CN109752204B - 一种可缩钢拱架非对称加载模拟试验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可缩钢拱架非对称加载模拟试验方法，包括以下步骤：S1试验准备：组装可缩钢拱架并固定在实验台上，安装为可缩钢拱架施加载荷力的加载油缸；S2预加载：调节各加载油缸，使得其同时施加压力作用在可缩钢拱架上，直至压力稳定；S3参数设置：当预加载的压力均稳定时，设置加载油缸的载荷、位移、加载速率以及加载方式；S4试验过程：按照设置好的参数，各加载油缸同时对可缩钢拱架施加压力，记录并保存试验数据，达到加载试验结束要求时，停止加载。本发明还公开了可缩钢拱架非对称加载模拟试验装置。本发明提供的试验方法，操作方便，可靠性强，成本低，又能达到很好的模拟效果，能够很好地测试可缩钢拱架的力学性能。

Description

一种可缩钢拱架非对称加载模拟试验方法及装置

技术领域

本发明属于公路隧道、铁路隧道等地下工程技术领域，具体涉及一种可缩钢拱架非对称加载模拟试验方法及装置。

背景技术

通常对钢拱架进行整架试验时，加载方式有对称加载和非对称加载两种类型，其中对称加载主要包括均布载荷、顶压大侧压小、侧压大顶压小等受载情况，非对称加载主要包括一侧压力大一侧压力小的受载情况。而对于可缩钢拱架的加载试验，试验主要研究工字钢可缩拱架在非对称受力条件下的变形破坏特征，即钢架在一侧压力小一侧压力大的荷载条件下的变形破坏特性，这样就可以根据钢架加载的方向和大小两个因素来模拟不同位置不同等级的非对称大变形现象，比如拱顶下沉，边墙收敛，拱低底鼓等。但是，目前的非对称加载试验方法，操作复杂，成本高，可靠性低，不能有效地模拟测试可缩钢拱架的力学性能。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种可缩钢拱架非对称加载模拟试验方法及装置。

本发明所采用的技术方案为：一种可缩钢拱架非对称加载模拟试验方法，包括以下步骤：

S1、试验准备：

组装可缩钢拱架，将组装的可缩钢拱架固定在实验台上，并在实验台上安装为可缩钢拱架施加载荷力的多个加载油缸，在每一加载油缸上均安装用于测试加载油缸施加的压力大小的载荷传感器和用于测试加载油缸的传力杆位移的位移传感器；其中，可缩钢拱架包括拱形段和对称地位于拱形段两端的可缩段；

S2、预加载：

调节各加载油缸，使得各加载油缸的传力杆与可缩钢拱架接触，继续调节各加载油缸，使得各加载油缸同时施加压力作用在可缩钢拱架上，直至压力稳定在预压值；

S3、参数设置：

当各加载油缸施加的压力均稳定在预压值时，调节可缩段的承受力，并设置加载油缸的载荷、位移、加载速率以及加载方式；

S4、试验过程：

按照设置好的参数，各加载油缸同时对可缩钢拱架施加压力，记录并保存各载荷传感器和位移传感器测试的数据，达到加载试验结束要求时，停止加载。

可选地，步骤S1试验准备具体包括以下过程：

S11、组装可缩钢拱架，并在可缩钢拱架上选择一系列加载点，并为每一加载点做好标识；

S12、将组装的可缩钢拱架固定在实验台上，在实验台上安装与一系列加载点一一对应的多个加载油缸，使得多个加载油缸与可缩钢拱架在同一竖直平面，且加载油缸的传力杆与对应的加载点处的切线垂直；

S13、在每一加载油缸上均安装用于测试加载油缸施加的压力大小的载荷传感器和用于测试传力杆位移的位移传感器。

可选地，步骤S11还包括以下过程：在每一所述的加载点处均安装一传力块，传力块为与加载点处弧度相同的弧形状。

可选地，步骤S3中加载方式为：各加载油缸同步对可缩钢拱架进行加载，每个加载油缸的作用力均从预压值开始按预设的加载速率匀速增加。

可选地，所述加载点在可缩钢拱架的拱形段上对称分布，加载点包括分别位于拱形段两边腰部且相互对称的第一组加载点和第二组加载点以及位于拱形段顶部的第三组加载点。

可选地，所述加载油缸包括分别与所述第一组加载点、第二组加载点以及第三组加载点一一对应的第一组加载油缸、第二组加载油缸和第三组加载油缸。

可选地，所述第二组加载油缸中各油缸分别对可缩钢拱架施加的力与第一组加载油缸中各油缸分别对可缩钢拱架施加的力之比为N，1＜N＜3，N为实数；所述第三组加载油缸中各油缸分别对可缩钢拱架施加的力与第二组加载油缸中各油缸分别对可缩钢拱架施加的力相等。

本发明还公开了一种可缩钢拱架非对称加载模拟试验装置，包括可缩钢拱架以及为可缩钢拱架施加压力的施力组件；所述可缩钢拱架包括拱形段和可缩段，拱形段上标记有多个加载点，所述施力组件包括与多个加载点一一对应设置的多个加载油缸，多个加载油缸沿着可缩钢拱架的拱形段周围对称分布；每一所述加载油缸上均安装用于测试加载油缸施加的压力大小的载荷传感器和用于测试加载油缸的传力杆位移的位移传感器。

可选地，每一所述加载点处均设有传力块，传力块呈与加载点处弧度相同的弧形。

可选地，所述加载油缸的输出端连接有传力杆，传力杆的运动方向与相对应的加载点处的切线垂直。

本发明的有益效果为：本发明提供的可缩钢拱架非对称加载模拟试验方法，模拟隧道非对称大变形可缩钢拱架的受力变形特征，通过不同加载方向的油缸的布置和施加的压力大小来模拟不同的隧道非对称工况；其试验方法思路新颖，操作方便，可靠性强，成本低，又能达到很好的效果，能够很好地测试可缩钢拱架的力学性能，对于不同的可缩钢拱架能起到良好的检测效果，对隧道与地下工程建设起到一个经济性和安全性的指导作用。

附图说明

图1是可缩钢拱架非对称加载模拟试验装置的结构示意图。

图2是可缩钢拱架非对称加载模拟试验方法的流程图。

图3是可缩钢拱架的结构示意图。

图4是可缩段的结构示意图。

图5是图4的侧视图。

附图标记说明：1-可缩钢拱架，2-拱形段，3-可缩段，4-加载油缸，5-传力块，6-传力杆，7-实验台，8-摩阻钢板，81-腰型孔，9-第一工字钢板，9a-第一螺栓，10-第二工字钢板，10a-第二螺栓。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

本发明中，结合不同加载方向的油缸的布置和施加荷载的比例大小来模拟不同位置和不同等级的隧道非对称的工况；不同位置：由于试验台每个油缸可以独立加载，因此，不同部位的大变形可以将相应部位的油缸的加载荷载调大点，其它的油缸较小且相同；不同等级：由于非对称大变形有轻微、中等和强烈等不同等级，因此，通过调节大变形部位油缸的荷载与普通部位油缸荷载的比例来模拟不同的非对称大变形级别。而非对称的位置一般分为拱顶非对称、拱腰非对称、边墙非对称和拱底非对称，设置相应部位加载点与其它部位加载点的荷载比例为N:1。

实施例：

本实施例中，针对拱腰非对称的情况进行试验，首先，介绍试验装置，如图1所示，一种可缩钢拱架非对称加载模拟试验装置，包括可缩钢拱架1以及为可缩钢拱架施加压力的施力组件；所述可缩钢拱架1包括拱形段2和可缩段3，拱形段2上标记有多个加载点，所述施力组件包括与多个加载点一一对应设置的多个加载油缸4，多个加载油缸4沿着可缩钢拱架1的拱形段周围对称分布；每一所述加载油缸4上均安装用于测试加载油缸4施加的压力大小的载荷传感器和用于测试加载油缸4的传力杆6位移的位移传感器。

作为一种优选的实施方式，每一所述加载点处均设有传力块5，传力块5呈与加载点处弧度相同的弧形。可缩钢拱架1理想化的受载形式为面载荷形式，即钢架与加载结构处于均匀的面接触，为了加载点的固定性和载荷在可缩钢拱架1内传递的稳定性，在每个加载点加载油缸4与可缩钢拱架1间添加传力块5并用卡缆固定锁死，加载油缸4作用在传力块5上使载荷尽可能均匀的在可缩钢拱架1内分布和传递。

具体地，所述加载油缸4的输出端连接有传力杆6，传力杆6的运动方向与相对应的加载点处的切线垂直。

下面，介绍利用上述试验装置进行试验的试验方法，如图2所示，一种可缩钢拱架非对称加载模拟试验方法，包括试验准备、预加载、参数设置和试验过程等四个步骤，具体如下：

S1、试验准备。

首先，组装可缩钢拱架1，将组装的可缩钢拱架1固定在实验台7上，并在实验台7的周围安装为可缩钢拱架1施加载荷力的多个加载油缸4，在每一加载油缸4上均安装用于测试加载油缸4施加的压力大小的载荷传感器和用于测试加载油缸4的传力杆6位移的位移传感器。

S2、预加载：调节各加载油缸4，使得各加载油缸4的传力杆6与可缩钢拱架1接触，继续调节各加载油缸4，使得各加载油缸4同时施加压力作用在可缩钢拱架1上，直至压力稳定在预压值。本实施例中，预压值设计为5000N。

S3、参数设置：当各加载油缸4施加的压力均稳定在预压值时，调节可缩段3的承受力，并设置加载油缸4的载荷、位移、加载速率以及加载方式；其中，具体的加载方式为：各加载油缸4同步对可缩钢拱架1进行加载，每个加载油缸4的作用力均从预压值开始按预设的加载速率均匀2增加。

S4、试验过程：按照设置好的参数，各加载油缸4同时对可缩钢拱架1施加压力，记录并保存各载荷传感器和位移传感器测试的数据，达到加载试验结束要求时，停止加载。

具体地，出现下列情况之一则停止加载：可缩钢拱架1失去承载能力持续下缩不能自稳、可缩钢拱架1发生弯曲等塑性变形、可缩钢拱架1失稳脱离“加载平面”、加载油缸4伸缩超过额定行程无法继续加压、位移和载荷传感器超过额定行程；可缩钢拱架1达到可缩性试验结束标准及达到设计可缩量，或加载的力达到上限设计值或构件上某点的应变值达到。加载过程中，对于测试摩阻板预紧力对钢架滑移的影响的环节，当钢架试件出现滑移缩动后，停止加载，调整钢架和摩阻板的位置至初始状态，调整拱架与油缸传力杆紧密接触重复加载过程。

其中，步骤S1试验准备具体包括以下过程：S11、组装可缩钢拱架1，并在可缩钢拱架1上选择一系列加载点，并为每一加载点做好标识；S12、将组装的可缩钢拱架1固定在实验台7上，在实验台7的周围安装与一系列加载点一一对应的多个加载油缸4，使得多个加载油缸4与可缩钢拱架1在同一竖直平面，且加载油缸4的传力杆6与对应的加载点处的切线垂直；S13、在每一加载油缸4上均安装用于测试加载油缸4施加的压力大小的载荷传感器和用于测试传力杆6位移的位移传感器，在安装载荷传感器和位移传感器时要求传感器与油缸底部托盘垂直紧密接触。

作为一种优选地实施方案，步骤S11还包括以下过程：在每一所述的加载点处均安装一传力块5，传力块5为与加载点处弧度相同的弧形状。可缩钢拱架1理想化的受载形式为面载荷形式，即钢架与加载结构处于均匀的面接触，为了加载点的固定性和载荷在可缩钢拱架1内传递的稳定性，在每个加载点加载油缸4与可缩钢拱架1间添加传力块5并用卡缆固定锁死，加载油缸4作用在传力块5上使载荷尽可能均匀的在可缩钢拱架1内分布和传递。

具体地，所述加载点在可缩钢拱架1的拱形段2上对称分布，加载点包括分别位于拱形段2两边腰部且相互对称的第一组加载点和第二组加载点以及位于拱形段2顶部的第三组加载点。相应地，所述加载油缸4包括分别与所述第一组加载点、第二组加载点以及第三组加载点一一对应的第一组加载油缸、第二组加载油缸和第三组加载油缸，如图1所示，第一组加载油缸包括编号分别为⑥⑦⑧的三个油缸，第二组加载油缸包括编号分别为

的三个油缸，第三组加载油缸包括编号分⑩

的两个油缸。

其中，所述第二组加载油缸中各油缸分别对可缩钢拱架1施加的力与第一组加载油缸中各油缸分别对可缩钢拱架1施加的力之比为N，1＜N＜3，N为实数；所述第三组加载油缸中各油缸分别对可缩钢拱架1施加的力与第二组加载油缸中各油缸分别对可缩钢拱架施加的力相等。

具体地，本实施例中，考虑非对称大变形隧道中钢拱架的不均匀受力情况，拟设计模拟隧道拱腰收敛的轻微非对称大变形类型，加载比例N取1.5，即拱腰部位油缸的荷载为其他油缸的1.5倍，各油缸加载参数统计如下表：

本实施例中压缩试验检验可缩钢拱架1组成的全封闭环的承载能力和稳定性，本次试验的可缩钢拱架1直径与实际尺寸比为1:3。为模拟一个直径为13.2米的拱架受力情况，采用的模型半径R为220mm。结合隧道实际情况，整个可缩钢拱架1由几段工字钢拼接而成，接头处按照隧道钢拱架加工规范焊接成一个整体。可缩段3在左右两侧边墙处近于垂直的地方，螺栓扭矩根据试验需要进行调整，左右两侧可缩段的长度均为200mm，对称布置。可缩钢拱架1设计断面及具体的结构参数如图3。

为了更好地理解本发明，下面对可缩段3的结构进行介绍。

如图4和图5所示，可缩段3包括摩阻钢板8以及分别与摩阻钢板8两端相连的第一工字钢板9和第二工字钢板10，摩阻钢板8的两侧翼缘上均设有腰型孔81；所述第一工字钢板9底端的两侧设有第一螺栓9a，第一螺栓9a的一端固定于第一工字钢板9上，第一螺栓9a的另一端位于腰型孔81内且可在腰型孔81内滑动；所述第二工字钢板10顶端的两侧设有第二螺栓10a，第二螺栓10a的一端固定于第二工字钢板10上，第二螺栓10a的另一端位于腰型孔81内且可在腰型孔81内滑动。本实施例中，第一螺栓9a共四颗，分别对称地分布于第一工字钢板9的两侧；第二螺栓10a共四颗，分别对称地分布于第二工字钢板10的两侧。

所述第一工字钢板9和第二工字钢板10均采用I20b型工字钢。

所述第一工字钢板9的翼缘内侧处设有与所述第一螺栓9a垂直的第一垂直面。由于工字钢翼缘中间厚两边薄，其翼缘内侧为一斜面，为保证螺栓能够与之紧密接触并且拧紧，所述第一工字钢板9的翼缘内侧螺孔处铣出一螺帽大小的平面，即第一垂直面。

所述第二工字钢板10的翼缘内侧处设有与所述第二螺栓10a垂直的第二垂直面。由于工字钢翼缘中间厚两边薄，其翼缘内侧为一斜面，为保证螺栓能够与之紧密接触并且拧紧，所述第二工字钢板10的翼缘内侧螺孔处铣出一螺帽大小的平面，即第二垂直面。

所述摩阻钢板8采用长、宽、厚度为600mm*100mm*30mm的Q345型钢板。为防止摩阻钢板8由于冷轧过程中表面凹凸不平，粗糙度不同给可缩段带来的影响，避免可缩钢拱架在受压缩动时两个钢板接触面产生划痕甚至卡住的现象，摩阻钢板8与第一工字钢板9以及第二工字钢板10相接触的一面在铣床上打磨光滑，使表面平整。

所述第一螺栓9a和第二螺栓10a均采用M20*65型螺栓。

其中，第一螺栓9a和第二螺栓10a通过施加扭矩分别将第一工字钢板9和第二工字钢板10与摩阻钢板8紧密贴合在一起，通过螺栓的预紧力来调节他们之间的摩擦力，当第一工字钢板9所受的压力大于第一工字钢板9与摩阻钢板8之间的摩擦阻力时，第一工字钢板9开始向下缩动，从而达到自动可缩的目的。当缩动完成后，第一工字钢板9与第二工字钢板10连在一起，成为一个整体，能继续发挥普通钢架的作用。其工作原理是以柔克刚，先让后抗，当隧道局部围岩压力比较大时，钢拱架则缓慢下缩，可较好地利用围岩的自承能力，钢拱架与围岩共处于较理想的力学体系。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种可缩钢拱架非对称加载模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、试验准备：

组装可缩钢拱架，将组装的可缩钢拱架固定在实验台上，并在实验台上安装为可缩钢拱架施加载荷力的多个加载油缸，在每一加载油缸上均安装用于测试加载油缸施加的压力大小的载荷传感器和用于测试加载油缸的传力杆位移的位移传感器；其中，可缩钢拱架包括拱形段和对称地位于拱形段两端的可缩段；

可缩段包括摩阻钢板以及分别与摩阻钢板两端相连的第一工字钢板和第二工字钢板，摩阻钢板的两侧翼缘上均设有腰型孔；所述第一工字钢板底端的两侧设有第一螺栓，第一螺栓的一端固定于第一工字钢板上，第一螺栓的另一端位于腰型孔内且可在腰型孔内滑动；所述第二工字钢板顶端的两侧设有第二螺栓，第二螺栓的一端固定于第二工字钢板上，第二螺栓的另一端位于腰型孔内且可在腰型孔内滑动；

第一螺栓和第二螺栓通过施加扭矩分别将第一工字钢板和第二工字钢板与摩阻钢板紧密贴合在一起，通过螺栓的预紧力来调节他们之间的摩擦力，当第一工字钢板所受的压力大于第一工字钢板与摩阻钢板之间的摩擦阻力时，第一工字钢板开始向下缩动，从而达到自动可缩的目的；当缩动完成后，第一工字钢板与第二工字钢板连在一起，成为一个整体，能继续发挥普通钢架的作用；

S2、预加载：

调节各加载油缸，使得各加载油缸的传力杆与可缩钢拱架接触，继续调节各加载油缸，使得各加载油缸同时施加压力作用在可缩钢拱架上，直至压力稳定在预压值；

S3、参数设置：

当各加载油缸施加的压力均稳定在预压值时，调节可缩段的承受力，并设置加载油缸的载荷、位移、加载速率以及加载方式；

S4、试验过程：

按照设置好的参数，各加载油缸同时对可缩钢拱架施加压力，记录并保存各载荷传感器和位移传感器测试的数据，达到加载试验结束要求时，停止加载。

2.根据权利要求1所述的可缩钢拱架非对称加载模拟试验方法，其特征在于，步骤S1试验准备具体包括以下过程：

S11、组装可缩钢拱架，并在可缩钢拱架上选择一系列加载点，并为每一加载点做好标识；

S12、将组装的可缩钢拱架固定在实验台上，在实验台上安装与一系列加载点一一对应的多个加载油缸，使得多个加载油缸与可缩钢拱架在同一竖直平面，且加载油缸的传力杆与对应的加载点处的切线垂直；

S13、在每一加载油缸上均安装用于测试加载油缸施加的压力大小的载荷传感器和用于测试传力杆位移的位移传感器。

3.根据权利要求2所述的可缩钢拱架非对称加载模拟试验方法，其特征在于，步骤S11还包括以下过程：在每一所述的加载点处均安装一传力块，传力块为与加载点处弧度相同的弧形状。

4.根据权利要求2所述的可缩钢拱架非对称加载模拟试验方法，其特征在于，步骤S3中加载方式为：各加载油缸同步对可缩钢拱架进行加载，每个加载油缸的作用力均从预压值开始按预设的加载速率匀速增加。

5.根据权利要求2-4任一项所述的可缩钢拱架非对称加载模拟试验方法，其特征在于：所述加载点在可缩钢拱架的拱形段上对称分布，加载点包括分别位于拱形段两边腰部且相互对称的第一组加载点和第二组加载点以及位于拱形段顶部的第三组加载点。

6.根据权利要求5所述的可缩钢拱架非对称加载模拟试验方法，其特征在于：所述加载油缸包括分别与所述第一组加载点、第二组加载点以及第三组加载点一一对应的第一组加载油缸、第二组加载油缸和第三组加载油缸。

7.根据权利要求6所述的可缩钢拱架非对称加载模拟试验方法，其特征在于：所述第二组加载油缸中各油缸分别对可缩钢拱架施加的力与第一组加载油缸中各油缸分别对可缩钢拱架施加的力之比为N，1＜N＜3，N为实数；所述第三组加载油缸中各油缸分别对可缩钢拱架施加的力与第二组加载油缸中各油缸分别对可缩钢拱架施加的力相等。

8.一种可缩钢拱架非对称加载模拟试验装置，其特征在于：包括可缩钢拱架以及为可缩钢拱架施加压力的施力组件；所述可缩钢拱架包括拱形段和可缩段，可缩段包括摩阻钢板以及分别与摩阻钢板两端相连的第一工字钢板和第二工字钢板，摩阻钢板的两侧翼缘上均设有腰型孔；所述第一工字钢板底端的两侧设有第一螺栓，第一螺栓的一端固定于第一工字钢板上，第一螺栓的另一端位于腰型孔内且可在腰型孔内滑动；所述第二工字钢板顶端的两侧设有第二螺栓，第二螺栓的一端固定于第二工字钢板上，第二螺栓的另一端位于腰型孔内且可在腰型孔内滑动；

第一螺栓和第二螺栓通过施加扭矩分别将第一工字钢板和第二工字钢板与摩阻钢板紧密贴合在一起，通过螺栓的预紧力来调节他们之间的摩擦力，当第一工字钢板所受的压力大于第一工字钢板与摩阻钢板之间的摩擦阻力时，第一工字钢板开始向下缩动，从而达到自动可缩的目的；当缩动完成后，第一工字钢板与第二工字钢板连在一起，成为一个整体，能继续发挥普通钢架的作用；

拱形段上标记有多个加载点，所述施力组件包括与多个加载点一一对应设置的多个加载油缸，多个加载油缸沿着可缩钢拱架的拱形段周围对称分布；每一所述加载油缸上均安装用于测试加载油缸施加的压力大小的载荷传感器和用于测试加载油缸的传力杆位移的位移传感器。

9.根据权利要求8所述的可缩钢拱架非对称加载模拟试验装置，其特征在于：每一所述加载点处均设有传力块，传力块呈与加载点处弧度相同的弧形。

10.根据权利要求8或9所述的可缩钢拱架非对称加载模拟试验装置，其特征在于：所述加载油缸的输出端连接有传力杆，传力杆的运动方向与相对应的加载点处的切线垂直。

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