CN111006998B - 一种模拟隧道任意一点应力状态的混凝土加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于混凝土加载试验设备技术领域，具体涉及一种模拟隧道任意一点应力状态的混凝土加载装置，由相互独立的制备单元和加载单元配合构成，制备单元制作混凝土试块，加载单元加载混凝土试块，用于地铁隧道衬砌结构实际受力状态与环境耦合作用下地铁隧道衬砌混凝土结构耐久性研究，通过调节拉‑压力模拟地铁隧道衬砌结构实际受力，准确反映真实的地铁隧道衬砌结构实际受力状态，可以通过室内试验，总结地铁隧道衬砌劣化规律，建立地铁隧道衬砌结构劣化模型，指导地铁隧道工程的设计、施工和养护；其结构简单，操作简便，具有现实意义和推广前景。

Description

一种模拟隧道任意一点应力状态的混凝土加载装置

技术领域：

本发明属于混凝土加载试验设备技术领域，具体涉及一种模拟隧道任意一点应力状态的混凝土加载装置，通过调节不同拉压力来真实模拟地铁隧道衬砌任意一点应力状态。

背景技术：

城市化进程必然伴随着城市人口的暴增，以至于城市人口过饱和，由此带来的交通问题日益严重，城市道路拥堵严重，而修建地铁则是缓解此问题的有效手段。城市地铁隧道造价昂贵，地铁隧道衬砌结构的性能直接关系到地铁隧道的使用寿命，而较之地面结构，地下结构受力复杂，因此设计一种模拟地铁隧道衬砌任意一点应力状态的加载装置，通过室内试验来研究地铁隧道衬砌结构性能，显得尤为重要。

现有技术中，关于混凝土耐久性加载装置主要是对混凝土试件进行纯弯、轴拉和轴压，不能切实反应地铁隧道衬砌混凝土结构实际受力是不同拉力与压力组合受力。例如：中国专利201610038324.3公开的一种承载状态下隧道衬砌结构加速腐蚀试验装置，隧道衬砌构件下部的前后两侧均设有高强传力螺纹拉杆，高强传力螺纹拉杆依次穿过左加载横梁、右加载横梁和自反力梁，高强传力螺纹拉杆的两端连接有锚固螺栓，左加载横梁、右加载横梁均通过传力衬垫分别与隧道衬砌构件下部的左端和右端接触；自反力梁位于右加载横梁的右侧，且自反力梁的左面固定有水平的液压千斤顶，液压千斤顶的左端通过压力传感器与右加载横梁的右面相连；所述的隧道衬砌构件的混凝土和钢筋表面均安装有应变片和位移计；所述的液压千斤顶、压力传感器、应变片和位移计均与数据处理及控制系统相连；所述的隧道衬砌构件的顶部设有蓄水槽，所述的蓄水槽由防水材料在隧道衬砌构件的顶部围合形成；蓄水槽内放置有不锈钢网；所述的不锈钢网通过导电线与稳流直流电源的阴极电连接；隧道衬砌构件的钢筋则通过导电线与稳流直流电源的阳极电连接和中国专利201910391974.X公开的一种荷载-氯盐侵蚀耦合作用下的混凝土耐久性试验装置包括测试装置和供油装置；所述测试装置由水槽及位于水槽中的上板、中板、下板和千斤顶组成，上板、中板和下板均水平设置，上板、中板和下板经2个或2个以上的螺杆相连接，螺杆的两端设置有限制上板、下板移动的螺母，螺杆贯穿中板且中板可沿螺杆的长度方向移动；所述下板与中板之间放置有待测试的混凝土试件，上板与中板之间放置有经中板对混凝土试件进行施压的千斤顶；水槽中存储有模拟海水环境的盐溶液；所述供油装置由油泵、电机、分流器、电接点压力表和压力控制电路组成，电机用于提升油泵的压力，分流器设置于油泵上，油泵经分流器对千斤顶提供液压油；电接点压力表设置于分流器上，用于检测分流器输出液压油的压力；压力控制电路通过检测电接点压力表的状态，来对电机的启停状态进行控制，以使千斤顶对混凝土试件施加相对恒定的压力；或通过千斤顶对混凝土试件提供轴向压力的方式，或通过千斤顶加载弯矩导入的方式，对衬砌结构进行加载，对混凝土结构中只受一种荷载作用下的耐久性进行了研究，但是对于地铁隧道衬砌结构来说，其结构受力结构复杂。所以设计研发一种能够模拟衬砌混凝土结构任意一点应力状态的混凝土制备和加载的试验设备，通过室内试验来研究地铁隧道衬砌结构性能，指导实践，具有经济和社会效益。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种模拟地铁隧道衬砌结构任意一点应力状态的混凝土加载试验装置，能够通过调节不同拉压力真实模拟地铁隧道衬砌任意一点应力状态，研究地铁隧道衬砌混凝土结构地下结构实际受力状态下隧道衬砌结构劣化性能及力学性能。

为了实现上述目的，本发明涉及的模拟隧道任意一点应力状态的混凝土加载装置由相互独立的制备单元和加载单元配合构成，制备单元制作混凝土试块，加载单元加载混凝土试块；制备单元的主体结构包括制备单元底板、立板、连杆、固定钢板、模具钢板、模具条形孔、螺纹钢筋和锚固板；制备单元底板的上表面开设有两个横向卡槽和四个纵向卡槽，横向卡槽中设置有立板，立板通过连杆固定连接，纵向卡槽中设置有两块固定钢板和两块模具钢板，固定钢板设置在模具钢板的外侧，两块模具钢板相对，模具钢板上开设有模具条形孔，螺纹钢筋的一端与固定钢板螺栓式连接，螺纹钢筋的另一端穿过模具条形孔伸入两块模具钢板之间并与锚固板连接；加载单元的主体结构包括制备单元底板、反力钢板、高持载钢板、低持载钢板、高位液压油缸、低位液压油缸、长条形孔和短条形孔；制备单元底板上由两端到中间依次设置有相对的反力钢板、高持载钢板和低持载钢板，反力钢板上设置有高位液压油缸和低位液压油缸，高持载钢板上开设有长条形孔，低持载钢板上开设有短条形孔。

本发明涉及的连杆、固定钢板和模具钢板均可拆卸；螺纹钢筋的数量为4，锚固板预埋在混凝土试块中，螺纹钢筋与锚固板焊接为整体；高位液压油缸和低位液压油缸均为HSG80双向液压缸。

本发明涉及的一种模拟隧道任意一点应力状态的混凝土加载装置用于地铁隧道衬砌结构实际受力状态与环境耦合作用下地铁隧道衬砌混凝土结构耐久性研究；进行地铁衬砌混凝土持续拉-压荷载与离子侵蚀耦合作用耐久性试验的工艺过程包括制备试块、安装试块、施加应力、离子腐蚀和分析结果共五个步骤：

一.制备试块：按照地铁衬砌混凝土结构的水灰比配制混凝土，在两块模具钢板之间浇筑混凝土，混凝土初凝待，脱去立板、连杆、固定钢板和模具钢板，标准养护28天，得到锚固有螺纹钢筋和锚固板的混凝土试块；

二.安装试块：使用防水涂料涂覆混凝土试块除了顶面的其余面，将混凝土试块竖直放置在制备单元底板上，使上部的螺纹钢筋穿过长条形孔，下部的螺纹钢筋穿过长条形孔和短条形孔，分别使用夹具和螺母组件将上部的螺纹钢筋与高位液压油缸连接，下部的螺纹钢筋与低位液压油缸连接，在混凝土试块的顶面设置蓄水池，使用防水涂料涂覆除蓄水池外的顶面，在混凝土试块的侧面上粘贴应变片；

三.施加应力：根据地铁衬砌实际受力数据，高位液压油缸和低位液压油缸为混凝土试块提供设定的拉-压应力，夹具和螺母组件保持荷载；

四.离子侵蚀：将步骤三施加应力后的混凝土试块连同反力钢板、高持载钢板、低持载钢板、高位液压油缸和低位液压油缸从制备单元底板上卸下来，使制备单元底板与其他的反力钢板、高持载钢板、低持载钢板、高位液压油缸和低位液压油缸配合对其他的混凝土试块进行加载，在蓄水池中加入与地铁衬砌实际服役环境中水中腐蚀性离子含量相同的盐溶液对混凝土试块进行腐蚀；

五.分析结果：根据不同龄期的混凝土试块，对腐蚀性离子扩散规律进行分析，得出地铁衬砌的劣化规律。

本发明与现有技术相比，通过调节拉-压力模拟地铁隧道衬砌结构实际受力，准确反映真实的地铁隧道衬砌结构实际受力状态，可以通过室内试验，总结地铁隧道衬砌劣化规律，建立地铁隧道衬砌结构劣化模型，指导地铁隧道工程的设计、施工和养护；其结构简单，操作简便，具有现实意义和推广前景。

附图说明：

图1为本发明涉及的制备单元的主体结构示意图。

图2为本发明涉及的加载单元的主体结构立体图。

图3为本发明涉及的加载单元的主体结构主视图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的模拟隧道任意一点应力状态的混凝土加载装置由相互独立的制备单元和加载单元配合构成，制备单元制作混凝土试块1，加载单元加载混凝土试块1。

本实施例涉及的制备单元的主体结构包括制备单元底板10、立板11、连杆12、固定钢板13、模具钢板14、模具条形孔15、螺纹钢筋16和锚固板17；制备单元底板10的上表面开设有两个横向卡槽和四个纵向卡槽，横向卡槽中设置有立板11，立板11通过连杆12固定连接，纵向卡槽中设置有两块固定钢板13和两块模具钢板14，固定钢板13设置在模具钢板14的外侧，两块模具钢板14相对，模具钢板14上开设有模具条形孔15，螺纹钢筋16的一端与固定钢板13螺栓式连接，螺纹钢筋16的另一端穿过模具条形孔15伸入两块模具钢板14之间并与锚固板17连接。

本实施例涉及的加载单元的主体结构包括制备单元底板20、反力钢板21、高持载钢板22、低持载钢板23、高位液压油缸24、低位液压油缸25、长条形孔26和短条形孔27；制备单元底板20上由两端到中间依次设置有相对的反力钢板21、高持载钢板22和低持载钢板23，反力钢板21上设置有高位液压油缸24和低位液压油缸25，高持载钢板22上开设有长条形孔26，低持载钢板23上开设有短条形孔27。

本实施例涉及的连杆12、固定钢板13和模具钢板14均可拆卸；螺纹钢筋16的数量为4，锚固板17预埋在混凝土试块1中，螺纹钢筋16与锚固板17焊接为整体；高位液压油缸24和低位液压油缸25均为HSG80双向液压缸。

本实施例涉及的模拟隧道任意一点应力状态的混凝土加载装置用于地铁隧道衬砌结构实际受力状态与环境耦合作用下地铁隧道衬砌混凝土结构耐久性研究。

本实施例涉及的模拟隧道任意一点应力状态的混凝土加载装置进行地铁衬砌混凝土持续拉-压荷载与离子侵蚀耦合作用耐久性试验的工艺过程包括制备试块、安装试块、施加应力、离子腐蚀和分析结果共五个步骤：

1.制备试块：按照地铁衬砌混凝土结构的水灰比配制混凝土，在两块模具钢板14之间浇筑混凝土，混凝土初凝待，脱去立板11、连杆12、固定钢板13和模具钢板14，标准养护28天，得到锚固有螺纹钢筋16和锚固板17的混凝土试块1；

2.安装试块：使用防水涂料涂覆混凝土试块1除了顶面的其余面，将混凝土试块1竖直放置在制备单元底板20上，使上部的螺纹钢筋16穿过长条形孔26，下部的螺纹钢筋16穿过长条形孔26和短条形孔27，分别使用夹具和螺母组件2将上部的螺纹钢筋16与高位液压油缸24连接，下部的螺纹钢筋16与低位液压油缸25连接，在混凝土试块1的顶面设置蓄水池3，使用防水涂料涂覆除蓄水池3外的顶面，在混凝土试块1的侧面(没有螺纹钢筋16的侧面)上粘贴应变片4；

3.施加应力：根据地铁衬砌实际受力数据，高位液压油缸24和低位液压油缸25为混凝土试块1提供设定的拉-压应力，夹具和螺母组件2保持荷载；

4.离子侵蚀：将步骤3施加应力后的混凝土试块1连同反力钢板21、高持载钢板22、低持载钢板23、高位液压油缸24和低位液压油缸25从制备单元底板20上卸下来，使制备单元底板20与其他的反力钢板21、高持载钢板22、低持载钢板23、高位液压油缸24和低位液压油缸25配合对其他的混凝土试块1进行加载，在蓄水池3中加入与地铁衬砌实际服役环境中水中腐蚀性离子含量相同的盐溶液对混凝土试块1进行腐蚀；

5.分析结果：根据不同龄期的混凝土试块1，对腐蚀性离子扩散规律进行分析，得出地铁衬砌的劣化规律。

实施例2：

本实施例涉及的高位液压油缸24提供拉力，低位液压油缸25提供压力，夹具和螺母组件2确保持载。

实施例3：

本实施例涉及的高位液压油缸24提供压力，低位液压油缸25提供拉力，夹具和螺母组件2确保持载。

Claims (1)

1.一种地铁衬砌混凝土持续拉-压荷载与离子侵蚀耦合作用耐久性试验方法，其特征在于，基于模拟隧道任意一点应力状态的混凝土加载装置实施，具体的工艺过程包括制备试块、安装试块、施加应力、离子腐蚀和分析结果共五个步骤：

一.制备试块：按照地铁衬砌混凝土结构的水灰比配制混凝土，在两块模具钢板之间浇筑混凝土，待混凝土初凝，脱去立板、连杆、固定钢板和模具钢板，标准养护28天，得到锚固有螺纹钢筋和锚固板的混凝土试块；

其中，制备试块采用的制备单元的主体结构包括制备单元底板、立板、连杆、固定钢板、模具钢板、模具条形孔、螺纹钢筋和锚固板；制备单元底板的上表面开设有两个横向卡槽和四个纵向卡槽，横向卡槽中设置有立板，立板通过连杆固定连接，纵向卡槽中设置有两块固定钢板和两块模具钢板，固定钢板设置在模具钢板的外侧，两块模具钢板相对，模具钢板上开设有模具条形孔，螺纹钢筋的一端与固定钢板螺栓式连接，螺纹钢筋的另一端穿过模具条形孔伸入两块模具钢板之间并与锚固板连接；其中，连杆、固定钢板和模具钢板均可拆卸；螺纹钢筋的数量为4，锚固板预埋在混凝土试块中，螺纹钢筋与锚固板焊接为整体；

二.安装试块：使用防水涂料涂覆混凝土试块除了顶面的其余面，将混凝土试块竖直放置在制备单元底板上，使上部的螺纹钢筋穿过长条形孔，下部的螺纹钢筋穿过长条形孔和短条形孔，分别使用夹具和螺母组件将上部的螺纹钢筋与高位液压油缸连接，下部的螺纹钢筋与低位液压油缸连接，在混凝土试块的顶面设置蓄水池，使用防水涂料涂覆除蓄水池外的顶面，在混凝土试块的侧面上粘贴应变片；

三.施加应力：根据地铁衬砌实际受力数据，高位液压油缸和低位液压油缸为混凝土试块提供设定的拉-压应力，夹具和螺母组件保持荷载；

其中，步骤二、三中采用的加载单元的主体结构包括制备单元底板、反力钢板、高持载钢板、低持载钢板、高位液压油缸、低位液压油缸、长条形孔和短条形孔；制备单元底板上由两端到中间依次设置有相对的反力钢板、高持载钢板和低持载钢板，反力钢板上设置有高位液压油缸和低位液压油缸，高持载钢板上开设有长条形孔，低持载钢板上开设有短条形孔；高位液压油缸和低位液压油缸均为HSG80双向液压缸；

四.离子侵蚀：将步骤三施加应力后的混凝土试块连同反力钢板、高持载钢板、低持载钢板、高位液压油缸和低位液压油缸从制备单元底板上卸下来，使制备单元底板与其他的反力钢板、高持载钢板、低持载钢板、高位液压油缸和低位液压油缸配合对其他的混凝土试块进行加载，在蓄水池中加入与地铁衬砌实际服役环境中水中腐蚀性离子含量相同的盐溶液对混凝土试块进行腐蚀；

五.分析结果：根据不同龄期的混凝土试块，对腐蚀性离子扩散规律进行分析，得出地铁衬砌的劣化规律；

其中，模拟隧道任意一点应力状态的混凝土加载装置由相互独立的制备单元和加载单元配合构成，制备单元制作混凝土试块，加载单元加载混凝土试块。

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