述滑块底部具有与所述水平直线导轨配合的滑槽，所述滑块顶部与所 述齿条底部连接。

特别是，连接在所述管道的中心轴与加载弹簧之间的绳索缠绕在至少一 个定滑轮上。

其中，该加载系统还包括：

常量载荷加载装置，用于向所述管道两端的中心轴施加常量载荷。

进一步地，所述常量载荷加载装置包括第二配重块和至少一个定滑轮， 所述第二配重块通过缠绕在所述定滑轮上的绳索连接在所述管道的中心轴 上。

其中，所述加载装置还包括约束装置，用于限定所述管道的转动，使得 所述管道在床面上平动；

所述约束装置包括至少一个平行四边形框架；

所述平行四边形框架包括两水平边框和两斜边框，所述斜边框的两端均 铰接在所述水平边框上；

位于下方的所述水平边框通过支架与所述管道固定连接，位于上方的另 一所述水平边框连接在能水平移动的小车上。

进一步地，所述土槽上设置有一位于所述管道上方的水平轨道，所述小 车上设置有至少一个滚轮，所述滚轮设置在所述水平轨道上。

其中，所述拉力传感器设置在连接所述加载弹簧与管道中心轴之间的绳 索上；

所述垂直激光位移传感器设置在所述小车上；

所述水平激光位移传感器设置在一架体上，该架体与所述土槽固定连 接；

所述孔压传感器设置在管道与床面接触的部分上。

本发明提供的模拟海流载荷下管土动力相互作用的加载系统，通过循环 载荷加载装置可生成一循环载荷，并沿侧向对模型管道加载，用以模拟波流 等动力载荷对部分嵌入土体海底管道的循环(脉动)作用；其中，加载方向， 大小，荷载的周期、幅值，均可调节，通过测量装置可实现对模型管道所受 外载荷、管道位移、管道邻近土体孔压变化的实时同步测量，同时允许在实 验过程中对管土作用的动力学过程进行实时观测；相对于现有循环加载手 段，本方案中的循环载荷加载装置结构更为简单、制作成本也相对较低。

附图说明

图1为本发明提供的加载系统的实施例一的主视图；

图2为本发明提供的加载系统的实施例一中循环载荷加载装置及常量载 荷加载装置的结构示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明提供的加载系统中传动装置的结构示意图；

图5为图4中连杆的运行状态参考示意图一；

图6为图5中连杆的运行状态参考示意图二；

图7为本发明提供的加载系统的实施例二的主视图。

具体实施方式

实施例一

参见图1，管道1置于实验槽中水面10下的床面20上；用于模拟海流 载荷下的模型管道，本发明实施例提供一种模拟海流载荷下管土动力相互作 用的加载系统，包括循环载荷加载装置30、约束装置40、测量装置50和常 量载荷加载装置90。用于模拟循环载荷与床面平行时的加载，例如因季节性 温度变化或运输物质速度脉动产生的循环载荷。

循环载荷加载装置30用于向管道1两端的中心轴11施加循环载荷，循 环载荷加载装置30包括传动装置、位移载荷转化装置和位移修正装置；参 见图3；

传动装置将电机21输入的匀速转动转换为模拟正弦的往复转动，本实 施例中为近似的正弦往复转动；输入端与电机主轴21a传动连接，输出端与 位移载荷转化装置3连接；包括能实现将匀速转动转换为直线往复运动的所 有机械机构；

传动装置包括第一传动装置和第二传动装置，其中，第一传动装置将输 入的匀速转动转换为恒定周期的往复平动；例如连接机构；第二传动装置将 输入的恒定周期的往复平动转换为恒定周期的往复转动；

作为第一传动装置的优选方案，参见图2-6，传动装置2包括曲柄盘22、 连杆23和滑块72，连杆23与第二传动装置输入端之间通过连接件24连接； 曲柄盘中心轴22a与电机主轴21a固定连接；曲柄盘22上设置有至少一个 轴孔22b；连杆23一端D与连接件24铰接，连接件24与第二传动装置输入 端连接，连杆23另一端F与轴孔22b铰接，E点与曲柄盘中心轴22a固定连 接或传动连接；

作为第二传动装置的优选方案，参见图2、图3，包括齿条31、齿轮32， 齿条31一端与第一传动装置的输出端即连杆23一端D铰接接，齿条31与 齿轮32啮合；本实施例中，齿条31通过连接件24与连杆23一端D铰接； 滑块72固定设置在齿条31上，机架70上设有水平直线导轨71，滑块72能 在水平直线导轨71上滑动。滑块72底部具有与水平直线导轨71配合的滑 槽，滑块72顶部与齿条31底部连接；滑块72与水平直线导轨71的配合用 于保证齿条31始终沿水平直线方向移动。机架70固定在土槽60上。

电机21为可调速步进电机，为整个加载系统提供动力。第一传动装置构 成曲柄滑块机构，可将电机21的匀速转动转化为恒定周期的往复平动。第 二传动装置为齿轮齿条机构，将往复平动转化为往复转动。

工作中，电机21的转动周期与循环载荷周期相等，可实现对循环加载 周期的定量调节。曲柄盘22含多个轴孔22b，与连杆23连接，通过孔心距 调节往复运动的行程。传动部件在连接部分安装转动轴承以减小传动损耗， 轴与轴承非过盈配合以方便拆装，可迅速更换曲柄盘的轴孔。

水平直线导轨71与齿条31固定，用于约束齿条31的转动与竖直方向 上的位移，同时使齿条31沿水平方向无阻力滑动。

参见图2、图3，位移载荷转化装置用于将上述往复转动转化为指定常 荷载与模拟正弦荷载叠加的循环荷载；这里的模拟正弦载荷是近似正弦载 荷，包括线筒33、加载弹簧34以及第一配重块35；线筒中心轴33a与齿轮 中心轴32a在本实施例中为一体设置；第一配重块35通过绳索绕设在线筒 33上；加载弹簧34一端通过绳索绕设在线筒33上，另一端连接在管道中心 轴11上；作为连接方式的扩展，线筒中心轴33a与齿轮中心轴32a可以固 定连接，还可以通过键或其它配件传动连接，在此均不做限定，只要满足能 将齿轮32的转动力矩传递给线筒33即可。

位移载荷转化装置将线筒33的往复转动转化为指定常荷载与近似正弦 荷载叠加的循环荷载，并输出给加载对象。通过调整第一配重块35的重量 可定量调节常荷载大小，通过调整加载弹簧34的弹性系数可定量调节正弦 荷载幅值。

为了增加循环载荷的施加在管道上的灵活性，根据需要改变施加在管道 上的循环载荷方向，连接在管道中心轴11与加载弹簧34之间的绳索缠绕在 至少一个第一定滑轮36上。参见图1，本实施例中通过两个第一定滑轮36 使得循环载荷的加载方向与床面平行；

参见图3，位移修正装置根据管道1的位移调整绳索的长度，使得循环 载荷不随多周期管道累积位移发生衰减；包括单向轴承41，线筒33包括线 筒中心轴33a和套设于线筒中心轴上的外筒33b，单向轴承41设置在线筒中 心轴33a与外筒33b之间；

线筒内、外轴的设计可对模型管道沿加载方向产生的位移进行自动修 正，以消除多次循环后可能产生的弹簧松弛问题。

线筒外轴即外筒33b上缠绕两股绳索，分别连接加载弹簧34和第一配重 块35。加/卸载过程中，线筒中心轴33a带动外筒33b往复转动。进一步的， 外筒33b带动加载弹簧34，将往复转动通过加载弹簧34的张弛转化为循环 荷载，并作用在加载对象管道1上。根据加载需要，第二配重块92可不安 装，牵引方向也可变。通过改变第一配重块35、第二配重块92，可定量调 整常荷载分量的大小；通过改变加载弹簧34的劲度系数,可定量调整正弦荷 载分量的幅值。

如图3所示，线筒中心轴33a与齿轮32固定，工作中随齿轮32作往复 转动。根据线筒内外轴的传动特点，当模型管道沿加载方向出现位移时，在 卸载过程刚开始状态，参见图5，外筒33b跟随线筒中心轴33a转动，并在 随后的一时刻停止转动，该机构将在第一配重块35的作用下自动回收与该 位移相等长度的牵引索，以防止该位移造成的加载弹簧34的松弛累积到下 一循环。在单向轴承41的作用下，外筒33b只能相对线筒中心轴33a顺时 针转动，反方向即逆时针方向则制动。

参见图1、图3，常量载荷加载装置90用于向管道两端的中心轴11施 加常量载荷。常量载荷加载装置包括第二配重块91和至少一个第二定滑轮 92，第二配重块91通过缠绕在第二定滑轮92上的绳索连接在管道中心轴11 上。本实施例中通过两个第二定滑轮92使得常量载荷的加载方向与床面平 行；

参见图1，约束装置40，用于限定管道1的转动，使得管道1只能在床 面20上平动；禁止管道滚动的情况下，可采用此装置；允许管道滚动的情 况下，可不用此装置。

作为约束装置的优选方案，约束装置40包括至少一个平行四边形框架； 平行四边形框架包括两水平边框61和两斜边框62，斜边框62的两端均铰接 在水平边框61上；共同围设呈一平行四边形；位于下方的水平边框通61过 支架63与管道1固定连接，位于上方的另一水平边框61连接在能水平移动 的第一滑动小车64上。其中，土槽60上设置有一位于管道1上方的水平轨 道8，第一滑动小车64上设置有至少一个滚轮64a，滚轮64a设置在水平轨 道8上。

为进一步增加约束装置40的灵活性，图1中的约束装置40包括两个沿 垂直于河床20方向排列的平行四边形框架。位于上方的平行四边形框架与 位于下方的平行四边形框架共用一个水平边框61，共包含上、中、下三个位 置的水平边框61和四个斜边框62，其中位于中间位置的水平边框61为共用 的，当管道在床面上平动时，两个平行四边形框架能够随管道在垂直方向上 移动而任意调节，相对一个平行四边形框架灵活性更高，并且，垂直方向位 移的调节量更大。

参见图1，测量装置50，用于实时测量管道1沿床面的水平位移、垂直 床面方向的嵌入深度、施加在管道1上加载力的大小和管道1邻近土体在循 环载荷下的孔压；测量装置包括用于测量施加在管道1上循环载荷拉力的拉 力传感器51、用于测量管道沿床面水平位移的水平激光位移传感器52、用 于测量管道垂直床面方向的嵌入深度的垂直激光位移传感器53、用于测量管 道1以及管道1周围土体在循环载荷下孔压的孔压传感器54和用于采集上 述传感器读数并将读数传给电脑保存的多通道数据同步采集系统55。

如图1所示，水平位移激光传感器52和垂直位移激光传感器53均可实 现非接触测量；拉力传感器51沿连接在加载弹簧34与管道1之间的绳索布 置，测量作为模型的管道1所受的循环载荷。垂向激光位移传感器布置在约 束装置40顶部，测量模型管道垂直床面方向的位移。水平向激光位移传感 器布置在实验土槽内侧，测量模型管道沿水平床面方向的位移。孔压传感器 54为多个，嵌入并固定于模型管道外表面，测量模型管道相邻的土体在循环 载荷下的孔压响应。上述传感器(包括拉力传感器51、水平激光位移传感器 52、垂直激光位移传感器53和孔压传感器54)所测数据传输至多通道数据 同步采集系统55，以完成对实验物理参数的同步测量与记录。多通道数据同 步采集系统55为多通道数据同步采集卡。

本发明提供的模拟海流载荷下管土动力相互作用的加载系统，加载过程 如下：

启动电机21，电机主轴21a带动曲柄盘22转动，曲柄盘22带动连杆 23转动，连杆23的F端绕曲柄盘中心E点转动，进而带动连杆23的D端平 动，由于连杆23a的D端通过连接件24与齿条31连接，齿条31受滑块72 约束只能沿水平直线导轨71滑动，因此D端只能水平移动，由此，曲柄盘 22和连杆将电机21的匀速转动转化为连杆23的D端的往复平动；

连杆23的D端借助连接件24与齿条31连接，并将往复移动输入给齿 条31，由于齿条31仅能沿直线导轨71滑动，齿条31在滑动过程中将往复 平动通过与其啮合的齿轮32转化为齿轮32的往复转动；

齿轮32与线筒33中心轴33a固定连接或传动连接，线筒中心轴33a带 动线筒的外筒33b往复转动，外筒33b在往复转动过程中借助缠绕于其两侧 的第一配重块35和加载弹簧34生成循环载荷，并施加于管道1上；本实施 例中齿轮32中心轴与线筒33中心轴33a同轴设置。

通过调整曲柄盘22上与连杆23的F端连接的轴孔22b到曲柄盘22中 心的距离可定量调节往复运动的行程，通过调整电机21转速可调整循环载 荷的周期，在工作中，一次往复运动对应一个加-卸载循环，加载过程加载 弹簧34受拉力逐渐增大，外筒33b顺时针转动，齿条31向左移动，至连杆 23移动到最左端时，与连杆23与曲柄盘上连接E点的曲柄盘中心轴与连接 F端的轴孔的连线之间呈180度夹角，加载结束，参见图6；卸载过程中加 载弹簧34受拉力逐渐减小，外筒33b逆时针转动，齿条31向右移动，至连 杆23移动到最右端时，连杆23与曲柄盘上连接E点的曲柄盘中心轴与连接 F端的轴孔的连线重叠，参见图5，往复行程越大，一个周期内结构物位移 对加载力的影响越小；

通过循环载荷加载装置可生成一循环载荷，并沿侧向对管道加载，用以 模拟波流等动力载荷对部分嵌入土体海底管道的循环(脉动)作用；其中， 加载方向可通过第一定滑轮36以及绳索绕设调节，载荷大小可通过第一配 重块35的重量、第二配重块35的重量和加载弹簧34的弹性系数以及曲柄 盘上轴孔到电机主轴的距离进行调节，荷载的周期可通过电机的转速进行调 节，载荷的幅值可通过加载弹簧34的弹性系数进行调节，通过测量装置可 实现对模型管道所受外载荷、管道位移、管道邻近土体孔压变化的实时同步 测量，同时允许在实验过程中对管土作用的动力学过程进行实时观测；相对 于现有加载手段，本方案中的循环载荷加载装置结构更为简单、制作成本也 相对较低。

拉力传感器51设置在连接加载弹簧34与管道中心轴11之间的绳索上； 垂直激光位移传感器53设置在平行四边形边框中的位于上方的水平边框64 上；水平激光位移传感器与土槽60固定连接；孔压传感器设置在管道1与 床面20接触的部分上。

管道1在循环载荷的作用下仅能在床面20上做水平运动或在垂直于床 面方向出现少量嵌入，施加的循环载荷的大小通过拉力传感器51测量，管 道水平方向的位移通过水平激光位移传感器52测量，垂直于床面方向的嵌 入深度通过垂直激光位移传感器53测量，管道1以及管道1周围土体在循 环载荷下的孔压通过孔压传感器54测量。

实施例二

参见图7，实现循环载荷和常载荷与床面成一定夹角时的加载模拟，例 如床面管道在水平来流下所受到的脉动载荷；与实施例一不同之处在于循环 载荷的方向以及常载荷的方向不同，实施例一中的循环载荷和常载荷方向均 平行于床面，且方向相反；本实施例中循环载荷与常载荷均与床面呈一锐角； 本实施例中，第一定滑轮36固定在水平轨道8上，并通过在水平轨道上设 置的第二滑动小车65进一步改变循环载荷加载方向，此外，第二滑动小车 65还可以在实验过程让循环载荷方向随管道水平位移相对不变。

实验过程中，上述加载装置的操作步骤如下

1.实验准备：

加载装置：

(1)确定所需荷载，预估1次循环内结构物的位移与方向。在曲柄盘 22上选择合适的轴孔22b位安装连杆23，根据结构物位移的预估值校核B 点往复运动行程。

(2)根据B点位移选择加载弹簧34，使正弦荷载幅值达到实验所需值。

(3)选择第一配重块35和第二配重块92，使常荷载大小达到实验所需 值。

(4)确认曲柄盘22轴心、连杆23、齿条41共线并处于图5所示的状 态。连接A、B、C处的绳索，使加载弹簧34在第一配重块35牵引下自然伸 长。

其余装置：

(1)制备平整床面。

(2)在模型管道1上安装孔压传感器54。

(3)根据实验需要，增减模型管道1内的配重块以调整其水下重量。

(4)在模型管道1上安装约束装置40。安装激光位移传感器。

(5)将模型管道1缓慢下降至床面，过程中通过垂向激光位移传感器记 录模型管道1的初始嵌入深度。

(6)安装拉力传感器51。

(7)根据所模拟的循环载荷类型，选择适当的布置方案，通过牵引索将 模型管道1与加载系统连接。

2.循环加载：

(1)开启电动机21，开始加载。同时打开多通道数据同步采集系统55。

(2)系统对管道模型1进行侧向多循环加载，直至完成实验后停止加载， 同时关闭多通道数据同步采集系统55。

3.设备复位：

加载装置：

(1)继续开动电机，使装置完全回复到图5所示的状态。

(2)断开A、B、C三处绳索，卸下加载弹簧34、第一配重块35。

(3)转动外筒33b，直至线筒与绳索回复到加载前状态。

其余装置：

(1)断开加载弹簧34与管道1之间的绳索。依次拆除拉力传感器51、 垂向激光位移传感器、水平激光位移传感器。

(2)将模型管道1吊离床面后，拆除管道约束装置40。

(3)将模型管道1完全移出实验土槽。