CN111044371A - 三向加载的管片接头力学性能试验装置 - Google Patents

三向加载的管片接头力学性能试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三向加载的管片接头力学性能试验装置，主反力框架的横梁中间装有竖向作动器，一侧竖梁下部装有水平向作动器，主反力框架与竖向作动器、水平向作动器共同组成两向加载自平衡结构，对管片接头试件施加竖向、水平向荷载；纵向反力支架通过平移装置与平移导轨底座连接，纵向反力支架内装有纵向作动器，纵向反力支架与纵向作动器共同组成纵向加载自平衡结构，对管片接头试件施加纵向荷载；竖向作动器，水平向作动器，纵向作动器分别可在竖向、水平向、纵向三个方向独立控制伸长或回缩，从而对管片接头试件施加竖向、水平向、纵向三个方向的荷载，或竖向、水平向两个方向的荷载，使得管片接头试件可以在要求的荷载及位移边界条件下做相应运动。

Description

三向加载的管片接头力学性能试验装置
技术领域
本发明涉及一种管片接头，尤其是一种管片接头的力学性能试验装置。
背景技术
接头是盾构隧道衬砌环的薄弱环节，其力学性能显著影响着衬砌结构整体的力学行为。为了使隧道衬砌结构的设计安全、合理，需弄清接头的受力状况、变形特征及破坏模式。
目前，已有的管片相关试验主要有平板接头试验和整环管片试验两种。平板接头试验因其试件形状与实际管片形状差异较大，难以较准确的反映管片接头在荷载作用下的力学行为。
整环试验虽然准确，但单次试验投入过大，试验重复性低，试验结果离散性较高，结果可靠性较低。
因此，需要一个三向加载的管片接头力学性能试验装置，对1:1管片接头试件，深入探究盾构隧道管片接头的力学性能及破坏模式，具体试验需求如下：(1)研究不同荷载工况下管片接头的受力机理及其承载力、刚度的变化规律；(2)获取管片接头的关键设计参数(接头转动刚度、弯矩传递系数等)。
发明内容
本发明旨在提供一种三向加载的管片接头力学性能试验装置，用于满足管片接头试验的各项要求。作动器可在水平向、竖向、纵向三个方向独立控制伸长、回缩等动作，根据需要可向1:1管片接头试件(以下简称管片接头试件)同时施加竖向、水平向、纵向三个方向的荷载(三向加载模式)，或竖向、水平向两个方向的荷载(两向加载模式)，使得管片接头试件可以在要求的荷载及位移边界条件下做相应运动。
为满足上述目的，本发明的技术方案为：一种三向加载的管片接头力学性能试验装置，由主反力框架、右支座、左支座、平移导轨底座，纵向反力支架、平移装置，竖向作动器、水平向作动器，纵向作动器组成，所述主反力框架的横梁中间装有竖向作动器，一侧竖梁下部装有水平向作动器，所述主反力框架与竖向作动器、水平向作动器共同组成两向加载自平衡结构，用于对管片接头试件施加竖向、水平向荷载；所述纵向反力支架通过平移装置与主反力框架底座上的平移导轨底座连接，纵向反力支架内装有纵向作动器，所述纵向反力支架与纵向作动器共同组成纵向加载自平衡结构，用于对管片接头试件施加纵向荷载；所述竖向作动器，水平向作动器，纵向作动器分别可在竖向、水平向、纵向三个方向独立控制伸长或回缩，从而对管片接头试件施加竖向、水平向、纵向三个方向的荷载，或竖向、水平向两个方向的荷载，使得管片接头试件可以在要求的荷载及位移边界条件下做相应运动。
进一步，所述右支座和左支座中安装管片接头试件，其中，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，所述右支座和左支座分别通过铰接机构与水平向作动器和主反力框架的另一侧竖梁下部相连接。
进一步，所述右支座和左支座下面通过支座转轴和支座垫块与主反力框架底座连接左支座和右支座，当左支座绕支座转轴转动时，所述左支座与主反力框架之间保持面接触，模拟固定铰支座的功能；当右支座绕支座转轴转动时，所述右支座与水平作动器之间保持面接触，模拟滑动铰支座的功能。
进一步，所述竖向作动器上端通过垫块与主反力框架的横梁连接，下端连接分配梁。
进一步，所述管片接头试件下面与主反力框架1底座之间设有管片顶升油缸。
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，作动器在水平向、竖向、纵向，三个方向通过伸长、回缩施加试验荷载，管片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是本实施例中1:1接头转动刚度试验试件构成示意图；
其中:(a)纵向剖视图，(b)俯视图；
图2是接头转动刚度试验荷载示意图；
其中:(a)纵向剖视图，(b)水平视图，(c)俯视图；
图3是1:1环间弯矩传递试验试件构成示意图；
其中:(a)纵向剖视图，(b)俯视图；
图4是环间弯矩传递试验荷载示意图；
其中:(a)纵向剖视图，(b)水平视图，(c)俯视图；
图5是加载装置主视图；
图6是加载装置A-A剖面图；
图7是管片接头试件安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图5所示，一种三向加载的管片接头力学性能试验装置，由主反力框架1，垫块2，分配梁3，右支座4，左支座5，铰接机构6，支座转轴7，支座垫块8，平移导轨底座9，纵向反力支架10，管片顶升油缸11，平移装置12，竖向作动器21，水平向作动器22，纵向作动器23组成。
主反力框架1的横梁中间装有竖向作动器21，一侧竖梁下部装有水平向作动器22，主反力框架1与竖向作动器21、水平向作动器22共同组成两向加载自平衡结构，用于对管片接头试件20施加竖向、水平向荷载。纵向反力支架10通过平移装置12与主反力框架1底座上的平移导轨底座9连接，纵向反力支架10内装有纵向作动器23，纵向反力支架10与纵向作动器23共同组成纵向加载自平衡结构，用于对管片接头试件20施加纵向荷载。
竖向作动器21上端通过垫块2与主反力框架1的横梁连接，下端连接分配梁3。右支座4和左支座5分别通过铰接机构6与水平向作动器22和主反力框架1的另一侧竖梁下部相连接。右支座4和左支座5下面通过支座转轴7和支座垫块8与主反力框架1底座连接。管片接头试件安装于左支座5、右支座4上，其中左支座5模拟为固定铰支座，右支座4模拟为滑动铰支座。管片接头试件下面与主反力框架1底座之间设有管片顶升油缸11。
竖向作动器21，水平向作动器22，纵向作动器23分别可在竖向、水平向、纵向三个方向独立控制伸长或回缩，从而对管片接头试件施加竖向、水平向、纵向三个方向的荷载，或竖向、水平向两个方向的荷载，使得管片接头试件可以在要求的荷载及位移边界条件下做相应运动。
左支座5和主反力框架1之间设置有铰接机构6，铰接机构6由四个铰接件构成，使左支座5绕支座转轴7转动时，同时又能保持两者之间良好的面接触，模拟固定铰支座的功能。
右支座4和主反力框架1间，通过水平向作动器22的伸缩实现右支座4的平移，作动器头部的铰接机构6可以实现右支座4绕支座转轴7转动时，同时又能保持两者之间良好的面接触，模拟滑动铰支座的功能。
本装置可实现两种对管片接头试件的加载模式：
一、三向加载模式
三向加载模式使用图3(a)，(b)中环间弯矩传递试验试件。
如图7所示，管片接头试件20就位后，由管片顶升油缸11对其高程进行微调，以保证后续平移过程中管片接头试件能顺利移入右支座4，左支座5，随后纵向作动器23伸长，将管片接头试件顶紧固定。
通过平移装置10将管片接头试件移至主框架1内，如图6所示，此时，进行管片位置的调整，与作动器对齐，保证水平轴力对准接头中心。
整个实验过程中，竖向作动器21，水平向作动器22，纵向作动器23，从三个方向通过伸长、回缩向管片接头试件施加稳定的试验荷载，管片接头试件可以在要求的荷载及位移边界条件下做相应运动，满足了试验的各项要求。
二、双向加载模式
双向加载模式使用图1所示的接头转动刚度试验试件。
相对与三向加载模式，双向加载模式减少了纵向的加载，纵向作动器23仅在管片接头试件就位、平移过程中，起临时固定作用，在试验加载过程中，纵向作动器23呈回缩状态，不向管片接头试件施加荷载。竖向、水平向加载原理与三向加载模式一致。
本发明中的竖向作动器21，水平向作动器22，纵向作动器23，均由液压伺服系统独立控制三个方向的加载。
本实施例中，采用1:1的管片接头试件，深入探究盾构隧道管片接头的力学性能及破坏模式，具体试验需求如下：
(1)研究不同荷载工况下管片接头的受力机理及其承载力、刚度的变化规律；
(2)获取管片接头的关键设计参数(接头转动刚度、弯矩传递系数等)。为完成试验需求，需分别进行两种试验。
1)接头转动刚度试验
试件由两个1/2标准块B1、B2通过接头连接而成，如图1(a)，(b)所示。该试验的荷载示意图，如图2(a)，(b)，(c)所示。
2)环间弯矩传递试验
试件由两个1/2标准块B1、B2和两个标准块B3、B4通过接头连接而成，如图3(a)，(b)所示。该试验的荷载示意图，如图4(a)，(b)，(c)所示。

Claims (6)

1.一种三向加载的管片接头力学性能试验装置，其特征在于：该试验装置由主反力框架、右支座、左支座、平移导轨底座，纵向反力支架、平移装置，竖向作动器、水平向作动器，纵向作动器组成，所述主反力框架的横梁中间装有竖向作动器，一侧竖梁下部装有水平向作动器，所述主反力框架与竖向作动器、水平向作动器共同组成两向加载自平衡结构，用于对管片接头试件施加竖向、水平向荷载；所述纵向反力支架通过平移装置与主反力框架1底座上的平移导轨底座连接，纵向反力支架内装有纵向作动器，所述纵向反力支架与纵向作动器共同组成纵向加载自平衡结构，用于对管片接头试件施加纵向荷载；所述竖向作动器，水平向作动器，纵向作动器分别可在竖向、水平向、纵向三个方向独立控制伸长或回缩，从而对管片接头试件施加竖向、水平向、纵向三个方向的荷载，或竖向、水平向两个方向的荷载，使得管片接头试件可以在要求的荷载及位移边界条件下做相应运动。
2.根据权利要求1所述三向加载的管片接头力学性能试验装置，其特征在于：所述右支座和左支座中安装管片接头试件，其中，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。
3.根据权利要求2所述三向加载的管片接头力学性能试验装置，其特征在于：所述右支座和左支座分别通过铰接机构与水平向作动器和主反力框架的另一侧竖梁下部相连接。
4.根据权利要求2所述三向加载的管片接头力学性能试验装置，其特征在于：所述右支座和左支座下面通过支座转轴和支座垫块与主反力框架底座连接左支座和右支座，当左支座绕支座转轴转动时，所述左支座与主反力框架之间保持面接触，模拟固定铰支座的功能；当右支座绕支座转轴转动时，所述右支座与水平作动器之间保持面接触，模拟滑动铰支座的功能。
5.根据权利要求1所述三向加载的管片接头力学性能试验装置，其特征在于：所述竖向作动器上端通过垫块与主反力框架的横梁连接，下端连接分配梁。
6.根据权利要求1所述三向加载的管片接头力学性能试验装置，其特征在于：所述管片接头试件下面与主反力框架1底座之间设有管片顶升油缸。
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