CN103883333B - 组合可调式约束混凝拱架大型力学试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及组合可调式约束混凝拱架大型力学试验系统，包括监测采集拱架参数数据的监测系统、中空圆柱状的反力结构、液压式加载装置、辅助加载装置，反力结构的内侧圆柱面上分布有多个油缸定位孔，油缸定位孔内固定着液压式加载装置，液压式加载装置包括油缸定位孔内的液压油缸、与液压油缸连接的传力分散装置和控制系统，液压油缸通过传力分散装置与待测拱架接触实现加载。本发明可以实现对约束混凝土拱架及其它常规拱架进行1:1力学试验，还可以实现不同尺寸、不同形状拱架的试验。

Description

组合可调式约束混凝拱架大型力学试验系统

技术领域

本发明涉及一种组合可调式约束混凝拱架大型力学试验系统，属于地下工程支护材料力学试验领域。

背景技术

随着我国经济社会的发展，地下矿井、隧道、地铁、水电硐室等修建越来越多，随之面临的支护问题也越来越突出。尤其是当埋深、断面设计较大，或是处于某些软弱地层之中时，围岩松散破碎，开挖后围岩自稳时间短，而传统的锚杆、喷射混凝土或钢拱架，不能及时提供足够的初期支护抗力，而造成围岩变形严重甚至坍塌破坏，因此，为了维持围岩稳定，必须寻求一种高强的拱架，以保证地下矿井、隧道在开挖后短时间内给围岩提供强有力的支护。

地下矿井、隧道初期支护技术通常采用喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢拱架等单一或组合的结构形式。而在一些围岩应力非常高或是地质条件极为复杂的地下矿井、隧道中，传统拱架出现失稳破坏也是屡见不鲜，其支护强度也面临着新的考验与挑战。而约束混凝土拱架的承载能力，是相同重量U型拱架的2～3倍，强度好，经济性好，支护速度快，非常适用于深井大变形巷道、破坏后的修复巷道、膨胀软岩大变形巷道、动压大变形巷道、破碎围岩巷道等难支护巷道。为了能够明确、定量掌握约束混凝土拱架等地下工程支护拱架的极限承载力及主要力学行为，非常有必要针对不同形状的约束混凝土拱架进行力学试验。

目前，这种试验台架装置系统模型很少，综合分析该系统，还存在以下不足之处：

1.尺寸太小，无法实现1:1大型试验或大比尺模拟试验，需要将现场使用的支护构架按照一定比尺缩小，加工试验专用拱架才行，不能直接进行试验，使得试验过程更加复杂，试验精度降低，同时成本增加。

2.模型装置仅能满足一种形状的拱架试验，不能满足拱架形状多样化的要求；

3.模型试验装置能够进行试验的拱架尺寸有固定要求，不能随意变动，更不能直接对现场使用的拱架进行试验；

4.大部分加载系统无法实现柔性加载的效果，使得传力压头与拱架表面形成刚性接触，甚至在发生变形之后产生线接触或者点接触，造成拱架因应力集中而导致失效，对试验准确度有较大影响。

总体来说，对于日益复杂的深部或软岩巷道、隧道、硐室等地下工程而言，现有的试验台架装置系统仍然存在一定的问题，不能实现尺寸大、不同形状、荷载高、液压测控精度高、监测采集准确等特点，因此，需要一种新型的组合可调式约束混凝拱架大型力学试验系统来解决以上存在的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种组合可调式约束混凝拱架大型力学试验系统。通过该试验系统开展相关试验，能够明确、定量掌握约束混凝土拱架等地下工程支护拱架的极限承载力及主要力学行为，可直观准确的验证理论，真实有效的反映现场，直观、深入分析拱架的变形、失稳、破坏机理，为进行大尺寸硐室拱架力学试验提供了有效手段。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

组合可调式约束混凝拱架大型力学试验系统，包括监测采集拱架参数数据的监测系统、中空圆柱状的反力结构、液压式加载装置、辅助加载装置，反力结构的内侧圆柱面上分布有多个油缸定位孔，油缸定位孔内固定着液压式加载装置，液压式加载装置包括油缸定位孔内的液压油缸、与液压油缸连接的传力分散装置和控制系统，液压油缸通过传力分散装置与待测拱架接触实现加载。

所述的反力结构为钢板包覆混凝土的结构，反力结构呈圆环形，内径7-10米，外径10-15米。尺寸大（反力结构外径可以达到15m），强度、刚度高（可提供超过2400t的反力），稳定性好，可实现矿山巷道拱架1：1力学试验及其他大型硐室的大比尺模拟试验，同时可以通过组合模块的装配，为不同形状的拱架试验提供反力。

所述的液压油缸分两组，通过控制系统实现异步运动同步加载。液压油缸优选12条，每组6条，极限推力为100t，行程500mm，通过放置垫块可以进行不同尺寸的约束混凝土拱架试验。控制系统包括液压泵站和自动化测控系统，液压泵站系统最大压力20MPa，液压泵站及自动化测控系统可以实现对2组共12条油缸进行梯度加载-保载-加载控制，每组内油缸通过比例控制，实现异步运动同步加载。所述的自动化测控系统由数据采集、处理、计算机控制、显示系统等组成，可实现高速采样，实时显示试验力、峰值，可设置不同阶段的加载速度、保持目标和保持时间，可根据需要输出并绘制各种试验曲线。

所述的传力分散装置包括传力分散器、传力腔体、传力橡胶与传力铰，传力分散器是后部带有铰结点、前部为槽形结构、尺寸从后向前逐渐扩大分散传力的钢结构装置，传力分散器的前部槽形结构内卡有传力橡胶，槽形结构与传力橡胶间形成一个传力腔体，传力分散器的后部通过传力铰与液压油缸连接。传力铰能够使得传力分散器在测试构件产生变形的时候保证荷载方向与构件轮廓线垂直，传力分散器能够使得油缸推力传递到拱架的更大范围上，减小应力集中，传力橡胶进一步使得传力分散器与拱架表面的接触更为充分，有效降低应力集中，防止构件因为应力集中而导致构件提早破坏，影响实验结果，传力腔体约束传力橡胶，以避免传力橡胶的任意变形。

所述的监测系统包括径向位移监测、转角监测、径向受力监测、应力变形监测、声发射监测。

所述的径向位移监测是指通过在测试构件指定位置安装位移传感器（数量根据需要确定），并配备数据采集处理单元，将试验过程中的构件径向变形情况进行准确采集和分析。

所述的转角监测是指通过在指定位置布设转角监测机构，通过采集单元进行采集和记录，为测试构件指定位置转角分析提供基础数据。

所述的径向受力监测是指通过在每个液压油缸加载压头上安装测力传感器（共12个），并配备数据采集处理单元，将试验过程中的构件径向受力情况进行准确采集和分析。

所述的应力应变监测是利用应变仪对粘贴在构件表面的应变传感器进行实施采集的工作，可以有效分析够构件指定部位的微应变情况。

所述的声发射响应监测系统由声发射探头、采集及分析单元组成，将声发射探头布置在约束混凝土测试拱架的指定位置，可以有效探测试验过程中内部混凝土的声发射响应行为，为构件钢混耦合分析提供基础数据。

所述的辅助加载装置选自档梁、钢支座、钢支撑、月牙形预制块、三角形预制块、垫块中的一种或几种。档梁能够保证测试拱架在受到试验荷载的时候只能在平面内产生变形，防止平面外失稳的发生。测小圆形拱时需要安装一个三角形预制块，若是大圆形拱或直墙拱形时则不需要安装。当为半圆反底拱形拱架时，则需要安装月牙形预制块。若为直墙拱形时，则需安装钢支座、钢支撑。

所述的反力结构上设有预留线孔。

本发明的有益效果是：

1.可以实现对约束混凝土拱架及其它常规拱架进行1:1力学试验，或大比尺模拟试验；

2.利用同一套系统，配以组合式调整模块，实现不同形状约束混凝土拱架的力学试验，以适应矿山巷道、隧道、水电隧洞、地铁不同工况下的不同形状拱架，如圆形、直墙半圆拱形、半圆反底拱形、马蹄形；

3.通过增减油缸底座垫块的数量，可以调节试验系统的有效加载半径，实现不同尺寸拱架的试验；

4.对约束混凝土定量让压节点在拱架中的行为模式进行试验分析；

5.采用声发射对试验过程中约束砼拱架内部混凝土破裂行为进行探测分析；

6.实现试验数据的精确量测与采集，主要包括变形、受力、应力、声发射响应。

加载结构具有吨位高、稳定性好、可以实现不同形状与尺寸拱架试验等优点。传力铰能够使得传力分散器在测试构件产生变形的时候保证荷载方向与构件轮廓线垂直。传力橡胶进一步使得传力分散器与拱架表面的接触更为充分，有效降低应力集中，防止构件因为应力集中而导致构件提早破坏，影响实验结果。档梁能够保证测试拱架在受到试验荷载的时候只能在平面内产生变形，防止平面外失稳的发生。

附图说明

图1为本发明结构示意图（内测直墙半圆拱形结构）；

图2为图1的A-A截面图；

图3为本发明液压式加载装置示意图；

图4为本发明结构示意图（内测圆拱形结构）；

图5为本发明结构示意图（内测半圆反底拱形结构）；

图6-A为三角形预制块结构示意图；

图6-B为三角形预制块侧视图；

图7-A为月牙形预制块结构示意图；

图7-B为月牙形预制块侧视图。

其中：1—反力结构；2—钢板；3—混凝土；4—试验拱架；5—挡梁；6—液压油缸；7—钢支座；8—钢支撑；9—预留线孔；10—油缸定位孔；11—月牙形预制块；12—三角形预制块；13—垫块；14—传力铰；15—传力腔体；16—传力橡胶；17—传力分散器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

实施例

组合可调式约束混凝拱架大型力学试验系统，包括监测采集拱架参数数据的监测系统、中空圆柱状的反力结构1、液压式加载装置、辅助加载装置，反力结构1的内侧圆柱面上分布有多个油缸定位孔10，油缸定位孔10内固定着液压式加载装置，液压式加载装置包括油缸定位孔10内的液压油缸6、与液压油缸6连接的传力分散装置和控制系统，液压油缸6通过传力分散装置与待测拱架接触实现加载。

所述的反力结构1，是由钢板2焊接而成的，内部填充着混凝土3。反力结构1上设有十二个油缸定位孔10，油缸定位孔10为圆柱形。当试验拱架4为圆形拱时，若圆形拱的直径大于4.5m为大圆形拱，直径小于4.5m为小圆形拱。小圆形拱时需要安装一个三角形预制块12，若是大圆形拱或直墙拱形时则不需要安装。把三角形预制块12水平镶嵌到反力结构1内侧面上。当为半圆反底拱形拱架时，则需要安装月牙形预制块11，月牙形预制块11紧靠着反力结构1内边缘最下侧。

如图3所述的液压油缸6共十二条，油缸分为两组，六条/组；液压油缸6安装在油缸定位孔10中，液压油缸6中轴线须指向圆心，通过放置垫块13可以进行不同尺寸的约束混凝土拱架试验。液压油缸6一端通过定位螺栓固定在油缸定位孔10中，另一端与传力分散装置连接在一起。

如图3所示，所述的传力分散装置由传力铰14、传力腔体15、传力橡胶16及传力分散器17组成，

如图1所示，所述的辅助加载装置主要指挡梁5，挡梁5能够保证试验拱架4在受到试验荷载的时候只能在平面内产生变形，防止平面外失稳的发生。

所述的监测系统由径向位移监测、转角监测、径向受力监测、应力变形监测、声发射监测构成。

所述的径向位移监测是指通过在测试构件指定位置安装位移传感器（数量根据需要确定），并配备数据采集处理单元，将试验过程中的构件径向变形情况进行准确采集和分析。

所述的转角监测是指通过在指定位置布设转角监测机构，通过采集单元进行采集和记录，为测试构件指定位置转角分析提供基础数据。

所述的径向受力监测是指通过在每个液压油缸加载压头上安装测力传感器（共12个），并配备数据采集处理单元，将试验过程中的构件径向受力情况进行准确采集和分析。

所述的应力应变监测是利用应变仪对粘贴在构件表面的应变传感器进行实施采集的工作，可以有效分析够构件指定部位的微应变情况。

所述的声发射响应监测系统由声发射探头、采集及分析单元组成，将声发射探头布置在约束混凝土测试拱架的指定位置，可以有效探测试验过程中内部混凝土的声发射响应行为，为构件钢混耦合分析提供基础数据。

在实践中，以圆形试验拱架为例，本发明组合可调式约束混凝拱架大型力学试验系统的具体步骤描述如下：①预制试验拱架；②通过增减油缸垫块数量调节试验台作用半径，使试验系统与拱架尺寸相匹配；③安放试验拱架：通过挡梁将试验拱架固定，并通过调节挡梁上的螺母将试验拱架置于水平位置；④预加载：初步加载至设计极限承载力的0.5%，使试验拱架初步受力并处于稳定状态；⑤安装监测设备：将测力传感器、应变传感器、声发射探头、应变片等传感器安放到设计位置，并通过导线连接数据采集处理单元；⑥缓慢加载至试验拱架破坏，通过监测采集单元对试验过程中的试验数据进行有效记录并及时进行分析。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.组合可调式约束混凝土拱架大型力学试验系统，其特征是，包括监测采集拱架参数数据的监测系统、中空圆柱状的反力结构、液压式加载装置、辅助加载装置，反力结构的内侧圆柱面上分布有多个油缸定位孔，油缸定位孔内固定着液压式加载装置，液压式加载装置包括油缸定位孔内的液压油缸、与液压油缸连接的传力分散装置和控制系统，液压油缸通过传力分散装置与待测拱架接触实现加载；所述的反力结构为钢板包覆混凝土的结构，反力结构呈圆环形，内径7-10米，外径10-15米；所述的监测系统包括径向位移监测系统、转角监测系统、径向受力监测系统、应力变形监测系统、声发射监测系统；所述的声发射监测系统由声发射探头、采集及分析单元组成，将声发射探头布置在约束混凝土测试拱架的指定位置，有效探测试验过程中内部混凝土的声发射响应行为，为构件钢混耦合分析提供基础数据；所述的液压油缸分两组，通过控制系统实现异步运动同步加载，通过放置垫块进行不同尺寸的约束混凝土拱架试验；

控制系统包括液压泵站和自动化测控系统，液压泵站及自动化测控系统实现对2组液压油缸进行梯度加载-保载-加载控制；液压油缸选12条，每组6条。

2.根据权利要求1所述的组合可调式约束混凝土拱架大型力学试验系统，其特征是，所述的传力分散装置包括传力分散器、传力腔体、传力橡胶与传力铰，传力分散器是后部带有铰结点、前部为槽形结构、尺寸从后向前逐渐扩大分散传力的钢结构装置，传力分散器的前部槽形结构内卡有传力橡胶，槽形结构与传力橡胶间形成一个传力腔体，传力分散器的后部通过传力铰与液压油缸连接。

3.根据权利要求1或2所述的组合可调式约束混凝土拱架大型力学试验系统，其特征是，所述的辅助加载装置选自档梁、钢支座、钢支撑、月牙形预制块、三角形预制块、垫块中的一种或几种。

4.根据权利要求3所述的组合可调式约束混凝土拱架大型力学试验系统，其特征是，测小圆形拱时需要安装一个三角形预制块，测半圆反底拱形拱架时，则需要安装月牙形预制块。

5.根据权利要求1所述的组合可调式约束混凝土拱架大型力学试验系统，其特征是，所述的反力结构上设有预留线孔。