CN103758532A - 一种地铁盾构隧道管片接头的短期主动加固方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地铁盾构隧道管片接头的短期主动加固方法，包括：（1）在盾构隧道衬砌环的封顶块与邻接块的接头部位预留形状记忆合金螺栓安装孔，封顶块中手孔的大小应便于形状记忆合金螺栓的装卸；（2）当封顶块与邻接块的接头张开量过大，或封顶块与邻接块的外弧面混凝土压应变过大，或封顶块与邻接块的连接钢螺栓拉应变过大时，将预拉伸过的形状记忆合金螺栓装入封顶块与邻接块的接头部位预留的形状记忆合金螺栓安装孔中；（3）对形状记忆合金螺栓进行加热，使其温度达到奥氏体相变结束温度以上并基本保持不变。本发明方法具有加固效果好、操作简单快捷、经济性好、加固部件可重复使用、加固期间不影响地铁正常运营等优点。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程结构智能控制技术领域，具体涉及一种采用形状记忆合金螺栓的地铁盾构隧道管片接头的短期主动加固方法。
背景技术
形状记忆合金是一种兼有感知和驱动功能的功能材料，目前已广泛应用于仪器仪表、自动控制、航空航天、医疗器具、汽车工程、土木工程、机器人等领域。
形状记忆合金在土木工程结构中的应用包括被动控制和主动控制两个方面，其中后者主要是利用形状记忆合金特有的形状记忆效应，将常温下处于马氏体状态的形状记忆合金固设在土木工程结构中，环境作用下结构的变形会诱发形状记忆合金产生变形，或者在结构发生变形之后再将预处理过的形状记忆合金固设在结构中，此时只要将形状记忆合金加热至其奥氏体相变结束温度以上，形状记忆合金就会呈现出独特的形状记忆效应，进而对土木工程结构产生很大的回复力以减小土木工程结构的变形，从而达到修复或加固结构的目的。
目前，人们对采用形状记忆合金进行土木工程结构修复或减小结构变形的研究很多，大多是将形状记忆合金用于梁、柱、板、桥墩、梁柱节点等结构中，但是还没有将形状记忆合金用于地下结构，例如用于地铁盾构隧道管片的相关研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单、经济、高效的采用形状记忆合金螺栓对地铁盾构隧道管片接头进行短期主动加固的方法。该加固方法主要用于盾构隧道衬砌环的封顶块与邻接块的接头的加固，加固地铁盾构隧道管片接头的前提是新建地铁盾构隧道衬砌环的封顶块与邻接块的接头部位要有预留的形状记忆合金螺栓安装孔。当地铁盾构隧道衬砌环的封顶块与邻接块的接头结构损伤较大时，将预拉伸过的形状记忆合金螺栓装入管片的预留的形状记忆合金螺栓安装孔中，利用形状记忆合金螺栓对盾构管片接头产生的闭合回复力，促使封顶块与邻接块的接头张开量、连接钢螺栓拉应变以及外弧面混凝土压应变均减小，从而实现地铁盾构隧道管片接头的加固。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种地铁盾构隧道管片接头的短期主动加固方法，包括以下步骤：
（1）在盾构隧道衬砌环的封顶块与邻接块的接头部位预留形状记忆合金螺栓安装孔，封顶块中手孔的大小应便于形状记忆合金螺栓的装卸；
（2）当封顶块与邻接块的接头张开量过大，或封顶块与邻接块的外弧面混凝土压应变过大，或封顶块与邻接块的连接钢螺栓拉应变过大时，将预拉伸过的形状记忆合金螺栓装入封顶块与邻接块的接头部位预留的形状记忆合金螺栓安装孔中；
（3）对形状记忆合金螺栓进行加热，使其温度达到奥氏体相变结束温度以上并基本保持不变（当现有的长期被动加固完成后，即可停止加热并取下形状记忆合金螺栓，该温度持续时间即为现有的长期被动加固时间，如果现有的长期被动加固方法采用粘贴纤维布加固法，则加热时间可为胶黏剂完全固化的时间）。
优选的，步骤（3）所述基本保持不变是在完成长期被动加固所需时间内保持形状记忆合金螺栓温度在奥氏体相变结束温度以上。
优选的，所述盾构隧道衬砌环的封顶块与邻接块的接头部位预留的形状记忆合金螺栓安装孔的数量宜与所述封顶块与邻接块的连接钢螺栓的数量相等。
优选的，所述形状记忆合金螺栓为双头螺栓，垫圈和螺母由普通钢材制成。
优选的，所述形状记忆合金螺栓的直径不小于所述封顶块与邻接块的连接钢螺栓的直径。
优选的，所述形状记忆合金螺栓在常温下处于马氏体状态。
优选的，所述形状记忆合金螺栓的预拉伸应变为3%～6%。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
（1）本发明加固方法可用于盾构隧道管片接头的紧急加固，可在2个小时内完成加固，而现有的其他加固方法很难做到。
（2）本发明加固方法的形状记忆合金螺栓作为加固设备，而不是永久性结构构件，可重复使用，经济性好。
（3）本发明加固方法操作简单，形状记忆合金螺栓方便装卸，不占隧道空间，不影响地铁的正常运营。
附图说明
图1是实例中加固方法的加固对象，封顶块与两个邻接块的接头部位的正视示意图。
图2是图1所示加固对象中封顶块与两个邻接块的接头部位的俯视示意图。
图3是图1所示盾构管片的A-A向剖面示意图。
图4是图1所示盾构管片的B-B向剖面示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1和图2所示，本实施方式主要针对地铁盾构隧道衬砌环的封顶块1与两个邻接块2的接头部位，封顶块的手孔3采用大手孔是为了方便形状记忆合金螺栓的装卸，形状记忆合金螺栓和连接钢螺栓4的形状均为地铁盾构隧道最常用的双头直螺栓形状。
如图2、图3和图4所示，本实施方式加固地铁盾构隧道管片接头的前提是新建地铁盾构隧道衬砌环的封顶块与邻接块的接头部位要预留形状记忆合金螺栓的安装孔5，这也是与现有地铁盾构隧道主要的不同点。
图2中的6是纵向螺栓孔，图4中的7是螺母，8是垫圈，9是混凝土管片内部的钢筋。
实施例1
图1和图2所示的是由封顶块与两个邻接块组成的两个管片接头，本实施例仅对衬砌环中的封顶块1和其中一个邻接块2组成的一个管片接头进行加固，盾构管片以上海地铁13号线的浅埋层的盾构管片为模板，封顶块和邻接块的圆心角的角度均为22度，宽1.2m，厚0.35m，内径5.5m，外径6.2m，管片的材料为C55混凝土；封顶块和邻接块的接头使用2个连接钢螺栓，连接钢螺栓为5.8级，直径30mm，长485mm；形状记忆合金螺栓直径30mm，长490mm，形状记忆合金的马氏体相变结束温度为5.27℃，马氏体相变开始温度为31.68℃，奥氏体相变开始温度为47.80℃，奥氏体相变结束温度为76.76℃；形状记忆合金螺栓预拉伸5.8%，加热至160℃时形状记忆合金螺栓的回复力达到峰值。
通过竖向千斤顶和水平千斤顶加载来分别模拟竖向土压力和侧向土压力，保持侧向土压力为500kN不变，不断地加大竖向土压力，直至封顶块1和邻接块2的接头张开量达到3mm，然后竖向土压力和侧向土压力均保持不变，对该管片接头进行加固。
地铁盾构隧道管片接头的短期主动加固方法，包括以下步骤：
（1）在盾构隧道衬砌环的封顶块与邻接块的接头部位预留形状记忆合金螺栓安装孔5，预留形状记忆合金螺栓安装孔孔径为42mm；
（2）将两个形状记忆合金螺栓从封顶块的手孔3分别装入两个预留的形状记忆合金螺栓安装孔5中，并装上垫圈，拧紧螺母；
（3）对形状记忆合金螺栓进行加热，本实施例采用4条表面绝缘碳素合金电热丝通电对两个形状记忆合金螺栓传热的方法间接对形状记忆合金螺栓进行加热，加热1个小时左右，形状记忆合金螺栓的温度升至160℃；
经过本实施例采用形状记忆合金螺栓的加固方法进行加固后，盾构管片接头的接头张开量减小62%，管片接头外弧面混凝土最大压应变减小96%，连接钢螺栓拉应变减小74%，整个加固过程用了2个小时。
实施例2
本实施例与实施例1相比，仅开始进行短期被动加固时的管片接头结构损伤不同，即在实施例1的基础上，继续加大竖向土压力，使得封顶块1和邻接块2的接头张开量达到6mm，此时连接钢螺栓接近屈服，外弧面混凝土压应变更大，然后竖向土压力和侧向土压力均保持不变，对该管片接头进行加固。除此之外，盾构管片、连接钢螺栓、形状记忆合金螺栓、加固方法的步骤等均完全相同。
经过本实施例采用形状记忆合金螺栓的加固方法进行加固后，盾构管片接头的接头张开量减小37%，管片接头外弧面混凝土最大压应变减小87%，连接钢螺栓拉应变减小67%，整个加固过程用了2个小时。
本实施例1和实施例2中盾构隧道的预留的形状记忆合金螺栓安装孔孔径比比形状记忆合金螺栓的直径大12mm左右，形状记忆合金螺栓加热到160℃左右，采用电热丝通电对形状记忆合金进行热传递的加热方法，但本发明加固方法并不局限于该加热方法。
实施例1和实施例2的差别仅在于开始进行短期被动加固时的管片接头结构损伤不同，实施例1在开始进行短期被动加固时的管片接头结构损伤相比实施例2要小，即盾构管片接头的接头张开量、外弧面混凝土压应变以及连接钢螺栓拉应变均比实施例2要小，最后得到的加固效果也好一些。
本实施方式是将预拉伸过的形状记忆合金螺栓装入管片的预留的形状记忆合金螺栓安装孔中，利用形状记忆合金螺栓对盾构管片接头产生的闭合回复力，促使接头部位的接头张开量、连接钢螺栓拉应变以及外弧面混凝土压应变均减小，从而实现地铁盾构隧道管片接头的加固。加固方法简单、经济、快捷，可在2个小时内完成加固。
上述两个实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种地铁盾构隧道管片接头的短期主动加固方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在盾构隧道衬砌环的封顶块与邻接块的接头部位预留形状记忆合金螺栓安装孔，封顶块中设有的手孔大小满足形状记忆合金螺栓的装卸；
（2）当封顶块与邻接块的接头张开量过大，或封顶块与邻接块的外弧面混凝土压应变过大，或封顶块与邻接块的连接钢螺栓拉应变过大时，将预拉伸过的形状记忆合金螺栓装入封顶块与邻接块的接头部位预留的形状记忆合金螺栓安装孔中；
（3）对形状记忆合金螺栓进行加热，使其温度达到奥氏体相变结束温度以上并在完成长期被动加固所需时间内基本保持不变。
2.根据权利要求1所述的加固方法，其特征在于，所述盾构隧道衬砌环的封顶块与邻接块的接头部位预留的形状记忆合金螺栓安装孔的数量与所述封顶块与邻接块的连接钢螺栓的数量相等。
3.根据权利要求1所述的加固方法，其特征在于，所述形状记忆合金螺栓为双头螺栓，垫圈和螺母由普通钢材制成。
4.根据权利要求1所述的加固方法，其特征在于，所述形状记忆合金螺栓的直径不小于所述封顶块与邻接块的连接钢螺栓的直径。
5.根据权利要求1所述的加固方法，其特征在于，所述形状记忆合金螺栓在常温下处于马氏体状态。
6.根据权利要求1所述的加固方法，其特征在于，所述形状记忆合金螺栓的预拉伸应变为3%~6%。
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