CN108344637B - 盾构管片力学模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种盾构管片力学模拟试验装置，包括主体反力架、径向加载机构以及扩载梁，所述径向加载机构包括安装端以及延伸端，所述安装端可调节安装于所述主体反力架的内壁进而所述径向加载机构可在同一径向平面内相对于某一径向方向进行角度偏移微调，所述延伸端相对于所述安装端可调节地向所述主体反力架的中心伸缩或延伸，所述扩载梁沿盾构管片的轴向设置且可拆卸安装于所述延伸端，通过所述径向加载机构对所述扩载梁施加径向荷载进而通过所述扩载梁将径向荷载传递至盾构管片的外壁。本发明通过多向加载与精确导向的方式对盾构管片的力学行为进行模拟，以提高盾构隧道足尺试验的质量和效率。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程技术领域，涉及一种盾构管片力学模拟试验装置。
背景技术
随着城市轨道交通的发展，地铁盾构隧道在施工与服役期间所遇到的各类安全问题也受到了越来越广泛的关注。
针对地铁盾构隧道在不同地层条件中因遇到的周边施工扰动或因结构自身承载性能变化而发生的荷变现象，需要准确模拟出盾构隧道的荷变过程，并对管片结构的综合力学性能状况进行规律性的研究，从而更好地维护盾构隧道的结构安全，延长盾构隧道的使用寿命。
为此，国内外主要采用数值模拟、缩尺模型试验与足尺试验等方法从事相关研究。然后，数值模拟的模型与实际物体间存在交大差异，当结构产生大变形并有破坏趋势时，数值计算的结果难以反映真实情况；缩尺模型试验具备相对灵活的特点，但受到模型材料性能的限制，试验结构与真实情况间也往往存在较大差异。因而，足尺试验逐渐成为了研究盾构管片力学性能的重要方向。
对于足尺试验，反力装置的结构性能以及加载方式的合理性是实验能否更好地模拟隧道实际受力情况的关键。由于能使盾构结构产生足够的变形以至于破坏时的荷载较大，因此需要有足够强度与刚度的反力装置进行支撑。
目前，隧道工程技术领域盾构隧道足尺试验的反力装置大致包括反力墙、水平对拉锚索、杆加中心圆筒以及立式加载架等。然而，反力墙式加载装置占用空间大、不够灵活，不仅无法适应半径不同的盾构管片，而且会在荷载较大时产生墙体破坏；水平对拉锚索式反力装置通过锚索对拉在盾构管片表面产生压力，但这种压力较小且无法灵活改变；杆加中心圆筒式反力装置将杆穿过盾构管片，通过杆的拉力产生对盾构管片的压力，同时在圆筒处实现自平衡，但此类装置会对盾构管片产生破坏，降低的管片的承载性能，导致试验结果不准确；立式加载架考虑了盾构管片自身的重力，但结构无法处于稳定的平衡状态，在加载过程中会产生冲击力作用，加大对管片的破坏程度，导致试验结果不准确。此外，在试验中，当盾构管片所受荷载较大时，结构会发生大的径向变形与切向变形现有的盾构隧道足尺试验装置无法在这种状况下保持荷载方向的稳定性与荷载大小的准确性。
因此，有必要研发一种新的具有精确导向的组合式多环盾构力学模拟试验装置。
发明内容
为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种盾构管片力学模拟试验装置，通过多向加载与精确导向的方式对盾构管片的力学行为进行模拟，以提高盾构隧道足尺试验的质量和效率。
为实现上述目的，本发明的解决方案是：提供一种盾构管片力学模拟试验装置，包括主体反力架、径向加载机构以及扩载梁，所述径向加载机构包括安装端以及延伸端，所述安装端可调节安装于所述主体反力架的内壁进而所述径向加载机构可在同一径向平面内相对于某一径向方向进行角度偏移微调，所述延伸端相对于所述安装端可调节地向所述主体反力架的中心伸缩或延伸，所述扩载梁沿盾构管片的轴向设置且可拆卸安装于所述延伸端，通过所述径向加载机构对所述扩载梁施加径向荷载进而通过所述扩载梁将径向荷载传递至盾构管片的外壁。
优选地，所述主体反力架包括上下间隔设置的多层反力环单元，相邻所述反力环单元之间通过多根相互间隔的立柱连接，两个立柱之间设有斜向肋撑，多个所述径向加载机构均匀分布于各层所述反力环单元的内壁。
优选地，所述反力环单元包括外壁翼缘环、内壁翼缘环以及腹板连接环，所述腹板连接环固接于所述外壁翼缘环与所述内壁翼缘环之间，所述腹板连接环包括可拼装的多段腹板半环，相邻两段所述腹板半环通过弧形连接板配合高强螺栓无缝拼接。
优选地，每个所述径向加载机构包括千斤顶底座、径向千斤顶、悬臂以及调节支撑臂，所述径向千斤顶通过所述千斤顶底座可轴转地安装于所述反力环单元的内壁，两个所述悬臂固接于所述千斤顶底座上并分别沿所述径向千斤顶的两侧向外延伸，所述悬臂的长度方向上开设有滑槽，所述调节支撑臂包括固定部以及延伸部，所述固定部卡设于所述滑槽内进而所述调节支撑臂沿所述悬臂可调节伸缩滑动，所述扩载梁安装连接于所述延伸部。
优选地，所述千斤顶底座包括底板、支撑耳、转轴、套筒以及加长连接件，所述底板通过螺栓紧固于所述反力环单元的内壁，所述支撑耳固设于所述底板上，所述转轴穿设于所述支撑耳上，所述套筒活动套设于所述转轴上，所述加长连接件的一端固接于所述套筒的外表面，所述加长连接件的另一端与所述径向千斤顶的底部法兰紧固连接，进而所述径向千斤顶绕所述转轴进行微调轴转。
优选地，所述径向千斤顶与液压控制设备控制连接，所述液压控制设备包括压力控制泵、油管、油路分配器、手动控制阀以及保压阀，所述压力控制泵通过所述油管分别与所述手动控制阀、所述保压阀以及所述油路分配器控制连接，每个所述径向千斤顶通过所述油管与所述油路分配器控制连接，通过所述压力控制泵向整个所述液压设备提供油压并在初始输油阶段提供压力控制，通过所述手动控制阀对所述油管分级加载以及补/卸压。
优选地，所述扩载梁为工字梁，位于不同高度所述扩载梁的翼缘板之间设有多个加强肋板，所述加强肋板下固设有支撑轴，所述调节支撑臂的所述延伸部上开设有卡槽口，所述支撑轴固定卡设于所述卡槽口进而所述扩载梁安装于两侧所述调节支撑臂上并随所述调节支撑臂调节径向位置。
优选地，位于不同高度所述扩载梁的翼缘板之间均匀布设有橡胶垫片以供均匀传递所述扩载梁内外侧所述翼缘板所受到的荷载力。
优选地，包括多个轴向加载机构，每个所述轴向加载机构夹持于所述盾构管片轴向上的上沿和下沿进而施加轴向荷载，相邻两个所述轴向加载机构之间具有均匀间隔；所述轴向加载机构包括上加载板以及下加载板，所述上加载板与所述下加载板之间刚性连接并形成夹持空间以供夹持所述盾构管片的上下两沿，所述上加载板安装有竖向千斤顶以供顶压所述盾构管片的上沿，所述下加载板夹紧抵触于所述盾构管片的下沿。
优选地，包括供支撑于所述盾构管片下的多个管片滑座机构，所述管片滑座机构包括承载座、滑轨以及滑板，所述滑轨沿长度方向固设于所述承载座上，所述滑板滑设于所述承载座的所述滑轨上，所述滑板夹持于所述盾构管片的底部进而沿盾构管片的径向方向滑动。
本发明盾构管片力学模拟试验装置的有益效果包括：
1)试验装置由多种重复部件组合而成，一方面可以可通过组装进行更多环盾构管片的足尺试验，另一方面可通过拆卸对试验装置进行维修与换新，以此保持试验装置的灵活性与耐久性；
2)单环主体反力圆环单元具有足够大的强度与刚度，其结构尺寸按照单环盾构管片在极限破坏条件下的最不利的荷载进行设计，通过控制主体反力圆环单元的变形与受力状态在安全范围内，保证结构具备2.5倍以上的安全系数，最大变形不超过10mm，可实现对国内外常见尺寸的盾构衬砌结构进行全过程加载直至极限破坏，并在试验过程中呈自平衡状态；
3)液压千斤顶每隔15°通过法兰安装于主体反力圆环单元上，可随意拆卸，保持了试验加载方式的灵活性；并通过直接从盾构管片外侧进行加载的方式，保证了管片的初始无损性；
4)试验荷载由液压千斤顶传至滑动式扩载梁，再由橡胶垫以柔性接触的方式均匀地传递于盾构管片之上，可以使试验管片所受荷载更加接近于真实地层荷载；
5)通过在每个液压千斤顶底部设置的转动机构，当管片发生切向变形时，允许千斤顶转动以消除管片切向变形带来的切向力作用，以保障设备安全，同时可使得千斤顶顶力方向始终垂直于管片表面。
6)通过在低压条件下使用液压泵控制压力与高压条件下使用手动精密控制阀调节液压的联合控制方法，实现了低压条件下稳定、快速加载以及高压条件下的精确控制的要求，提升了对试验荷载的控制能力。
附图说明
图1为本发明盾构管片力学模拟试验装置的整体结构示意图；
图2为对应于图1中反力环单元的结构示意图；
图3为对应于图1的侧面结构示意图；
图4为对应于图1中径向加载机构的放大结构示意图；
图5为对应于图1中虚线所圈示A区域的放大结构示意图；
图6为本发明千斤顶所连接的液压加载设备的结构示意图；
图7为对应于图1中滑动式扩载梁与径向加载机构连接的结构示意图；
图8为对应于图7中虚线所圈示B区域的侧面放大结构示意图；
图9为对应于图1实际应用试验状态下的俯视结构示意图；
图10为本发明盾构管片力学模拟试验装置中轴向加载机构的应用结构示意图；
图11为本发明盾构管片力学模拟试验装置中管片滑座机构的结构示意图；
图12为对应于图11的使用状态示意图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明进一步加以说明。
如图1所示，本发明首先提供了一种盾构管片力学模拟试验装置，如图1所示，本发明装置包括主体反力架99、附属连接部件、径向加载机构98、液压加载设备、滑动式扩载梁19和轴向(竖向)加载机构。具体地：
如图2所示，所述主体反力架99包括上下间隔设置的多层反力环单元1，作为承担试验荷载的主体结构以及连接其他部件的基础，相邻所述反力环单元1之间通过立柱连接，多个所述径向加载机构98均匀分布于各层所述反力环单元1的内壁。每个主体反力圆环单元1由一个水平的腹板部圆环2和两个竖向的翼缘部圆环3组成块铸钢件(两个翼缘部圆环3分别作为主体反力圆环单元1的内壁和外壁)，再通过在铸钢件以及主环连接板4上打螺栓孔，由高强度螺栓5将八块铸钢件拼接而成，其横截面呈“工字”型，这种断面结构在受压时最为有利。主体反力圆环单元1是承担试验荷载的主体结构，单环主体反力圆环单元1承担单环盾构管片的试验荷载，其结构尺寸按照单环盾构管片在极限破坏条件下的最不利的荷载进行设计，极限破坏条件下的荷载根据国内外足尺试验结果结合数值模拟计算结果进行取值。通过对主体反力圆环单元1进行测试，控制主体反力圆环单元1的变形与受力状态在安全范围内，保证结构具备2.5倍以上的安全系数，最大变形不超过10mm，可实现对国内外常见尺寸的盾构衬砌结构进行全过程加载直至极限破坏，并在试验过程中呈自平衡状态。同时，主体反力圆环单元1还作为连接其他部件并承担其重量的基础结构。
如图3所示，为将三环主体反力圆环单元1连接成一个整体的反力架99，并实现各部件间有机的结合，发挥出各自的特定功能，本装置设计了众多附属连接部件：竖向立柱6承担了主体反力圆环单元1的以及连接在圆环上其他部件的自重，斜向肋撑7加强了多个圆环间的连接强度，二者共同作用，将多个主体反力圆环单元1连接成一个整体，并保证了结构的整体性，其中每隔15°在两个主体反力圆环单元1间设有一个竖向立柱6，并连接有两个斜向肋撑7，任意两环主体反力圆环单元1间设有24个竖向立柱6与48个斜向肋撑7。
结合图2和图4所示，每个所述径向加载机构98包括千斤顶底座8、液压千斤顶10、悬臂11以及调节支撑臂13，在竖向翼缘部圆环3的内侧壁均匀分布若干千斤顶底座8，千斤顶底座8的安装位置在竖向力立柱的正上方或正下方，间隔15°，每个千斤顶底座中间通过法兰9连接有一个液压千斤顶10，并在千斤顶底座的两侧焊接有一对连接悬臂11，每个悬臂11上通过开槽设置有滑槽12，每个滑槽12内通过螺栓扣件安装有一个支撑臂13，滑动式扩载梁19安装于支撑臂13的最外端卡槽口130处，通过调节支撑臂13在滑槽12内的深度可以改变滑动式扩载梁19的初始位置。
如图5所示，在每个液压千斤顶10的底座8为可实现轴转微调的转动机构，该转动机构包括千斤顶加长件24、转轴25、套筒32和支撑耳26，从而形成千斤顶底座8。千斤顶加长件24与千斤顶法兰9连接，且可通过改变其长度来匹配不同尺寸的管片试验，例如可通过减小千斤顶加长件24的尺寸来匹配外径更大的管片，通过增大千斤顶加长件24的尺寸来匹配外径更小的管片以满足试验需求；支撑耳26通过螺栓安装于主体反力圆环单元1上；套筒32焊接于千斤顶加长件24之上，通过在支撑耳26与套筒32中嵌入转抽25以实现转动机构与主体反力圆环单元1的连接。转抽25可承载50吨的剪切荷载，允许千斤顶10发生转动，当管片发生切向变形时，可通过千斤顶10转动消除管片切向变形带来的切向力作用，以保障设备安全，同时可使得千斤顶顶力方向始终垂直于管片表面。
如图6所示，为精确控制液压千斤顶10的压力，本发明装置还包括液压加载设备97，该液压加载设备97包括压力控制泵14、油管15、油路分配器16、精密手动控制阀17、保压阀18。根据结构荷载模型，将实际地层划分为竖向荷载、侧部荷载与肩部荷载等多组荷载，以控制试验荷载下结构的变形与内力较实际地层中相接近为原则，对多组荷载进行取值，同时按照荷载分组将液压千斤顶10分为不同组，每组千斤顶10通过油路分配器16和油管15连接至压力控制泵14，保证了试验过程中同组液压千斤顶10压力变化过程完全一致。根据对地层荷载模拟精细度的不同，液压千斤顶10布设间隔可从15°至180°间任意调节，调节分度值为15°。压力控制泵14负责向整套液压设备提供油压，并在初始输油阶段提供压力控制。保压阀18具有保证既有油压不下降的功能，实现了试验分级加载试验过程压力的稳定。当油压逐渐加大后，通过压力控制泵14控制油压会变得困难，改为通过精密手动控制阀17实现高精度、小幅值的分级加载与补/卸压，实现了全试验过程的精细化控制。
结合图4、图7和8所示，滑动式扩载梁19由标准制式工字梁、工字梁加强板20以及橡胶垫片21组成。试验时，液压千斤顶10的活塞顶头沿盾构管片的径向方向作用于滑动式扩载梁19的固定接头101上，活塞顶头和固定接头101的对应接触可以更好地精确千斤顶10与扩载梁19之间的作用位置，通过滑动式扩载梁19将液压千斤顶10的集中荷载转化为均布荷载，再由近试验管片22的端安装的橡胶垫21将荷载均匀地施加到试验管片22外侧，保证了滑动式扩载梁19与试验盾构管片间地均匀柔性接触，从而更加真实地模拟出盾构管片在实际地层中的受力情况。同时，当液压千斤顶10施加压力时，活塞顶头伸长，滑动式扩载梁19通过支撑滑轴23安装在支撑臂13的卡槽口130上进而实现滑动，从而，滑动式扩载梁19与千斤顶10的活塞顶头共同移动，保证了试验荷载持续、稳定地作用于盾构管片之上。
如图9所示，在进行试验时，需将本试验装置位于试验对象的外侧，即将试验盾构管片22包围。试验前，需要对整个试验装置进行组装，整套试验装置平放在地面上。试验时，主要通过反力环单元1提供荷载反力。
如图10所示，为更全面地对盾构管片22施加荷载，本发明的试验装置还包括轴向加载机构27，用于模拟管片间的纵向约束力作用，该轴向加载机构27包括竖向千斤顶28、连接螺纹杆29、上部加载板30和下部加载板31。共设有6个轴向加载机构27均布于试验管片22，试验管片22位于上部加载板30和下部加载板31之间，当竖向千斤顶28提供压力时，连接螺纹杆29受拉，从而转化为上部加载板30和下部加载板31的对试验管片22的竖向压力，用于模拟管片间纵向约束力作用。
如图11和图12所示，为更好地实现本发明上述目的，本发明的试验装置还包括供均匀分布且支撑于所述盾构管片22下的多个管片滑座机构50，所述管片滑座机构50包括承载座52、滑轨54以及滑板56，所述滑轨54沿长度方向固设于所述承载座52上，所述滑板56滑设于所述承载座52的所述滑轨54上，所述滑板56夹持于所述盾构管片22的底部进而沿盾构管片22的径向方向滑动。在使用时，先将试验管片放置于滑板56之上，而承载座52平放于地面，滑板56与滑轨54均为钢制材料，并在接触面间涂抹黄油以减小摩擦力，滑轨54为钢轨材质且浇筑于混凝土材料的承载座52中，由十二个均布的支撑支座承载试验管片的重量。以此，当盾构管片22收到荷载而产生变形或位移时，盾构管片22隔空于地面而不会与地面产生摩擦，进而有效减小管片受力变形时的水平摩擦力，使管片受力状态更接近于真实地层。
完成上述实施过程后，应能体现出本发明以下特点：
本发明装置针对国内外常见尺寸的盾构管片的足尺试验，可以精确模拟通缝、错缝等不同拼装形式的盾构管片在不同地层条件下发生复杂力学变化的真实过程，并能在实验管片趋于破坏的试验状态下实现试验荷载的精准控制，保证了试验装置的安全性，为实验获得更加准确的数据提供了充分的保障。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种盾构管片力学模拟试验装置，其特征在于：包括主体反力架、径向加载机构以及扩载梁，所述径向加载机构包括安装端以及延伸端，所述安装端可调节安装于所述主体反力架的内壁进而所述径向加载机构可在同一径向平面内相对于某一径向方向进行角度偏移微调，所述延伸端相对于所述安装端可调节地向所述主体反力架的中心伸缩或延伸，所述扩载梁沿盾构管片的轴向设置且可拆卸安装于所述延伸端，通过所述径向加载机构对所述扩载梁施加径向荷载进而通过所述扩载梁将径向荷载传递至盾构管片的外壁；
所述主体反力架包括上下间隔设置的多层反力环单元，相邻所述反力环单元之间通过多根相互间隔的立柱连接，两个立柱之间设有斜向肋撑，多个所述径向加载机构均匀分布于各层所述反力环单元的内壁；
所述反力环单元包括外壁翼缘环、内壁翼缘环以及腹板连接环，所述腹板连接环固接于所述外壁翼缘环与所述内壁翼缘环之间，所述腹板连接环包括可拼装的多段腹板半环，相邻两段所述腹板半环通过弧形连接板配合高强螺栓无缝拼接；
每个所述径向加载机构包括千斤顶底座、径向千斤顶、悬臂以及调节支撑臂，所述径向千斤顶通过所述千斤顶底座可轴转地安装于所述反力环单元的内壁，两个所述悬臂固接于所述千斤顶底座上并分别沿所述径向千斤顶的两侧向外延伸，所述悬臂的长度方向上开设有滑槽，所述调节支撑臂包括固定部以及延伸部，所述固定部卡设于所述滑槽内进而所述调节支撑臂沿所述悬臂可调节伸缩滑动，所述扩载梁安装连接于所述延伸部；
包括供支撑于所述盾构管片下的多个管片滑座机构，所述管片滑座机构包括承载座、滑轨以及滑板，所述滑轨沿长度方向固设于所述承载座上，所述滑板滑设于所述承载座的所述滑轨上，所述滑板夹持于所述盾构管片的底部进而沿所述盾构管片的径向方向滑动；
所述千斤顶底座包括底板、支撑耳、转轴、套筒以及加长连接件，所述底板通过螺栓紧固于所述反力环单元的内壁，所述支撑耳固设于所述底板上，所述转轴穿设于所述支撑耳上，所述套筒活动套设于所述转轴上，所述加长连接件的一端固接于所述套筒的外表面，所述加长连接件的另一端与所述径向千斤顶的底部法兰紧固连接，进而所述径向千斤顶绕所述转轴进行微调轴转；
所述径向千斤顶与液压控制设备控制连接，所述液压控制设备包括压力控制泵、油管、油路分配器、手动控制阀以及保压阀，所述压力控制泵通过所述油管分别与所述手动控制阀、所述保压阀以及所述油路分配器控制连接，每个所述径向千斤顶通过所述油管与所述油路分配器控制连接，通过所述压力控制泵向整个所述液压设备提供油压并在初始输油阶段提供压力控制，通过所述手动控制阀对所述油管分级加载以及补/卸压。
2.根据权利要求1所述的盾构管片力学模拟试验装置，其特征在于：所述扩载梁为工字梁，位于不同高度所述扩载梁的翼缘板之间设有多个加强肋板，所述加强肋板下固设有支撑轴，所述调节支撑臂的所述延伸部上开设有卡槽口，所述支撑轴固定卡设于所述卡槽口进而所述扩载梁安装于两侧所述调节支撑臂上并随所述调节支撑臂调节径向位置。
3.根据权利要求2所述的盾构管片力学模拟试验装置，其特征在于：位于不同高度所述扩载梁的翼缘板之间均匀布设有橡胶垫片以供均匀传递所述扩载梁内外侧所述翼缘板所受到的荷载力。
4.根据权利要求1至3任一所述的盾构管片力学模拟试验装置，其特征在于：包括多个轴向加载机构，每个所述轴向加载机构夹持于所述盾构管片轴向上的上沿和下沿进而施加轴向荷载，相邻两个所述轴向加载机构之间具有均匀间隔；所述轴向加载机构包括上加载板以及下加载板，所述上加载板与所述下加载板之间刚性连接并形成夹持空间以供夹持所述盾构管片的上下两沿，所述上加载板安装有竖向千斤顶以供顶压所述盾构管片的上沿，所述下加载板夹紧抵触于所述盾构管片的下沿。
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