CN109632470A - 用于管片平板接头力学性能试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于管片平板接头力学性能试验装置，由试验底座、左、右支座、竖向拉杆框架、水平向拉杆框架、竖向液压缸及水平向液压缸组成，试验底座上面两侧分别设置左、右支座，左、右支座之间放置平板试件，试验底座上沿平板试件的水平方向和竖直方向分别设置竖向拉杆框架、水平向拉杆框架，竖向拉杆框架和水平向拉杆框架均由四根平行拉杆及反力架构成力自平衡结构；竖向拉杆框架和水平向拉杆框架内分别设有竖向液压缸、水平向液压缸，对平板试件施加竖向荷载和水平向荷载。通过采用本发明的试验装置，在整个实验过程中，液压缸在水平、竖直方向顶伸施加试验荷载，平板接头试件可以在要求的荷载及位移边界条件下相应运动，满足了试验的各项要求。

Description

用于管片平板接头力学性能试验装置

技术领域

本发明涉及一种力学性能试验装置，尤其是一种用于盾构隧道管片平板接头力学性能试验的装置。

背景技术

现有的盾构隧道通常是由若干圆弧形管片组成一个管片环，管片环相连构成隧道，管片、管片环之间采用螺栓连接。因此每一环内各管片的连接部位(简称接头)的抗弯剪的力学性能将直接影响隧道的承载和安全能力。有必要通过实样试验进行验证和优化。

考虑到管片接头预埋件及连接螺栓的真实受力状态，拟在管片接头预埋件及锚筋抗拉试验研究的基础上，忽略弧形管片的实际形状，选取不同的接头预埋件型式，开展衬砌管片平板型接头力学性能试验。试验的目的是：

(1)研究具有不同预埋件型式的管片接头在不同荷载工况下的受力机理及破坏模式；

(2)获得管片接头转动刚度，以利用采用梁-弹簧模型进行管片内力分析；

(3)根据实测数据，验证接头预埋件型式的合理性，在此基础上选择最优的接头预埋件设计模型。

管片平板接头力学性能试验的主要内容如下：

(1)具有不同预埋件的平板型接头在不同工况(接头内力、偏心距)下，接头张开量(张角)、刚度的变化规律及破坏模式；

(2)具有不同预埋件的平板型接头在不同工况下，螺栓拉力、预埋件及锚筋应力的变化规律；

根据试验的目的和要求，试件由浇筑成两块平板型砼试样，并通过螺栓连接成一组试件。

为了模拟接头的受力状态，制作可进行两向独立加载的试验装置，需要同时在平板接头的两个方向独立施加试验荷载，即在平板接头的轴向方向的两端施加水平荷载，模拟轴力(接头内力的轴向力)；同时在管片平板接头的接缝相应位置处的竖直方向施加竖向荷载，模拟弯矩。

根据接头实际的受力状况，试验中接头试件的荷载位移边界条件：一端为固定铰支座，另一端为滑动铰支座。

试验中，平板试件置放在支座上，在竖直荷载的弯矩作用下会绕中心面相向转动，此时试件两端会相向翘起，试件的支承底座随之转动，而拉杆处于水平状态，反力架处于竖直状态，因此支座及反力架构成的系统应该设计成能够分别模拟固定铰支座和滑动铰支座，可以使支座能跟随试件的运动而运动，避免支座无法随动，造成试件和支座的接触位置产生附加弯矩，影响试验的精度。

发明内容

本发明是要提供一种用于管片平板接头力学性能试验装置，用于满足平板试件试验的各项要求。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于管片平板接头力学性能试验装置，由试验底座、左、右支座、竖向拉杆框架、水平向拉杆框架、竖向液压缸及水平向液压缸组成，所述试验底座上面两侧分别设置左、右支座，左、右支座之间放置平板试件，所述试验底座上沿平板试件的水平方向和竖直方向分别设置竖向拉杆框架、水平向拉杆框架，所述竖向拉杆框架和水平向拉杆框架均由四根平行拉杆及反力架构成力自平衡结构；所述竖向拉杆框架和水平向拉杆框架内分别设有竖向液压缸、水平向液压缸，对平板试件施加竖向荷载和水平向荷载。

进一步，所述竖向拉杆框架内设有两个竖向液压缸；所述水平向拉杆框架内设有四个水平向液压缸，四个水平向液压缸两两并列布置。

进一步，所述水平向拉杆框架包括水平液压缸反力架，液压缸托架，水平拉杆，水平反力架，所述水平反力架、水平液压缸反力架分别设置在左支座和右支座后部，并与试验底座固定连接，水平反力架与水平液压缸反力架之间连接有四根水平拉杆，右支座与水平液压缸反力架之间连接有水平向液压缸。

进一步，所述左支座模拟为固定铰支座，所述右支座模拟为滑动铰支座。

进一步，所述左支座和水平反力架的相向侧面之间安装有铰接部件，铰接部件由两个铰接件构成，两个铰接件分别安装在左支座和左侧水平反力架的相向侧面上，一个铰接件呈外凸曲面，另一个铰接件呈内凹曲面，两个铰接件通过内外凸曲面配合连接，可以沿两者之间的曲面相向滑动，使左支座绕转轴中轴线转动时，左侧水平反力架保持竖直状态，同时又能保持两者之间良好的面接触，模拟固定铰支座。

进一步，所述右支座和水平液压缸反力架通过四个水平液压缸的相互之间伸缩、右支座底面转轴的平移、右支座绕转轴的旋转、液压缸活塞杆头部的球铰的随动旋转运动的综合叠加达到模拟滑动铰支座的功能。

进一步，所述左、右支座呈L型结构，分别与平板试件两侧的端面和底面相接触；所受压迫左、右支座底部均高有一根转轴，左、右支座直接置于转轴上，并构成线接触，转轴两侧装有限位件，用于限定转轴在左、右支座底部的水平位置。

本发明的有益效果是：

通过采用本发明的技术方案，在整个实验过程中，液压缸在水平、竖直方向顶伸施加试验荷载，平板接头试件可以在要求的荷载及位移边界条件下相应运动，满足了试验的各项要求。

附图说明

图1为本发明的用于管片平板接头力学性能试验装置结构示意图；

图2为试验底座安装的左、右支座示意图；

图3为左支座、水平反力架和铰接部件在试验初始状态；

图4为左支座、水平反力架和铰接部件在试验结束(即试件破碎时)状态。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1，2所示，一种用于管片平板接头力学性能试验装置，由试验底座、左、右支座、竖向拉杆框架、水平向拉杆框架、竖向液压缸及水平向液压缸组成，所述试验底座上面两侧分别设置左、右支座，左、右支座之间放置平板试件，所述试验底座上沿平板试件的水平方向和竖直方向分别设置竖向拉杆框架、水平向拉杆框架，所述竖向拉杆框架和水平向拉杆框架均由四根平行拉杆及反力架构成力自平衡结构；所述竖向拉杆框架和水平向拉杆框架内分别设有竖向液压缸、水平向液压缸，对平板试件施加竖向荷载和水平向荷载。

平板试件放置在两个支座上，置于系统的中心处，这样液压缸可以有效地将荷载施加在试件上，合力贯通试件中心。

如图1所示，该试验装置由试验底座1，水平液压缸反力架2，液压缸托架3，左支座8，水平拉杆5，弯矩分配梁6，竖直拉杆7，右支座4，铰接部件9，水平反力架10，竖直反力架11，液压缸12，及液压伺服系统，测量传感器和附件等组成。试验底座1上面分别连接有左支座8和右支座4，左支座8后面设有水平反力架10，右支座4后面设有水平液压缸反力架2，右支座4与水平液压缸反力架2之间连接有液压缸12，水平液压缸反力架2与水平反力架10之间连接有四根水平拉杆5，试验底座1上方置有弯矩分配梁6，弯矩分配梁6上端通过液压缸12连接竖直反力架11，竖直反力架11与试验底座1之间通过四根竖直拉杆7相连接。

为了实现接头试件的荷载位移边界条件：一端为固定铰支座，另一端为滑动铰支座。将左支座8处设计为固定铰支，右支座4和液压缸处设计为滑动铰支。

左、右支座8，4呈L型结构，分别与平板试件两侧的端面和底面相接触。左、右支座8，4底部都有一根转轴13，左、右支座8，4直接置于转轴13上，与之构成线接触，并在两侧装有限位件14，限定转轴13在支座底部的水平位置；支座工作时位于试验底座上，可以在试验底座上滚动移动。如此设计是为了使支座在工作时只有水平向的平动和绕转轴中轴线转动的2个自由度，模拟试验要求的支承状态。具体结构参见图2。

为了实现模拟固定铰支的要求，左支座和水平反力架的相向侧面之间安装有特殊设计的铰接部件9，铰接部件9分为两个主要零件，分别安装在左支座8和左侧水平反力架10的相向侧面上。这两个零件可以沿两者之间的曲面相向滑动，一个呈外凸曲面，一个呈内凹曲面。该曲面设计为多曲率的曲面，可以使左支座8绕转轴中轴线转动时，左侧水平反力架10保持竖直状态，同时又能保持两者之间良好的面接触。

为了实现模拟滑动铰支的要求，将四个水平的液压缸12布置在水平拉杆5框架的右侧，通过液压伺服系统分别控制液压缸12的压力，伸缩活塞杆，即滑动运动。活塞杆顶部装有球铰，球铰顶面压在右支座4上，将水平的液压缸12施加的水平加载力通过右支座4垂直传递在试件的端面(即两侧面)上，且合力贯通试件中心。液压伺服系统设计为：在保持4个液压缸的压力一致的情况下，4个液压缸的活塞杆能根据右支座4的转动而随动伸缩，精确控制其伸出的行程，确保活塞杆顶部的球铰始终压在右支座上。

当竖向液压缸加载时，试件开始向中心面相向转动弯曲时，两侧支座也随之相向转动。在此过程中，右支座也相应绕其转轴中轴线转动。在本试验中，由液压伺服系统的精确控制下：上部两个液压缸相应继续伸出活塞杆；下部两个液压缸相应回缩活塞杆，活塞杆的球铰始终压在右支座上。因此有效模拟滑动铰支座。

试验时的(理想)初始、最终状态参见图3、4。

本发明的技术方案中的液压缸均由液压伺服系统独立控制两个方向的加载。

Claims (7)

1.一种用于管片平板接头力学性能试验装置，由试验底座、左、右支座、竖向拉杆框架、水平向拉杆框架、竖向液压缸及水平向液压缸组成，其特征在于：所述试验底座上面两侧分别设置左、右支座，左、右支座之间放置平板试件，所述试验底座上沿平板试件的水平方向和竖直方向分别设置竖向拉杆框架、水平向拉杆框架，所述竖向拉杆框架和水平向拉杆框架均由四根平行拉杆及反力架构成力自平衡结构；所述竖向拉杆框架和水平向拉杆框架内分别设有竖向液压缸、水平向液压缸，对平板试件施加竖向荷载和水平向荷载。

2.根据权利要求1所述的用于管片平板接头力学性能试验装置，其特征在于：所述竖向拉杆框架内设有两个竖向液压缸；所述水平向拉杆框架内设有四个水平向液压缸，四个水平向液压缸两两并列布置。

3.根据权利要求1所述的用于管片平板接头力学性能试验装置，其特征在于：所述水平向拉杆框架包括水平液压缸反力架，液压缸托架，水平拉杆，水平反力架，所述水平反力架、水平液压缸反力架分别设置在左支座和右支座后部，并与试验底座固定连接，水平反力架与水平液压缸反力架之间连接有四根水平拉杆，右支座与水平液压缸反力架之间连接有水平向液压缸。

4.根据权利要求1所述的用于管片平板接头力学性能试验装置，其特征在于：所述左支座模拟为固定铰支座，所述右支座模拟为滑动铰支座。

5.根据权利要求3或4所述的用于管片平板接头力学性能试验装置，其特征在于：所述左支座和水平反力架的相向侧面之间安装有铰接部件，铰接部件由两个铰接件构成，两个铰接件分别安装在左支座和左侧水平反力架的相向侧面上，一个铰接件呈外凸曲面，另一个铰接件呈内凹曲面，两个铰接件通过内外凸曲面配合连接，可以沿两者之间的曲面相向滑动，使左支座绕转轴中轴线转动时，左侧水平反力架保持竖直状态，同时又能保持两者之间良好的面接触，模拟固定铰支座。

6.根据权利要求3或4所述的用于管片平板接头力学性能试验装置，其特征在于：所述右支座和水平液压缸反力架通过四个水平液压缸的相互之间伸缩、右支座底面转轴的平移、右支座绕转轴的旋转、液压缸活塞杆头部的球铰的随动旋转运动的综合叠加达到模拟滑动铰支座的功能。

7.根据权利要求1所述的用于管片平板接头力学性能试验装置，其特征在于：所述左、右支座呈L型结构，分别与平板试件两侧的端面和底面相接触；所受压迫左、右支座底部均高有一根转轴，左、右支座直接置于转轴上，并构成线接触，转轴两侧装有限位件，用于限定转轴在左、右支座底部的水平位置。