CN107945646B - 一种装配式隧道模型结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装配式隧道模型结构及其制作方法，属于地下结构抗震和岩土地震工程的模型试验领域，装配式隧道模型结构至少包括：模型螺栓、隔断层、多个预制模型管片和预制模型钢筋。装配式隧道模型结构制作方法，包括：布置外部支护；预埋螺栓模型钢丝并预制底部管片；在底部管片两端布置垫片；布置内部支护和手孔支护；后浇管片；在后浇管片上布置垫片；再次后浇管片；再次在后浇管片上布置垫片；后浇最后一个管片完成制作。本发明可在装配式隧道的缩尺模型试验中使用，模型能反应出原型管片间连接接头处的连接界面、螺栓和连接手孔等主要构造特点，还具有制作简单易行，经济性好等优点，具有广阔的应用前景。

Description

一种装配式隧道模型结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及地下结构抗震和岩土地震工程模型试验领域，尤其涉及一种装配式隧道结构及其制作方法。

背景技术：

预制装配式建筑结构具有施工速度快，绿色环保，劳动力需求低，经济性好等诸多优点特别适合城市地区的房屋和基础设施建设。近几年装配式建筑结构施工方法被引用至地下结构的建设中，如长春地铁2号线袁家店站，北京地区也将建设装配式隧道及其装配式区间隧道。

由1995年日本阪神地震的震害可知，在高烈度地区的地下结构会受到地震的威胁而发生严重的破坏。目前对普通现浇隧道已经形成了一些实用抗震分析方法，并具有良好的实用价值；但对于复杂结构形式的新型装配式、拼装式或盾构式区间隧道，目前的地下结构抗震分析方法尚具有一定的局限性。

模型试验即可在一定程度上弥补装配式隧道抗震理论和数值分析方法上的不足。然而，由于目前试验设备的尺寸或承载力的有限，尤其是地下结构模型试验常需将模型结构置于模型土中，因此模型试验的缩尺比例普遍较大，模型结构或构件的几何尺寸普遍较小(常为毫米级)。装配式模型结构的部分构造的几何尺寸较小，使得某些细部构造难以正常地按照几何相似关系进行缩尺，因此需要一种既能反应出装配式隧道结构特性又简单易行的模型结构及其制作方法。

发明内容：

一种装配式隧道模型结构，其特征在于，至少包括：模型螺栓、隔断层、多个预

制模型管片和预制模型钢筋；各管片任意一个的两个环向断面上均匀布置隔断层，阻

碍任意管片与相邻两个管片的粘结作用；各管片间连接界面的具体位置处完全截断预

制模型钢筋，使预制模型钢筋仅由模型螺栓连接；

所述模型螺栓，是在原型结构基础上经过相似比缩尺的，替代原型结构中管片之间横向或纵向连接螺栓的模型钢丝。

所述预制模型管片，是在原型结构基础上经过相似比缩尺的在模型结构制作现场浇筑成型的等效预制混凝土或砂浆模型管片构件。

进一步，模型螺栓为通长的。

进一步，模型管片上具有手孔或孔洞。

进一步，模型结构中布置有吊装部件。

制备所述的一种装配式隧道模型结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在施工场地布置内部支护1；

S2：编织预制模型钢筋3，在内部支护1外表缠绕连续的预制模型钢筋3，使内部支护1的外廓与预制模型钢筋3的横断面一致；

S3：参考原型结构，在预制模型钢筋3上标记各管片间连接界面的具体位置；在连接界面的具体位置处，采用绑扎或焊接将模型螺栓4固定到预制模型钢筋3上；

S4：各管片间连接界面的具体位置处完全截断预制模型钢筋3，使预制模型钢筋3仅由模型螺栓4连接；

S5：布置最下方外部支护，使内部支护1和最下方外部支护的间隙为3cm；

S6：配合振动棒将对应位置截断后的预制模型钢筋浇筑至最下方的管片中，并将最下方的管片养护成型；

S7：待最下方的管片硬化后，在最下方的管片两个环向断面上均匀布置隔断层，阻碍最下方的管片与相邻两个管片的粘结作用；

S8：布置与最下方外部支护的两个外部支护；

S9：配合振动棒将对应位置截断后的预制模型钢筋浇筑至与最下方的管片相邻的两个管片中，并将该相邻的两个管片养护成型；按照这种方法浇筑完所有管片并养护成型后，从模型隧道的纵向两端端口拆除内部支护；拆除外部支护。

进一步，内部支护外表面上布置有手孔凸起，凸起应与内部支护一体成型或单独成型，单独成型的手孔凸起应固定在内部支护的手孔位置处。

进一步，对管片间的连接界面进行粗糙处理。

进一步，在管片之间布置模型防水部件。

本发明有益效果如下：

本发明提供了一种装配式隧道模型结构制作方法，可在装配式隧道的动力模型试验(包括大型振动台试验和离心机振动台试验等)和静力模型试验(推覆试验和拟静力试验等)前制作模型结构时使用。本发明考虑了装配式隧道模型结构的分片连接问题，各管片本身互不相连，仅使用模型螺栓进行连接而形成整体；预制管片之间保留了预制接缝，螺栓在界面处仅受拉力作用，可真实反映原型装配式隧道构造特点和力学特性。本发明所述一种装配式隧道模型结构制作方法简单易行、经济可靠，具有较好的应用前景。

附图说明：

图1为装配式模型隧道结构及其制作方法的横断面示意图；

图2为布置内部支护1和预制模型钢筋3的示意图；

图3为布置模型螺栓4的示意图；

图4为布置外部支护12-1和浇筑管片5的示意图；

图5为布置外部支护12-2、12-3和浇筑管片7、管片8的示意图；

图6为布置外部支护12-4、12-5和浇筑管片9、管片10的示意图；

附图标记说明：

1-内部支护；2-内部支护凸起；3-预制模型钢筋；4-模型螺栓；5-A型管片；6-隔断层；7-B型管片；8-C型管片；9-D型管片；10-E型管片；11-F型管片；12-1-外部支护A；12-2-外部支护B；12-3-外部支护C；12-4-外部支护D；12-5-外部支护E；12-6-外部支护F。

具体实施方式：

新型装配式隧道结构由离散的预制管片拼装而成，预制管片通过专用的拼装机完成拼装，拼装过程中隧道结构不承受周围岩体或土体的压力作用，仅受重力荷载作用。固定到指定位置的离散预制管片之间并不相连，而是通过螺栓将离散的管片形成整体。

模型试验是在土木工程领域内研究或评价建筑结构的结构特性或某种力学性能的常规方法。若原型结构为圆形或马蹄形装配式隧道，且具有模型试验的需求时，可使用本发明所述一种装配式隧道模型结构及其制作方法。

模型结构是模型试验的核心和关键。模型结构在制作时，须按照一定的相似关系，在原型结构的基础上模型的几何尺寸、材料属性等结构特性进行重新设计，以满足试验需求。常用的缩尺设计依据为Bukinghamπ定理，详见表1。表1中S为相似关系，某一物理量的相似关系由原型结构、试验需求和试验设备的能力共同确定；如目前全国最大的地震模拟振动台单台尺寸为6m×6m，若试验原型为长度为30m，则此振动台试验的几何相似比小于1:5(即：6/30)。

表1模型结构的体系相似关系

对某大型振动台模型试验，按表1中的相似关系所确定的几何相似比为1：10，结合原型结构的尺寸可得模型隧道管片的壁厚仅为3cm。在这个尺度范围内，模型结构通常难以完全按照原型结构的施工工艺完成制作，原因如下：(1)原型隧道管片使用螺栓连接，但经过弯矩等效原则缩尺后的螺栓直径仅为1.6mm，模型螺栓、模型螺母和管片上螺栓孔存在制作和施工上的困难，且经济性较差；(2)原型管片为C50混凝土材料，经过缩尺后的微粒混凝土弹性模量小于10MPa，若对厚度为3cm的管片按原型方式预制拼装，模型管片极易发生损伤；(3)模型结构并无配套的拼装设备。此外，现有的模型制作技术难以克服以上困难；且大多局限于现浇模型的制作，难以体现预制构件间的接触界面等构造特点。

本发明一种装配式隧道模型结构及其制作方法即可克服以上困难，并考虑了装配式隧道结构的主要构造特点，即：(1)管片间的连接界面；(2)管片的连接螺栓；(3)预制手孔。

模型隧道结构及制作方法如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，其中图1为装配式模型隧道结构及其制作方法的横断面示意图；图2为布置内部支护1和预制模型钢筋3的示意图；图3为布置模型螺栓4的示意图；图4为布置外部支护12-1和浇筑管片5的示意图；图5为布置外部支护12-2、12-3和浇筑管片7、管片8的示意图；图6为布置外部支护12-4、12-5和浇筑管片9、管片10的示意图；预制模型隧道包括：内部支护1；预制模型钢筋3；预制模型管片(A型管片5、B型管片-7、C型管片-8、D型管片-9、E型管片和F型管片-11，管片各不相同，按拼装次序编号)。

内部支护1为其外廓与隧道模型结构内廓紧密贴合的支护构件。内部支护1为绑扎预制模型钢筋3和浇筑预制模型管片的临时模板或支护。对复杂断面的结构，内部支护1的外廓宜有较高的精度。内部支护1宜为柔软材料，如泡沫塑料等，可在各管片充分养护后拆除。

内部支护凸起2为在内部支护1的基础上附加的螺栓手孔或孔洞的制作模板，可与内部支护1一体成型制作；也可在制作完成内部支护1后单独制作，制作完成后固定至手孔的位置上。管片浇筑完成后，即可在内部支护凸起2形成手孔或孔洞。

预制模型钢筋3为原型钢筋经过剪力等效或弯矩等效后缩尺的隧道管片内部的模型配筋。预制模型钢筋3可缠绕在内部支护1上，内部支护1的形状与隧道断面一致，则模型钢筋3可认为也与隧道结构断面一致。

预制模型钢筋3须在管片连接界面的接缝处完全截断，预制模型钢筋3本身不应将离散的管片连接形成整体，截断后的预制模型钢筋3属于为各个管片本身的配筋，仅起到加固各个预制管片的作用。

模型螺栓4为原型螺栓经过剪力等效或弯矩等效后缩尺的模型螺栓，布置的位置、数量和截面尺寸，应在原型结构的基础上，由相似关系确定。模型螺栓宜在预制模型钢筋3截断前可采用绑扎或焊接等方式固定在各管片接缝处，待预制模型钢筋3截断后，各截断的预制模型钢筋3仅凭模型螺栓4连接而形成整体。

管片5、管片7、管片8、管片9、管片10和管片11为经过表1相似关系缩尺后的管片，各管片应在内部支护1和外部支护12之间完成浇筑。各管片浇筑时，应将截断后的预制模型钢筋3和模型螺栓4浇筑在各管片内。各管片浇筑时宜从管片两端的断面向内部灌浆浇筑，浇筑过程宜使用振捣装置配合完成浇筑。

隔断层6为阻碍各管片在浇筑时产生粘结作用的构造，均匀布置在各管片的环向断面处，宜为薄膜状材料，也可为涂层。宜在管片硬化后布置。

模型隧道结构应充分养护、硬化，且撤除支护后方可使用。

一种装配式隧道模型结构的制作方法，包括以下步骤：

S1：在施工场地布置内部支护1(图2)；

S2：编织预制模型钢筋3，在内部支护1外表缠绕连续的预制模型钢筋3，使内部支护1的外廓与预制模型钢筋3的横断面基本一致(图2)；

S3：参考原型结构，在预制模型钢筋3上标记各管片间连接界面的具体位置；在连接界面的具体位置处，采用绑扎或焊接等方式将模型螺栓4固定到预制模型钢筋3上；

S4：连接界面的具体位置处完全截断预制模型钢筋3，使预制模型钢筋3仅由模型螺栓4连接；(图3)；

S5：布置外部支护12-1，使内部支护1和外部支护12-1的间隙为3cm(图4)；

S6：配合振动棒将对应位置截断后的预制模型钢筋3浇筑至管片5中，并将管片5养护成型(图4)；

S7：待管片5硬化后，在管片5两个环向断面上均匀布置隔断层6，阻碍管片5与管片7、8的粘结作用(图4)；

S8：布置外部支护12-2和12-3(图5)；

S9：配合振动棒将对应位置截断后的预制模型钢筋3浇筑至管片7和管片8中，并将管片7和管片8养护成型(图5)；

S10：在管片7和管片8的环向断面布置隔断层6，阻碍管片7和管片9、管片8和管片10之间的粘结作用(图5)；

S11：布置外部支护12-4和12-5(图6)；

S12：配合振动棒将对应位置截断后的预制模型钢筋3浇筑至管片9和管片10，并将管片9和管片10养护成型(图6)；

S13：在管片9和管片10的环向断面布置隔断层6，阻碍管片9和管片11、管片10和管片11之间的粘结作用(图6)；

S14：布置外部支护12-6(图1)；

S15：浇筑管片11并养护成型(图1)。

S16：待各管片充分养护后，从模型隧道的纵向两端端口拆除内部支护1；拆除外部支护12。

由于模型结构可能存在吊装问题，因此还可以在模型构件中布置吊装构造。

各个模型构件可能还需在接触面位置布置防水部件，如防水橡胶条等，以模拟管片结构的防水构造。

制作过程中可对外部支护的具体形状、材料和构造进行一定的变更，以满足模型浇筑需求，并节约成本等。

这样，按照本发明所述一种装配式隧道模型结构的制作方法制作的模型结构即保留了原型结构在管片连接处的主要特点：(1)保留了各管片间的接触界面；(2)保留了被模型手孔削弱了的管片截面；(3)管片之间实际仅由模型螺栓4连接。此外，本发明简便易行，具有较好的经济性，具有广阔的应用前景。

由于模型结构的原型本身存在多种断面形式，如圆形隧道；还有多种结构形式，如隧道结构由4片预制管片，而不是6片预制管片构成。断面和模型结构制作次序也可能存在差异，因此本发明所述一种装配式隧道模型结构及其制作方法也可根据不同类型的隧道结构做出部分构造或制作流程的改变，若这些改变或变形仍在本发明的权利要求内，则本发明也自动包含那些改变或变形。

Claims (4)

1.一种装配式隧道模型结构的制作方法，该结构至少包括：模型螺栓、隔断层、多个预制模型管片和预制模型钢筋；多个预制模型管片包括A型管片、B型管片、C型管片、D型管片、E型管片和F型管片；各管片任意一个的两个环向断面上均匀布置隔断层，阻碍任意管片与相邻两个管片的粘结作用；各管片间连接界面的具体位置处完全截断预制模型钢筋，使预制模型钢筋仅由模型螺栓连接；

所述模型螺栓，是在原型结构基础上经过相似比缩尺的，替代原型结构中管片之间横向或纵向连接螺栓的模型螺栓；

所述预制模型管片，是在原型结构基础上经过相似比缩尺的在模型结构制作现场浇筑成型的等效预制混凝土或砂浆模型管片构件；

其特征在于，包括以下步骤：

S1：在施工场地布置内部支护；

S2：编织预制模型钢筋，在内部支护外表缠绕连续的预制模型钢筋，使内部支护的外廓与预制模型钢筋的横断面一致；

S3：在预制模型钢筋上标记各管片间连接界面的具体位置；在连接界面的具体位置处，采用绑扎或焊接将模型螺栓固定到预制模型钢筋上；

S4：各管片间连接界面的具体位置处完全截断预制模型钢筋，使预制模型钢筋仅由模型螺栓连接；

S5：布置与A型管片所对应的外部支护，使内部支护和最下方外部支护的间隙为3cm；

S6：配合振动棒将对应位置截断后的预制模型钢筋浇筑至A型管片中，并将A型管片养护成型；

S7：待最下方的管片硬化后，在最下方的管片两个环向断面上均匀布置隔断层，阻碍最下方的管片与相邻两个管片的粘结作用；

S8：布置与A型管片所对应外部支护左右相邻的两个外部支护；

S9：配合振动棒将对应位置截断后的预制模型钢筋浇筑至与最下方的管片相邻的两个管片中，并将该相邻的两个管片养护成型；按照这种方法浇筑完所有管片并养护成型后，从模型隧道的纵向两端端口拆除内部支护；拆除外部支护。

2.如权利要求1所述的方法，其特征还在于：内部支护外表面上布置有手孔凸起，凸起应与内部支护一体成型或单独成型，单独成型的手孔凸起应固定在内部支护的手孔位置处。

3.如权利要求1所述的方法，其特征还在于：对管片间的连接界面进行粗糙处理。

4.如权利要求1所述的方法，其特征还在于：在管片之间布置模型防水部件。

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