CN103743558B - 一种用于模拟沉管隧道柔性接头的构件 - Google Patents

一种用于模拟沉管隧道柔性接头的构件 Download PDF

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Abstract

一种用于模拟沉管隧道柔性接头的构件，属于工程试验与测试技术领域。本发明由角钢、钢圈、橡胶圈、螺栓、高强钢丝、钢板和钢筋组成。通过在钢垫圈和钢圈中设置水平方向的测力装置来测定沉管隧道缩尺模型接头处的轴力，同时在模拟橡胶止水带两侧设置位移传感器来测定接头位移变化，适用于隧道结构缩尺试验中研究对象为柔性接头时的试验。本发明构造简单，所需材料成本低廉，可以同时精确测定接头处的轴力和位移,且不会损坏传感器及仪器设备。

Description

一种用于模拟沉管隧道柔性接头的构件
技术领域
本发明涉及一种用于模拟沉管隧道柔性接头的构件，属于工程试验与测试技术领域。
背景技术
管段接头是沉管隧道的重要部位,同时也是薄弱部位,其结构强度和刚度相对混凝土管段而言都显得更加脆弱。地震作用或沉管基础和管段的不均匀沉降容易导致接头部位的错动和张开,使接头部位止水效果降低甚至失去止水效果,对沉管隧道的正常运营和安全性能造成很大威胁,接头处的受力性能历来是沉管隧道接头研究的焦点。
采用试验方法测得沉管隧道接头处的受力情况，可以更好地研究沉管隧道接头的性能，为设计及规范的编制提供重要的参考，但一般试验模型只是将原隧道模型根据相似理论进行缩尺而获得，其构造与原模型一样，试验时，接头的反应难以测得，如接头轴力，一般采用应变片测量钢筋应力来获得，其测量结果难以用于隧道的分析与设计，并且应变片本身用于地震作用动态应变测量误差较大。所以精确合理获得沉管隧道接头的力学反应和位移变形是试验成败的关键。基于此，本发明研发了一种用于模拟沉管隧道柔性接头的构件,并进行试验研究，对研究沉管隧道管段接头处的受力和变形性能具有重要的现实意义。
发明内容
本发明提出了一种用于模拟沉管隧道柔性接头的构件。通过在缩尺模型柔性接头设置附加刚性接头，并结合力传感器和位移传感器来获得实际隧道的反应。此模型适用于隧道结构缩尺试验中研究对象为柔性接头时的试验。本发明构造简单，所需材料成本低廉，可以精确测定接头处的力、位移及加速度等反应,且不会损坏传感器及仪器设备，传感器可以重复利用。
一种用于模拟沉管隧道柔性接头的构件，包括钢筋Ⅰ1、角钢Ⅰ2、钢垫圈Ⅰ3、钢圈Ⅰ4、测力装置5、可松动螺栓6、钢板7、钢圈Ⅱ8、高强钢丝9、固定螺栓10、钢垫圈Ⅱ11、橡胶圈12、钢圈Ⅲ13、角钢Ⅱ14和钢筋Ⅱ15，其特征在于：钢垫圈和钢圈均采用钢材，钢筋Ⅰ1与角钢Ⅰ2的埋入混凝土结构16中的肢端焊接，钢垫圈Ⅰ3焊接于未埋入混凝土结构16中的上部和下部角钢Ⅰ2的肢端，钢圈Ⅰ4的一端焊接于钢垫圈Ⅰ3的内壁；钢筋Ⅱ15与角钢Ⅱ14的埋入混凝土结构16中的肢端焊接，钢垫圈Ⅱ11焊接于未埋入混凝土结构16中的上部和下部角钢Ⅱ14的肢端，钢圈Ⅲ13的一端焊接于钢垫圈Ⅱ11的内壁，未施焊的钢垫圈Ⅱ11的一侧涂上强力粘结剂，并与橡胶圈12粘结牢固；在钢圈Ⅱ8上面、下面中部各焊接一块钢板7，在钢板7和未埋入混凝土结构16中的角钢Ⅱ14的肢端上打孔，均匀、对称布置若干根高强钢丝9穿过钢板7和未埋入混凝土结构16中的角钢Ⅱ14的肢端，在未埋入混凝土结构16中的角钢Ⅱ14的肢端一侧拧紧固定螺栓10，在钢板7一侧安置可松动螺栓6，测力装置5固定连接于钢垫圈Ⅰ3与钢圈Ⅱ8之间。
钢圈Ⅱ8的截面形状与钢垫圈Ⅰ3、钢垫圈Ⅱ11的截面形状相同，并且其轴向刚度大于相同长度隧道的轴向刚度。
测力装置5对称分布于截面四个角部。
高强钢丝9连接于隧道模型和钢圈Ⅱ8，并且可松动螺栓6和固定螺栓10的位置可以互换。
橡胶圈12可以换为若干弹簧均匀布置于钢垫圈Ⅱ11未焊接面四周，弹簧一端与钢垫圈Ⅱ11固定连接，另一端与钢圈Ⅱ8连接或者不连接。
高强钢丝9沿角钢Ⅱ14长度方向上均匀、对称布置。
钢垫圈Ⅱ11和钢圈Ⅱ8之间以及钢圈Ⅱ8和钢垫圈Ⅰ3之间内侧分别设置钢圈Ⅲ13和钢圈Ⅰ4作为剪力键。
拧动可松动螺栓6，使得钢圈Ⅱ8和橡胶圈12挤紧时，钢圈Ⅰ4和钢圈Ⅲ13之间要留至少2厘米的空隙，避免二者碰撞。
钢垫圈Ⅱ11和钢圈Ⅱ8之间安装位移计。
本发明的有益效果为：为采用试验方法研究沉管隧道的接头受力及变形性能提供了一种行之有效的做法，该方法简单、便捷，原材料易于获得、廉价，且可以精确测定接头处的力和变形，可用于隧道结构接头试验研究。
附图说明
图1是本发明接头构件的立面图；
图2是本发明接头构件的平面图；
图3是本发明拧紧螺栓时接头构件立面图；
图4是本发明接头构件钢垫圈Ⅰ3和钢圈Ⅰ4焊接横截面示意图；
图5是本发明接头构件钢垫圈Ⅱ11、橡胶圈12和钢圈Ⅲ13连接横截面示意图；
图6是本发明实例的隧道模型横截面详细尺寸图；
图7是本发明实例的隧道模型-接头布置示意图；
图8是本发明实例的接头三维示意图；
图9是本发明接头构件角钢与钢筋焊接图；
图中：1—钢筋Ⅰ，2—角钢Ⅰ，3—钢垫圈Ⅰ，4—钢圈Ⅰ，5—测力装置，6—可松动螺栓，7—钢板，8—钢圈Ⅱ，9—高强钢丝，10—固定螺栓，11—钢垫圈Ⅱ，12—橡胶圈，13—钢圈Ⅲ，14—角钢Ⅱ，15—钢筋Ⅱ，16—混凝土结构，17—绑扎钢丝。
具体实施方式
如图1-9所示，本发明是一种用于模拟沉管隧道柔性接头的构件，包括钢筋Ⅰ1，角钢Ⅰ2，钢垫圈Ⅰ3，钢圈Ⅰ4，测力装置5，可松动螺栓6，钢板7，钢圈Ⅱ8，高强钢丝9，固定螺栓10，钢垫圈Ⅱ11，橡胶圈12，钢圈Ⅲ13，角钢Ⅱ14，钢筋Ⅱ15。钢筋Ⅰ1与角钢Ⅰ2的埋入混凝土结构16中的肢端焊接，钢垫圈Ⅰ3焊接于未埋入混凝土结构16中的上部和下部角钢Ⅰ2的肢端，钢圈Ⅰ4的一端焊接于钢垫圈Ⅰ3的内壁。钢筋Ⅱ15与角钢Ⅱ14的埋入混凝土结构16中的肢端焊接，钢垫圈Ⅱ11焊接于未埋入混凝土结构16中的上部和下部角钢Ⅱ14的肢端，钢圈Ⅲ13的一端焊接于钢垫圈Ⅱ11的内壁，未施焊的钢垫圈Ⅱ11的一侧涂上强力粘结剂，并与橡胶圈12粘结牢固，在钢圈Ⅱ8上面、下面中部各焊接一块钢板7，在钢板7和未埋入混凝土结构16中的角钢Ⅱ14的肢端上打孔，均匀、对称布置若干根高强钢丝9穿过钢板7和未埋入混凝土结构16中的角钢Ⅱ14的肢端，在未埋入混凝土结构16中的角钢Ⅱ14的肢端一侧拧紧固定螺栓10，在钢板7一侧安置可松动螺栓6，测力装置5固定连接于钢垫圈Ⅰ3与钢圈Ⅱ8之间，钢垫圈Ⅱ11和钢圈Ⅱ8之间安装位移计。
洲头咀沉管隧道是广州市一条跨越珠江的水底交通隧道，工程全长3253.034米，其中珠江中340米长为沉管段。沉管段共分四节管，每段为85米长，总计340米，采用柔性接头连接。针对目前关于沉管隧道在各种荷载作用下的受力分析特别是地震作用下的接头处特性研究不够，开展了大型隧道模型-水下接头在多点地震输入下的模拟地震振动台台阵试验，以便更好的把握沉管隧道水下接头以及隧道在地震作用下的应力、变形反应，为洲头咀隧道工程的抗震验算提供强有力的技术支持，为我国沉管隧道抗震规范的制定提供理论和试验依据。
振动台试验缩尺比例1：60，混凝土隧道模型分四段，每段长1400毫米，宽503毫米，混凝土隧道模型上、下壁厚22毫米，两侧壁厚20毫米，由两个内径宽220毫米，高116毫米的矩形孔组成，钢垫圈Ⅰ3厚20毫米，钢圈Ⅰ4厚130毫米，钢圈Ⅱ8厚50毫米，钢垫圈Ⅱ11厚20毫米，橡胶圈12厚15毫米，钢圈Ⅲ13厚50毫米，共有三个接头，本实例中将角钢切割成了锯齿形状，为了避免浇筑混凝土时分层而使得试验中振动使之拉坏。通过北京工业大学九子台阵多维多点地震振动台台阵系统进行了沉管隧道-水下接头振动台试验,精确地测得了接头处的位移和轴力。

Claims (4)

1.一种用于模拟沉管隧道柔性接头的构件，包括钢筋Ⅰ(1)、角钢Ⅰ(2)、钢垫圈Ⅰ(3)、钢圈Ⅰ(4)、测力装置(5)、可松动螺栓(6)、钢板(7)、钢圈Ⅱ(8)、高强钢丝(9)、固定螺栓(10)、钢垫圈Ⅱ(11)、橡胶圈(12)、钢圈Ⅲ(13)、角钢Ⅱ(14)和钢筋Ⅱ(15)，其特征在于：钢垫圈和钢圈均采用钢材，钢筋Ⅰ(1)与角钢Ⅰ(2)的埋入混凝土结构(16)中的肢端焊接，钢垫圈Ⅰ(3)焊接于未埋入混凝土结构(16)中的上部和下部角钢Ⅰ(2)的肢端，钢圈Ⅰ(4)的一端焊接于钢垫圈Ⅰ(3)的内壁；钢筋Ⅱ(15)与角钢Ⅱ(14)的埋入混凝土结构(16)中的肢端焊接，钢垫圈Ⅱ(11)焊接于未埋入混凝土结构(16)中的上部和下部角钢Ⅱ(14)的肢端，钢圈Ⅲ(13)的一端焊接于钢垫圈Ⅱ(11)的内壁，未施焊的钢垫圈Ⅱ(11)的一侧涂上强力粘结剂，并与橡胶圈(12)粘结牢固；在钢圈Ⅱ(8)上面、下面中部各焊接一块钢板(7)，在钢板(7)和未埋入混凝土结构(16)中的角钢Ⅱ(14)的肢端上打孔，均匀、对称布置若干根高强钢丝(9)穿过钢板(7)和未埋入混凝土结构(16)中的角钢Ⅱ(14)的肢端，在未埋入混凝土结构(16)中的角钢Ⅱ(14)的肢端一侧拧紧固定螺栓(10)，在钢板(7)一侧安置可松动螺栓(6)，测力装置(5)固定连接于钢垫圈Ⅰ(3)与钢圈Ⅱ(8)之间；钢圈Ⅱ(8)的截面形状与钢垫圈Ⅰ(3)、钢垫圈Ⅱ(11)的截面形状相同，并且其轴向刚度大于相同长度隧道的轴向刚度。
2.根据权利要求1所述的一种用于模拟沉管隧道柔性接头的构件，其特征在于：测力装置(5)对称分布于截面四个角部；高强钢丝(9)连接于隧道模型和钢圈Ⅱ(8)，并且可松动螺栓(6)和固定螺栓(10)的位置可以互换。
3.根据权利要求1所述的一种用于模拟沉管隧道柔性接头的构件，其特征在于：橡胶圈(12)可以换为若干弹簧均匀布置于钢垫圈Ⅱ(11)未焊接面四周，弹簧一端与钢垫圈Ⅱ(11)固定连接，另一端与钢圈Ⅱ(8)连接或者不连接：高强钢丝(9)沿角钢Ⅱ(14)长度方向上均匀、对称布置。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于模拟沉管隧道柔性接头的构件，其特征在于：钢垫圈Ⅱ(11)和钢圈Ⅱ(8)之间以及钢圈Ⅱ(8)和钢垫圈Ⅰ(3)之间内侧分别设置钢圈Ⅲ(13)和钢圈Ⅰ(4)作为剪力键；拧动可松动螺栓(6)，使得钢圈Ⅱ(8)和橡胶圈(12)挤紧时，钢圈Ⅰ(4)和钢圈Ⅲ(13)之间要留至少2厘米的空隙，避免二者碰撞；钢垫圈Ⅱ(11)和钢圈Ⅱ(8)之间安装位移计。
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