CN110967177B - 一种用于低真空隧道的单块管片原型实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于低真空隧道的单块管片原型实验装置，包括中空的支撑框架，设于支撑框架内的千斤顶加载装置，设于千斤顶加载装置下部的管片支撑装置，设于管片支撑装置下部的真空加载装置，设于管片支撑装置与千斤顶加载装置之间的水压加载装置，设于真空加载装置内部的加热装置和设于管片支撑装置上的数据采集模块；真空加载装置位于支撑框架的底部，水压加载装置位于管片支撑装置上。本发明具有如下有益效果：本发明考虑隧道管片结构在低真空运输环境中的特殊工况，进行管片结构的低真空、高温、水土环境模拟，这些措施可实现对低真空磁悬浮隧道管片结构运行环境的全面模拟，实验结果可对在低真空运输环境下隧道管片结构及接缝的水密性、气密性以及结构力学性能进行验证。

Description

一种用于低真空隧道的单块管片原型实验装置

技术领域

本发明涉及交通运输前沿技术领域，尤其是涉及一种用于低真空隧道的单块管片原型实验装置，适用于低真空盾构隧道管片结构的复杂工况室内模拟。

背景技术

随着经济和技术的发展，现代社会对于速度的要求越来越高，磁悬浮铁路在世界范围内得到了快速发展，而构建真空管道交通系统，可使磁悬浮铁路突破轮轨铁路空气阻力的局限，大幅度提升速度。目前各国都在积极参与真空管道交通项目研究，国外SpaceX,Virgin Hyperloop One, HTT, ET3，加拿大TransPod，西班牙Zeleros等在计划或建造了低真空管道实验线，最高实验速度约387km/h。目前我国CIT-500检测列车实验速度已达605km/h，中车四方600km/h常导磁浮模型车已下线，中国航天科工集团正在进行低温超导磁浮列车的研究，西南交通大学正在进行高温超导磁浮列车的研究。

上述关于真空管道运输系统的研究多集中在列车空气动力学方面，而管道作为列车运行的载体，对真空系统的可靠运行有着至关重要的作用，因此有必要开展针对性研究。借助较为成熟的盾构隧道技术进行真空管道运输系统的建设，可节约稀有的地面土地资源，高效利用地下空间，隧道方案中直接利用盾构管片形成低真空系统运行空间的隧管合一方案结构形式简单，可减小隧道直径，降低工程成本，但盾构隧道管片结构在低真空复杂环境下的密封性能和力学行为有待试验探索。

管道内部抽真空后形成负压，使得外部气体有向管道内扩散补充的趋势，因此管片结构及接缝处的气密性必须满足密封要求；隧道周围有地下水的情况下，真空负压会进一步提高将地下水吸入管道内的可能，因此管片结构及接缝处的水密性能是否可靠，也需要进行实验验证；此外管道内列车运行引起的温度升高、低真空负压等工况对管片及接缝处的受力影响规律都有待实验探究。

发明内容

本发明为了克服现有技术中管道内部抽真空后密封性能不佳，真空负压导致的地下水吸入管道直接影响管道的可靠性，管道内列车运行引起的温度升高会影响管片及接缝处的受力，提出了一种用于低真空隧道的单块管片原型实验装置。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种用于低真空隧道的单块管片原型实验装置，包括中空的支撑框架，设于支撑框架内的千斤顶加载装置，设于千斤顶加载装置下部的管片支撑装置，设于管片支撑装置下部的真空加载装置，设于管片支撑装置与千斤顶加载装置之间的水压加载装置，设于真空加载装置内部的加热装置和设于管片支撑装置上的数据采集模块；真空加载装置位于支撑框架的底部，水压加载装置位于管片支撑装置上；支撑框架呈矩形。

作为优选，一种用于低真空隧道的单块管片原型实验装置还包括中央控制模块和真空泵管路，千斤顶加载装置、水压加载装置、真空加载装置、加热装置、数据采集模块和真空泵管路分别与中央控制模块电连接。

作为优选，所述管片支撑装置包括2个设于支撑框架下部的混凝土墩，混凝土墩位于支撑框架下部左右两侧，各个混凝土墩上均设有支座滑轨，设于2个支座滑轨上的管片，管片通过2个铰支座分别与2个支座滑轨连接；管片呈向上凸出的拱形，通过调整滑轨上的安装位置适配不同尺寸的管片。支座滑轨为T型槽垫板，混凝土墩呈矩形。

为减小管片侧端夹持对结构受力和挠度变形的影响，管片两端的支座装置设计为铰接，铰支座通过T型螺栓安装在T形槽垫板上，并通过调整螺母的拧紧力模拟管片之间的螺栓连接状态，更为真实的模拟隧道管片结构的受力状态。此外通过调整T形槽上铰支座的安装位置，可适应不同尺寸大小的实验管片。

作为优选，所述千斤顶加载装置包括设于支撑框架内顶部的T形槽滑轨，设于T形槽滑轨上的液压千斤顶和与液压千斤顶连接的撑靴；撑靴呈向上拱起的拱形，撑靴的弧度与管片的弧度相适配，撑靴可与管片相接触。

为适应不同尺寸管片的加载点位，千斤顶通过螺栓安装于T形槽滑轨，T形槽滑轨固定于支撑框架顶部，调整螺栓位置后拧紧螺母即可固定千斤顶加载位置，千斤顶通过弧形撑靴将荷载均匀加载于管片外弧面。

作为优选，所述水压加载装置包括位于管片上部的密封边框，密封边框上设有进水口和排气口，密封边框与管片和撑靴的接触面均设有密封橡胶条。

为模拟管片外侧的水压环境，将密封边框固定到管片外侧边缘，结合处采用密封橡胶条，通过千斤顶顶推撑靴压紧密封橡胶条，在管片外侧形成可通过加压泵施加水压的密闭环境。

作为优选，所述真空加载装置包括设于管片下部的真空罩，设于真空罩下部的木楔和设于真空罩侧面的接口；真空罩与管片之间设有密封圈；木楔位于支撑框架的底部，木楔的尺寸与真空罩底部相适配；接口与真空泵管路连接。

用强度和刚度达到使用要求的金属材料折叠焊接出密闭的真空罩，并通过密封圈密封安装在管片内侧，真空罩底部四周塞入木楔挤紧密封圈，真空罩与管片内侧组成密封腔，配合真空泵可对管片进行真空度加载实验。

作为优选，所述加热装置包括设于真空罩底部的支架和设于支架上的短波孪管；短波孪管对管片内侧进行红外加热。模拟列车运行引起的管片内侧升温。

作为优选，数据采集模块包括钢筋计、混凝土应变计、温度传感器、水压计、土压计和光纤光栅传感器，数据采集模块位于管片上。

管片中预埋钢筋计、混凝土应变计、温度传感器、水压计、土压计等监测元件，管片连接螺栓内部以及管片接触面处预埋光纤光栅传感器，通过数据采集仪实时采集存储各监测元件数据，实现不同加载工况下结构的受力实时监测。

作为优选，液压千斤顶包括n组液压油缸，n≥1，每组两个液压油缸。

在矩形支撑框架内将管片两端通过铰接支座固定来模拟管片实际约束，通过千斤顶加弧形撑靴施加荷载的方式模拟管片外侧的环境土压，通过密封框及加压泵对管片外侧施加水压进行管片的环境水压模拟，管片内侧与真空罩连接并通过抽真空模拟低真空环境，通过透明短波孪管对管道内侧进行加热模拟由于列车高速运行引起的管片内侧温度升高，通过中央集成控制系统进行各加载装置的实时控制以模拟不同的环境工况，通过数据采集系统实时采集监测管片结构的受力状态。该发明可对低真空磁悬浮隧道管片结构运行环境进行全面的模拟，实现管片土压、水压、真空度及温度加载，可开展原型管片及接头在低真空复杂环境下的结构力学行为及密封性能的可靠性实验研究。

因此，本发明具有如下有益效果：

本发明考虑隧道管片结构在低真空运输环境中的特殊工况，进行管片结构的低真空、高温、水土环境模拟。将原型管片放置于加载支撑框架中，利用千斤顶加载设备和水压加载设备对管片外侧施加环境荷载，利用真空加载系统对管片内侧抽真空，通过温度加热系统对管片内侧温度进行调整，这些措施可实现对低真空磁悬浮隧道管片结构运行环境的全面模拟，实验结果可对在低真空运输环境下隧道管片结构及接缝的水密性、气密性以及结构力学性能进行验证。

附图说明

图1是本发明的一种装置示意图。

图中，管片1、铰支座2、支座滑轨3、混凝土墩4、支撑框架5、液压千斤顶6、撑靴1、密封边框8、真空罩9、短波孪管10、加热管支架11、T形槽滑轨12、木楔13。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步描述：

如图1所示的实施例是一种用于低真空隧道的单块管片原型实验装置，包括中空的支撑框架5，设于支撑框架内的千斤顶加载装置，设于千斤顶加载装置下部的管片支撑装置，设于管片支撑装置下部的真空加载装置，设于管片支撑装置与千斤顶加载装置之间的水压加载装置，设于真空加载装置内部的加热装置和设于管片支撑装置上的数据采集模块；真空加载装置位于支撑框架的底部，水压加载装置位于管片支撑装置上；支撑框架呈矩形。还包括中央控制模块和真空泵管路，千斤顶加载装置、水压加载装置、真空加载装置、加热装置、数据采集模块和真空泵管路分别与中央控制模块电连接。

管片支撑装置包括2个设于支撑框架下部的混凝土墩4，混凝土墩位于支撑框架下部左右两侧，各个混凝土墩上均设有支座滑轨3，设于2个支座滑轨上的管片1，管片通过2个铰支座2分别与2个支座滑轨连接；管片呈向上凸出的拱形，通过调整滑轨上的安装位置适配不同尺寸的管片

实验用的管片内径11.4m，管片厚度550mm，标准块管片圆心角40°，内部加载的极限真空度为0.05atm~0.2atm，温度为50~60°C 。

支撑框架主要由上下左右四榀钢梁通过高强抗剪螺钉连接，钢梁采用Q235A高强钢板无缝焊接成，厚度为10cm，宽度为2m。框架外边框尺寸规格为6m（长）×2.5m（宽）×5m（高）。

管片由相邻两个标准块各取一半组成，管片接缝凹槽处安装三元乙丙橡胶密封垫，并通过三个环向直螺栓连接成整体。管片两侧端放入槽型钢内卡住后铰接固定于支座滑轨上。

千斤顶加载装置包括设于支撑框架内顶部的T形槽滑轨12，设于T形槽滑轨上的液压千斤顶6和与液压千斤顶连接的撑靴7；撑靴呈向上拱起的拱形，撑靴的弧度与管片的弧度相适配，撑靴可与管片相接触。

液压千斤顶包括3组加载油缸，每组2个，行程为30cm，油缸配置载荷传感器，每个油缸可施加600KN的荷载，油缸通过T形螺钉安装在T形槽滑轨上，通过弧形撑靴对管片外侧施加均布荷载，实验中加载面应力设置为1MPa。

水压加载装置包括位于管片上部的密封边框8，密封边框上设有进水口和排气口，密封边框与管片和撑靴的接触面均设有密封橡胶条。

实验中水压和土压不同时施加，所述水压加载装置，在管片外弧面四周固定钢制密封边框，边框高5cm，并设置4个进水口和1个排气口，边框与管片及撑靴结合处采用橡胶条密封，并通过撑靴顶紧。实验中打开排气口，4个进水口同时注水，当排气口有水排出后，关闭排气口，启动加压泵进行水压分级加载，每级加载0.2MPa。

真空加载装置包括设于管片下部的真空罩9，设于真空罩下部的木楔13和设于真空罩侧面的接口；真空罩与管片之间设有密封圈；木楔位于支撑框架的底部，木楔的尺寸与真空罩底部相适配；接口与真空泵管路连接。

所述真空加载装置，在管片内弧面安装真空罩，真空罩由钢板折叠焊接而成，尺寸为3m（长）×1.8m（宽）×1m（高），真空罩侧面预留与真空泵连接的管路接口。真空罩与管片内侧接触面安装密封圈，并通过真空罩底部塞入木楔挤紧密封圈。实验中启动真空泵进行管片内侧抽真空，使得罩内绝对压强由大气压逐级降低至0.05atm。

加热装置包括设于真空罩底部的支架11和设于支架上的短波孪管10；短波孪管对管片内侧进行红外加热。

所述加热装置，在真空罩底部横向安装5组铝制简易支架，每组间距0.3m，共横向放置5根长1.2m的短波孪管，对管片内侧进行红外加热。

管片内部预埋混凝土应变计、温度传感器、水压计、土压计，管片内、外侧主筋焊接预埋钢筋计。连接直螺栓凿槽并布置光纤传感器，管片接触面凿槽放置光纤传感器。

中央控制模块，将千斤顶加载、水压加载、真空负压加载、温度加热集成控制，通过PLC控制部分完成传感器数据采集与控制，通过触摸屏完成操作者与PLC控制的信息交互，实验指令发送、实验状态显示等。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种用于低真空隧道的单块管片原型实验装置，其特征是，包括中空的支撑框架（5），设于支撑框架内的千斤顶加载装置，设于千斤顶加载装置下部的管片支撑装置，设于管片支撑装置下部的真空加载装置，设于管片支撑装置与千斤顶加载装置之间的水压加载装置，设于真空加载装置内部的加热装置和设于管片支撑装置上的数据采集模块；真空加载装置位于支撑框架的底部，水压加载装置位于管片支撑装置上；支撑框架呈矩形；

所述单块管片原型实验装置还包括中央控制模块和真空泵管路，千斤顶加载装置、水压加载装置、真空加载装置、加热装置、数据采集模块和真空泵管路分别与中央控制模块电连接；

所述管片支撑装置包括2个设于支撑框架下部的混凝土墩（4），混凝土墩位于支撑框架下部左右两侧，各个混凝土墩上均设有支座滑轨（3），设于2个支座滑轨上的管片（1），管片通过2个铰支座（2）分别与2个支座滑轨连接；管片呈向上凸出的拱形，通过调整滑轨上的安装位置适配不同尺寸的管片；

所述千斤顶加载装置包括设于支撑框架内顶部的T形槽滑轨（12），设于T形槽滑轨上的液压千斤顶（6）和与液压千斤顶连接的撑靴（7）；撑靴呈向上拱起的拱形，撑靴的弧度与管片的弧度相适配，撑靴可与管片相接触；

所述水压加载装置包括位于管片上部的密封边框（8），密封边框上设有进水口和排气口，密封边框与管片和撑靴的接触面均设有密封橡胶条；

所述真空加载装置包括设于管片下部的真空罩（9），设于真空罩下部的木楔（13）和设于真空罩侧面的接口；真空罩与管片之间设有密封圈；木楔位于支撑框架的底部，木楔的尺寸与真空罩底部相适配；接口与真空泵管路连接；

所述加热装置包括设于真空罩底部的支架（11）和设于支架上的短波孪管（10）；短波孪管对管片内侧进行红外加热；

数据采集模块包括钢筋计、混凝土应变计、温度传感器、水压计、土压计和光纤光栅传感器，数据采集模块位于管片上。

2.根据权利要求1所述的用于低真空隧道的单块管片原型实验装置，其特征是，液压千斤顶包括n组液压油缸，n≥1，每组两个液压油缸。

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