CN106969933A - 一种单侧通道失火时沉管隧道变形的测试机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单侧通道失火时沉管隧道变形的测试机构，包括试验试件、加载系统、加热装置、数据采集系统，能够系统而又全面地测试出沉管隧道在施加使用荷载情况下，管段和接头处的温度分布及变形特征，进而有利于准确地认识沉管隧道在施加使用荷载情况下，单侧隧道发生火灾情况下的破坏特征，从而为沉管隧道在结构运营过程中的健康监测提供理论依据。实施时，竖向反力架与横向反力架可以不采用传统的钢结构，而采用型钢‑钢筋混凝土组合结构，较为经济、合理。本发明的加载系统，有效地避免了由于以往沉管隧道中采用水或砂石堆载模拟均布荷载，导致在试验时水汽不能正常挥发，不能观测管段结构上变形和裂缝开展情况。
Description
技术领域
本发明涉及隧道结构的试验技术领域，更具体地说，涉及一种单侧通道失火时沉管隧道变形的测试机构。
背景技术
沉管隧道由于其利用空间大、对地质条件适应性强等特点而越来越被广泛地应用在交通隧道中。但由于沉管隧道在火灾中升温速率快、温度高和危害大等特点，因此对其在火灾高温下的火灾试验研究也逐渐受到重视。到目前为止，国内外对于沉管隧道的火灾高温下的研究主要是：研究火灾高温下，沉管隧道在未考虑使用荷载情况下的空间温度分布规律、烟气分布规律等；并采用有限元模拟的方法来研究沉管隧道火灾高温下的应力分布规律以及变形规律。
以上这些研究包含了对沉管隧道的管段、接头部位以及在有无防火措施情况下的火灾高温性能，可以说所研究的范围是广泛的。
但是目前对于沉管隧道的火灾试验研究都没有考虑沉管隧道的使用荷载，他们的物理模型试验只是研究其温度分布规律、烟气流动规律等，对变形规律只是通过有限元模拟的方式来进行研究获得，而不是通过模型试验的实验数据来整理获得其变形规律。
另外，以往沉管隧道接头的火灾高温试验，除了没有考虑使用荷载外，也没有对沉管隧道的整个接头进行试验，而是选取接头的局部来进行火灾高温试验。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够系统而又全面地测试出沉管隧道在管段和接头处的温度分布及变形特征，进而有利于准确地认识沉管隧道在单侧隧道发生火灾情况下的破坏特征，从而为沉管隧道在结构运营过程中的健康监测提供理论依据的单侧通道失火时沉管隧道变形的测试机构。
本发明的技术方案如下：
一种单侧通道失火时沉管隧道变形的测试机构，包括试验试件、加载系统、加热装置、数据采集系统，试验试件包括至少两节沉管隧道管段，沉管隧道管段间的接头形式是管节接头；加载系统包括竖向加载装置、横向加载装置，从外部分别对沉管隧道管段加载竖向负载、横向负载；加热装置包括试验炉，设置于沉管隧道管段的单侧通道内或单侧通道的管节接头；数据采集系统包括热电偶、位移计、转角仪，分别设置于试验炉所在的试验试件上。
作为优选，竖向加载装置包括竖向反力架、竖向千斤顶、一级分配梁、二级分配梁、空间三角支架，试验试件设置于竖向反力架下方，从上至下依次设置竖向千斤顶、一级分配梁、二级分配梁、空间三角支架，空间三角支架与试验试件的顶面相抵。
作为优选，二级分配梁的两端分别设置空间三角支架，二级分配梁沿隧道纵向设置于沉管隧道管段上方，一级分配梁沿隧道横向设置于二级分配梁上方。
作为优选，一级分配梁与至少两个二级分配梁相抵。
作为优选，空间三角支架均布于沉管隧道管段的单侧通道上方，位于单侧通道的横向中间位置。
作为优选，横向加载装置包括横向反力架、横向千斤顶，横向千斤顶设置于横向反力架侧面，与沉管隧道管段的外侧墙相抵。
作为优选，包括垫层，试验试件、加载系统设置于垫层上。
作为优选，试验炉包括两个炉墙，炉墙围成燃烧室；当试验炉设置于沉管隧道管段的单侧通道内时，两个炉墙都在同一个沉管隧道管段的单侧通道内；当试验炉设置于单侧通道的管节接头时，两个炉墙分别设置于相邻的沉管隧道管段的单侧通道内。
作为优选，热电偶设于沉管隧道管段的单侧通道的顶板、外墙、内墙以及转角位置；或者，在管节接头设置剪力键的位置，热电偶设于剪力键内、防火材料表面、Ω止水带表面、GINA止水带内表面；在管节接头不设置剪力键的位置，热电偶设于防火材料表面、Ω止水带表面、GINA止水带内表面。
作为优选，位移计包括竖向位移计、横向位移计，竖向位移计设于沉管隧道管段的顶面，横向位移计设于单侧通道的内侧墙与外侧墙，转角仪设于内墙与外墙的转角位置；或者，在管节接头的位置，竖向位移计设于沉管隧道管段的顶面，横向位移计设于单侧通道的内侧墙与外侧墙，转角仪设于内墙与外墙的转角位置。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的单侧通道失火时沉管隧道变形的测试机构，能够系统而又全面地测试出沉管隧道在施加使用荷载情况下，管段和接头处的温度分布及变形特征，进而有利于准确地认识沉管隧道在施加使用荷载情况下，单侧隧道发生火灾情况下的破坏特征，从而为沉管隧道在结构运营过程中的健康监测提供理论依据。
本发明中，所建造的试验试件没有对其进行简化，而是完全保留沉管隧道的所有结构特征，从而使研究现象更加符合现状。实施时，竖向反力架与横向反力架可以不采用传统的钢结构，而采用型钢-钢筋混凝土组合结构，较为经济、合理。
本发明中的荷载较真实地模拟了沉管隧道所受到的外部荷载，即本发明所施加的荷载包括竖向荷载和横向荷载。竖向加载装置采用二级分配形式，加载点为三角空间支架的支点，较为真实的模拟了沉管隧道所受的分布荷载。
本发明的加载系统，有效地避免了由于以往沉管隧道中采用水或砂石堆载模拟均布荷载，导致在试验时水汽不能正常挥发，不能观测管段结构上变形和裂缝开展情况。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是沉管隧道管段的俯视剖视图(试验炉设置于沉管隧道管段的单侧通道内)；
图3是沉管隧道管段的俯视剖视图(试验炉设置于单侧通道的管节接头处)；
图4是沉管隧道管段的热电偶测点布置示意图；
图5是沉管隧道管段的顶板与外墙的热电偶布置示意图；
图6是沉管隧道管段的内墙的热电偶布置示意图；
图7是沉管隧道管段的连接示意图；
图8是剪力键位置的热电偶布置示意图；
图9是非剪力键位置的热电偶布置示意图；
图10是沉管隧道管段的位移计与转角仪测点的布置示意图；
图中：100是沉管隧道管段，101是顶板，102是顶面，103是外墙，104是内墙，105是内侧墙，106是外侧墙，110是管节接头，111是防火材料，112是Ω止水带，113是GINA止水带，114是剪力键，200是竖向反力架，201是竖向千斤顶，202是一级分配梁，203是二级分配梁，204是空间三角支架，211是横向反力架，212是横向千斤顶，220是垫层，301是炉墙，302是燃烧室，400是热电偶。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
本发明为了解决现有技术存在的没有考虑沉管隧道的使用荷载，试验结果不准确，缺少对沉管隧道的管节接头进行试验的不足，提供一种单侧通道失火时沉管隧道变形的测试机构，能够系统而又全面地测试出沉管隧道在管段和管节接头位置的温度分布及变形特征，进而有利于准确地认识沉管隧道在单侧隧道发生火灾情况下的破坏特征，从而为沉管隧道在结构运营过程中的健康监测提供理论依据。
如图1所示，本发明包括试验试件、加载系统、加热装置、数据采集系统、垫层220，垫层220作为其他部件的承托，试验试件、加载系统设置于垫层220上。
基于沉管隧道结构的实际尺寸和开展试验的可行性，加工制作沉管隧道作为试验试件，试验试件包括至少两节沉管隧道管段100，沉管隧道管段100间的接头形式是管节接头110；管节接头110的位置指的是两个沉管隧道管段100的端部通过预埋在不同位置的剪力键114拼接为整体的位置。剪力键114为两个沉管隧道管段100之间的连接件，本实施例中，只在横截面局部位置布置。
加载系统包括竖向加载装置、横向加载装置，均是自平衡结构体系，从外部分别对沉管隧道管段100加载竖向负载、横向负载。
竖向加载装置包括竖向反力架200、竖向千斤顶201、一级分配梁202、二级分配梁203、空间三角支架204，试验试件设置于竖向反力架200下方，从上至下依次设置竖向千斤顶201、一级分配梁202、二级分配梁203、空间三角支架204，空间三角支架204与试验试件的顶面102相抵。
二级分配梁203的两端分别设置空间三角支架204，二级分配梁203沿隧道纵向设置于沉管隧道管段100上方，一级分配梁202沿隧道横向设置于二级分配梁203上方。一级分配梁202与至少两个二级分配梁203相抵。空间三角支架204均布于沉管隧道管段100的单侧通道上方，位于单侧通道的横向中间位置。
横向加载装置包括横向反力架211、横向千斤顶212，横向千斤顶212设置于横向反力架211侧面，与沉管隧道管段100的外侧墙106相抵。
加热装置包括试验炉、控制柜、主机、烟道等，对应不同的试验位置，试验炉设置于沉管隧道管段100的单侧通道内或单侧通道的管节接头110。试验炉包括两个炉墙301，炉墙301围成燃烧室302；如图2所示，当试验炉设置于沉管隧道管段100的单侧通道内时，两个炉墙301都在同一个沉管隧道管段100的单侧通道内；如图3所示，当试验炉设置于单侧通道的管节接头110时，两个炉墙301分别设置于相邻的沉管隧道管段100的单侧通道内。
数据采集系统包括热电偶400、位移计、转角仪，分别设置于试验炉所在的试验试件上。高温下，试验试件的目标部位的温度主要由热电偶400获得；变形通过位移计及转角仪测量获得。
进行沉管隧道管段100的单侧通道的试验时，如图4所示，热电偶400设于沉管隧道管段100的单侧通道的顶板101(S1～S5为单侧通道的顶板101的热电偶400测点)，热电偶400设于沉管隧道管段100的单侧通道的外墙103以及转角位置(W1～W4为单侧通道的外墙103以及转角位置的热电偶400测点)，热电偶400设于沉管隧道管段100的单侧通道的内墙104以及转角位置(N1～N5为单侧通道的内墙104以及转角位置的热电偶400测点)。热电偶400测点S1～S5、热电偶400测点W1～W4、热电偶400测点N1～N5为热电偶400树，如图5所示，顶板101的热电偶400与外墙103的热电偶400均以3cm的间隔进行等距设置。如图6所示，内墙104的热电偶400以2cm的间隔进行等距设置。
本实施例中，管节接头110处的剪力键114只布置在外侧墙106和中墙，如图7所示，则进行管节接头110处的试验时，在管节接头110设置剪力键114的位置，如图8所示，热电偶400设于剪力键114内、防火材料111表面、Ω止水带112表面、GINA止水带113内表面；在管节接头110不设置剪力键114的位置，如图9所示，热电偶400设于防火材料111表面、Ω止水带112表面、GINA止水带113内表面。
位移计包括竖向位移计、横向位移计。进行沉管隧道管段100的单侧通道的试验时，如图10所示，竖向位移计设于沉管隧道管段100的顶面102(M1～M11为沉管隧道管段100的顶面102的竖向位移计测点)，横向位移计设于单侧通道的内侧墙105(HN1～HN8为沉管隧道管段100的内侧墙105的横向位移计测点)，横向位移计设于单侧通道的外侧墙106(HW1～HW6为沉管隧道管段100的外侧墙106的横向位移计测点)。转角仪设于内墙104与外墙103的转角位置(R1～R6为内墙104与外墙103的转角位置的转角仪测点)。
进行管节接头110处的试验时，在管节接头110的位置，与进行沉管隧道管段100的单侧通道的试验相同，竖向位移计设于沉管隧道管段100的顶面102，横向位移计设于单侧通道的内侧墙105与外侧墙106，转角仪设于内墙104与外墙103的转角位置。
本发明的试验按下列步骤实施：
(1)确定试验试件的尺寸及结构特征；
(2)确定加载系统的结构体系及特点；
(3)依次建造加载系统和试验试件；
(4)根据测试目的，在建造沉管隧道的过程中，分别在沉管隧道管段100及管节接头110布置热电偶400；
(5)加载系统及试验试件建造完成之后，布置位移计、转角仪等测量装置；
(6)根据试验试件的尺寸及位置，自行建造火灾燃烧炉并将数据采集系统的热电偶400与和计算机相连；
(7)根据沉管隧道的实际承受荷载情况，组装竖向加载装置和横向加载装置，形成反力架；
(8)根据预定的加载准则，开展沉管隧道在火灾高温下的试验研究，并实时采集各截面上的数据；
(9)分析处理试验数据，总结试验现象。
具体操作过程：
(1)根据试验试件尺寸大的特点、试验经济的要求及沉管隧道实际应用工况的特点等，来设计并建造加载系统。如图1所示的加载系统的特点是，均是自平衡体系，并且竖向加载装置采用型钢—混凝土组合结构，横向加载装置是采用钢筋混凝土结构。其中，竖向加载装置的主梁采用型钢—混凝土梁，而其他的构件均是采用钢筋混凝土制作。
(2)建造沉管隧道的管节接头110处的两个沉管隧道管段100。在设计过程中，根据试验过程中的可操作性、安全性等，对其可以进行几何上的相似，而不进行物理上的相似。
(3)在沉管隧道施工的过程中，分别预埋沉管隧道管段100和管节接头110处的热电偶400，主要测点在沉管隧道顶板101、外墙103、内墙104、转角位置，各部位均匀布置不小于3个测点。开展试验前，将数据采集系统与计算机相连，实现数据的自动采集。
(4)建造单侧隧道、管节接头110的火灾试验炉，并将其控制系统建立连接。通过自动控制设计，建造的试验炉可以实现国际标准ISO834曲线、HCinc升温曲线等。
(5)在沉管隧道管段100的顶板101、内墙104、外墙103的转角处、外侧墙106、内侧墙105的中间位置布置位移计及转角仪。
(6)装配加载系统，竖向加载装置的采用的是两级分配梁，加载点分别放置在沉管隧道管段100纵向长度的三等分位置处；而三角空间支架则是安置在单侧通道顶面102的中间位置。
通过本发明的试验装置，可以实现以下两个试验内容的研究：
试验一：研究沉管隧道在单侧通道的管段内发生火灾时，沉管隧道管段100的变形特征。首先，试验试件的横向和竖向同时逐级地施加荷载，并实时记录沉管隧道管段100在加载过程中的变形、裂缝分布等，直至加载至沉管隧道管段100的使用荷载。然后，保持使用荷载，在单侧通道内自行建造的试验炉内点火，实现沉管隧道在单侧通道的沉管隧道管段100失火时的高温试验，评定沉管隧道在管段处失火时的安全性能。
试验二：研究在单侧通道的设有防火措施的管节接头110处发生火灾时，管节接头110的变形特征。管节接头110处设有防火保护措施。开展试验时，采集沉管隧道中管节接头110处的温度分布情况，管节接头110主要位置处的变形和转角情况，综合评定设有防火保护措施的管节接头110处失火时的安全性能。
综合利用试验一、二测得的试验数据，可以分析沉管隧道在单侧通道失火时，沉管隧道的火灾安全性能，并制定相应的防火措施。
上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种单侧通道失火时沉管隧道变形的测试机构，其特征在于，包括试验试件、加载系统、加热装置、数据采集系统，试验试件包括至少两节沉管隧道管段，沉管隧道管段间的接头形式是管节接头；加载系统包括竖向加载装置、横向加载装置，从外部分别对沉管隧道管段加载竖向负载、横向负载；加热装置包括试验炉，设置于沉管隧道管段的单侧通道内或单侧通道的管节接头；数据采集系统包括热电偶、位移计、转角仪，分别设置于试验炉所在的试验试件上。
2.根据权利要求1所述的单侧通道失火时沉管隧道变形的测试机构，其特征在于，竖向加载装置包括竖向反力架、竖向千斤顶、一级分配梁、二级分配梁、空间三角支架，试验试件设置于竖向反力架下方，从上至下依次设置竖向千斤顶、一级分配梁、二级分配梁、空间三角支架，空间三角支架与试验试件的顶面相抵。
3.根据权利要求2所述的单侧通道失火时沉管隧道变形的测试机构，其特征在于，二级分配梁的两端分别设置空间三角支架，二级分配梁沿隧道纵向设置于沉管隧道管段上方，一级分配梁沿隧道横向设置于二级分配梁上方。
4.根据权利要求3所述的单侧通道失火时沉管隧道变形的测试机构，其特征在于，一级分配梁与至少两个二级分配梁相抵。
5.根据权利要求3所述的单侧通道失火时沉管隧道变形的测试机构，其特征在于，空间三角支架均布于沉管隧道管段的单侧通道上方，位于单侧通道的横向中间位置。
6.根据权利要求1所述的单侧通道失火时沉管隧道变形的测试机构，其特征在于，横向加载装置包括横向反力架、横向千斤顶，横向千斤顶设置于横向反力架侧面，与沉管隧道管段的外侧墙相抵。
7.根据权利要求1所述的单侧通道失火时沉管隧道变形的测试机构，其特征在于，包括垫层，试验试件、加载系统设置于垫层上。
8.根据权利要求1所述的单侧通道失火时沉管隧道变形的测试机构，其特征在于，试验炉包括两个炉墙，炉墙围成燃烧室；当试验炉设置于沉管隧道管段的单侧通道内时，两个炉墙都在同一个沉管隧道管段的单侧通道内；当试验炉设置于单侧通道的管节接头时，两个炉墙分别设置于相邻的沉管隧道管段的单侧通道内。
9.根据权利要求1所述的单侧通道失火时沉管隧道变形的测试机构，其特征在于，热电偶设于沉管隧道管段的单侧通道的顶板、外墙、内墙以及转角位置；或者，在管节接头设置剪力键的位置，热电偶设于剪力键内、防火材料表面、Ω止水带表面、GINA止水带内表面；在管节接头不设置剪力键的位置，热电偶设于防火材料表面、Ω止水带表面、GINA止水带内表面。
10.根据权利要求1所述的单侧通道失火时沉管隧道变形的测试机构，其特征在于，位移计包括竖向位移计、横向位移计，竖向位移计设于沉管隧道管段的顶面，横向位移计设于单侧通道的内侧墙与外侧墙，转角仪设于内墙与外墙的转角位置；或者，在管节接头的位置，竖向位移计设于沉管隧道管段的顶面，横向位移计设于单侧通道的内侧墙与外侧墙，转角仪设于内墙与外墙的转角位置。
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