CN111198091A - 用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置，属于模拟检测领域，包括模型安装板、压力传感器、风箱、供气部、挡板、控制部，模型安装板为底板和两个与底板垂直的翼板组成的U形板，底板与两个模型板相连，两个模型板与翼板平行，两个模型板分别通过连接板与同侧的翼板相连，两个模型板间的空间用于形成裂缝模型的缝隙；压力传感器设于模型板上；风箱的侧壁上设有进排气孔，风箱一端连通两个模型板间的空间；供气部与风箱另一端相连；两个挡板分别可拆卸设于模型安装板两侧，挡板用于密封两个模型板间的空间。本发明提供的用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置，有利于对裂缝内气动载荷分布规律的研究。

Description

用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置

技术领域

本发明属于模拟检测技术领域，更具体地说，是涉及一种用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置。

背景技术

随着我国高速铁路的发展，高速铁路隧道总延长将进一步增加。我国的高铁隧道多采用复合衬砌结构，该类型隧道在建设过程中，受到不良地质条件、施工工艺、工装设备等因素的影响，会不可避免的出现衬砌开裂掉块、渗漏水等病害形式。其中，拱顶掉块是威胁列车安全运营的重要风险。

其中80％以上的掉块发生在衬砌表面已有裂损处，且掉块次数与列车速度呈明显的正相关性。随着高速列车运营时速的不断增大，列车的活塞风效应更加强烈，衬砌开裂处受到空气的正压和负压载荷不断上升。高速列车长期循环气动拉-压载荷的作用，必然进一步加剧衬砌已有裂损的扩展。一旦裂纹贯通产生掉块，将严重威胁高铁列车安全运营。因此对裂缝内气动载荷的模拟研究就至关重要，通过分析研究可更加高效准确地分析气动载荷对有损衬砌裂纹开裂、贯通、以至衬砌掉块的影响，为隧道的设计、维护提供更准确的理论参考。而目前国内外均无研究裂缝内气动载荷分布的模拟装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置，旨在解决现有技术中无法提供研究裂缝内气动载荷分布规律的模拟装置，从而无法更加高效准确地分析气动载荷对有损衬砌裂纹开裂、贯通、以至衬砌掉块的影响的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置，包括模型安装板、压力传感器、风箱、供气部、挡板、控制部，模型安装板为底板和两个与底板垂直的翼板组成的U形板，底板与两个模型板相连，两个模型板与翼板平行，两个模型板分别通过连接板与同侧的翼板相连，连接板与模型板宽度相同，两个模型板间的空间用于形成裂缝模型的缝隙；压力传感器数量若干，压力传感器设于模型板上，压力传感器用于检测裂缝模型受到的气动载荷；风箱与模型安装板相连，风箱的侧壁上设有进排气孔，进排气孔的中心线垂直于翼板，风箱一端连通两个模型板间的空间；供气部与风箱另一端相连，供气部用于经进排气孔抽气或喷气；挡板为两个，两个挡板分别可拆卸设于模型安装板两侧，挡板与模型板相贴合，挡板用于密封两个模型板间的空间；控制部用于接收所述压力传感器信号、控制供气部提供不同强度、频率、方向的气流。

作为本申请另一实施例，供气部包括真空泵、增压泵，真空泵用于抽气；增压泵用于喷气。

作为本申请另一实施例，两个相对正的风箱的侧面上均设有进排气孔，进排气孔与流量控制阀相连。

作为本申请另一实施例，底板和两个翼板上设有若干相互平行的凹槽，模型板插设于底板的凹槽上，连接板插设于翼板的凹槽上。

作为本申请另一实施例，还包括压紧板，压紧板通过压紧机构将挡板压紧在模型安装板上。

作为本申请另一实施例，压紧机构包括压紧螺杆、压紧板、螺母，压紧螺杆设于底板上；压紧板为两个，压紧板套设于压紧螺杆上；螺母与压紧螺杆螺纹连接，每个压紧板对应设置两个螺母，两个螺母分别设于压紧板两侧，螺母用于固定压紧板压紧挡板。

作为本申请另一实施例，底板上设有挂钩和卡头，卡头与驱动机构相连，并通过驱动机构伸出或者收回底板内，模型板连接有连接座，连接座上滑动设有插座，插座可沿连接座的高度方向滑动并固定在任一位置，插座上设有滑槽，滑槽的端面设有插口，插口用于与挂钩的钩头插接，滑槽的底面设有卡接口，卡接口用于与伸出底板的卡头卡接。

作为本申请另一实施例，插座上设有螺纹孔，螺纹孔内螺纹连接有螺栓，螺栓的螺杆端与连接座转动连接，插座借助于螺栓沿连接座的高度方向滑动并固定在任一位置。

作为本申请另一实施例，底板上设有一端敞开的安装腔及与安装腔相连的通孔，驱动机构设于安装腔内，卡头沿通孔滑动伸出或者收回底板内，安装腔通过安装板覆盖，安装板上设有伸出槽，驱动机构的操作端通过所述伸出槽伸出安装板外。

作为本申请另一实施例，驱动机构包括限位板、推杆、操作杆、弹簧，限位板为两个，限位板相间隔且平行设于安装腔内；推杆沿限位板的长度方向滑动设于两个限位板间，推杆一端的设有第一斜面，第一斜面上设有滑轨，卡头与滑轨滑动连接，卡头借助于推杆的滑动沿滑轨滑动、并在通孔的引导下伸出或收回所述底板内；操作杆穿设于伸出槽内、且可沿伸出槽的长度方相滑动，伸出槽的长度方向与推杆的滑动方向平行，操作杆的一端即为操作端，操作杆另一端与推杆相连，操作杆用于推动推杆滑动、控制卡头收回底板内；弹簧一端与安装腔内壁相连，另一端与推杆设有第一斜面的端部相连，弹簧用于推动推杆滑动复位、卡头伸出底板。

本发明提供的用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置，设置模型安装板，模型安装板上可安装两个相互平行的模型板，在模型板上安装若干压力传感器，感应裂缝模型受到的气动载荷；模型安装板与风箱相连，风箱的侧壁上设有进排气孔，进排气孔的中心线垂直于翼板，风箱一端连通两个模型板间的空间；控制部控制供气部经进排气孔抽气或喷气模拟气流，模型安装板的U形板两侧设有挡板，挡板将两个模型板间的空间封闭，模型安装板、模型板、挡板间围成了裂缝模型，两个模型板间的空间形成了裂缝模型的缝隙，风箱与两个模型板间的空间相连通。本发明通过控制部驱动供气部模拟流入裂缝的气流，通过压力传感器感应裂缝模型受到的气动载荷，压力传感器将信号传送给控制部，从而检测出裂缝模型内气动载荷分布情况，通过这些模拟数据方便对真实裂缝内气动载荷分布规律的研究，有利于加高效准确地分析气动载荷对有损衬砌裂纹开裂、贯通、以至衬砌掉块的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置去掉挡板、压紧板的结构示意图；

图3为图2中模型的俯视图；

图4为本发明实施例提供的模型安装板结构示意图；

图5为沿图4中A-A线的剖视结构图；

图6为图5中的B局部放大图；

图7为本发明实施例提供的插座结构示意图。

图中：1、控制部；2、供气部；3、风箱；4、挡板；5、压紧板；6、螺母；7、预留接口；8、伸出槽；9、压紧螺杆；10、安装板；11、进排气孔；12、压力传感器；13、模型安装板；14、凹槽；15、连接座；16、插座；17、螺栓；18、模型板；19、插槽；20、卡头；21、挂钩；22、推杆；23、弹簧；24、限位板；25、操作杆；26、螺纹孔；27、卡接口；28、滑槽；29、插口；30、连接板；31、滑轨。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置进行说明。所述用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置，包括模型安装板13、压力传感器12、风箱3、供气部2、挡板4、控制部1，模型安装板13为底板和两个与底板垂直的翼板组成的U形板，底板与两个模型板18相连，两个模型板18与翼板平行，两个模型板18分别通过连接板30与同侧的翼板相连，连接板30与模型板18宽度相同，两个模型板18间的空间用于形成裂缝模型的缝隙；压力传感器12数量若干，压力传感器12设于模型板18上，压力传感器12用于检测裂缝模型受到的气动载荷；风箱3与模型安装板13相连，风箱3的侧壁上设有进排气孔11，进排气孔11的中心线垂直于翼板，风箱3一端连通两个模型板18间的空间；供气部2与风箱3另一端相连，供气部2用于经进排气孔11抽气或喷气；挡板4为两个，两个挡板4分别可拆卸设于模型安装板13两侧，挡板4与模型板18相贴合，挡板4用于密封两个模型板18间的空间；控制部1用于接收压力传感器12信号、控制供气部2提供不同强度、频率、方向的气流。

本发明提供的用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置，与现有技术相比，设置模型安装板13，模型安装板13上可安装两个相互平行的模型板18，在模型板18上安装若干压力传感器12，感应裂缝模型受到的气动载荷；模型安装板13与风箱3相连，模型安装板13与风箱3相连，风箱3的侧壁上设有进排气孔11，进排气孔11的中心线垂直于翼板，风箱3一端连通两个模型板18间的空间；控制部1控制供气部2经进排气孔11抽气或喷气模拟气流，模型安装板13的U形板两侧设有挡板4，挡板4将两个模型板18间的空间封闭，模型安装板13、模型板18、挡板4间围成了裂缝模型，两个模型板18间的空间形成了裂缝模型的缝隙，风箱3与两个模型板18间的空间相连通。本发明通过控制部1驱动供气部2模拟流入裂缝的气流，通过压力传感器12感应裂缝模型受到的气动载荷，压力传感器12将信号传送给控制部1，从而检测出裂缝模型内气动载荷分布情况，通过这些模拟数据方便对真实裂缝内气动载荷分布规律的研究，有利于加高效准确地分析气动载荷对有损衬砌裂纹开裂、贯通、以至衬砌掉块的影响。

本实施例中，压力传感器12为薄膜压力传感器12，因薄膜压力传感器12因厚度较薄且具有柔性，从而可使得两个模型板18间的距离可尽量小且能适应模型板18的形状。压力传感器12可设置多个，可设置从而可以测量模型板18上不同点的载荷情况。模型板18底面可为平面也可根据裂缝的不同形状设置波浪段等特殊形状段。

作为本发明提供的用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置的一种具体实施方式，请参阅图1，供气部2包括真空泵、增压泵，真空泵用于抽气；增压泵用于喷气。

本实施例中，真空泵动作形成从进排气孔11向风箱3流动的气流；增压泵动作形成风箱3朝向进排气孔11流动的气流。真空泵及增压泵均与控制部1相连，控制部1通过控制真空泵及增压泵还可控制气流的强度。

作为本发明提供的用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置的一种具体实施方式，请参阅图1，两个相对正的风箱3的侧面上均设有进排气孔11，进排气孔11与流量控制阀相连。

本实施例中，排气孔设置多个，隧道不同位置的裂缝所受到的气流并不相同，位于车体一侧的隧道上的裂缝及位于隧道顶部的气流并不相同，通过控制不同排气孔的流量、开闭尽量真实的模拟气流流动方向。

作为本发明提供的用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置的一种具体实施方式，请参阅图2，底板和两个翼板上设有若干相互平行的凹槽14，模型板18插设于底板的凹槽14上，连接板30插设于翼板的凹槽14上。

本实施例中，模型板18和连接板30为一体化结构，根据需要模拟的裂缝的长短及宽度、形状制作不同的尺寸的模型板18与连接板30，不同凹槽14适应不同的模型板18与连接板30的插装，从而本发明可测量不同长度或者宽度的裂缝的气动载荷分布情况。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1及图3，挡板4铺设橡胶层，橡胶层与模型板18相贴合，更加有利于对模型安装板13的密封。模型安装板13上设有两个插槽19，两个插槽19分别用于插装两个挡板4。两个挡板4插装，安装方便、快捷。

本实施例中，底板设有预留接口7，压力传感器12通过预留接口7与控制部1电连接。因挡板4铺设橡胶层，橡胶层具有弹性，压力传感器12的连接线从模型板18两侧与预留接口7相连，挡板4安装后，连接线压紧在橡胶层上。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，参阅图6及图7，还包括压紧板5，压紧板5通过压紧机构将挡板4压紧在模型安装板13上。通过压紧机构将压紧板5压紧在模型安装板13上，使得密封更加可靠。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1，压紧机构包括压紧螺杆9、压紧板5、螺母6，压紧螺杆9设于底板上；压紧板5为两个，压紧板5套设于压紧螺杆9上；螺母6与压紧螺杆9螺纹连接，每个压紧板5对应设置两个螺母6，两个螺母6分别设于压紧板5两侧，螺母6用于固定压紧板5压紧挡板4。

本实施例中，通过旋转拧紧两个螺母6保证压紧板5压紧挡板4。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2、图4至图7，底板上设有挂钩21和卡头20，卡头20与驱动机构相连，并通过驱动机构伸出或者收回底板内，模型板18连接有连接座15，连接座15上滑动设有插座16，插座16可沿连接座15的高度方向滑动并固定在任一位置，插座16上设有滑槽28，滑槽28的端面设有插口29，插口29用于与挂钩21的钩头插接，滑槽28的底面设有卡接口27，卡接口27用于与伸出底板的卡头20卡接。

本实施例中，为了密封挡板4设置橡胶层，橡胶层具有弹性，在强大气流作用下，模型板18可能出现晃动的情况，不利于压力的检测。模型板18上安装连接座15，连接座15上滑动设置插座16，插座16高度可调，从而模型板18插设在不同的凹槽14中，插座16均能与挂钩21、卡头20相连。挂钩21的钩头沿滑槽28插入插口29时，卡头20恰好插入卡接口27，挂钩21限制了模型板18沿风箱3长度方向的晃动，卡头20在防止挂钩21脱出插口29的同时限制了模型板18垂直于风箱3长度方向的晃动。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2，插座16上设有螺纹孔26，螺纹孔26内螺纹连接有螺栓17，螺栓17的螺杆端与连接座15转动连接，插座16借助于螺栓17沿连接座15的高度方向滑动并固定在任一位置。旋转螺栓17调节插座16高度。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2、图4至图7，底板上设有一端敞开的安装腔及与安装腔相连的通孔，驱动机构设于安装腔内，卡头20沿通孔滑动伸出或者收回底板内，安装腔通过安装板10覆盖，安装板10上设有伸出槽8，驱动机构的操作端通过所述伸出槽8伸出底板外。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2、图4至图7，驱动机构包括限位板24、推杆22、操作杆25、弹簧23，限位板24为两个，限位板24为两个，限位板24相间隔且平行设于安装腔内；推杆22沿限位板24的长度方向滑动设于两个限位板24间，推杆22一端的设有第一斜面，第一斜面上设有滑轨31，卡头20与滑轨31滑动连接，卡头20借助于推杆22的滑动沿滑轨31滑动、并在通孔的引导下伸出或收回底板内；操作杆25穿设于伸出槽8内、且可沿伸出槽8的长度方相滑动，伸出槽8的长度方向与推杆22的滑动方向平行，操作杆25的一端即为操作端，操作杆25另一端与推杆22相连，操作杆25用于推动推杆22滑动、控制卡头20收回底板内；弹簧23一端与安装腔内壁相连，另一端与推杆22设有第一斜面的端部相连，弹簧23用于推动推杆22滑动复位、卡头20伸出底板。

本实施例，使用时，推动操作杆25沿伸出槽8的长度方向滑动，操作杆25带动推杆22在两个限位板24间滑动，推杆22挤压弹簧23，滑轨31设于第一斜面上，卡头20与滑轨31滑动连接，又因卡头20被限制于通孔内，在推杆22压紧弹簧23过程中，卡头20与滑轨31相对滑动，卡头20沿通孔的中心线方向移动收回底板。此时，推顶模型板18沿凹槽14滑动，插座16随模型板18沿凹槽14滑动过程中，钩头插入插口29；而后松开操作杆25，在弹簧23作用下推顶推杆22移动，卡头20在推杆22带动下自动伸出底板、卡入卡接口27。此种连接方式方便安装，且避免了模型板18晃动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置，其特征在于，包括：

模型安装板，为底板和两个与底板垂直的翼板组成的U形板，所述底板与两个模型板相连，两个所述模型板与所述翼板平行，两个所述模型板分别通过连接板与同侧的翼板相连，所述连接板与所述模型板宽度相同，两个模型板间的空间用于形成裂缝模型的缝隙；

压力传感器，若干，设于所述模型板上，用于检测裂缝模型受到的气动载荷；

风箱，与所述模型安装板相连，所述风箱的侧壁上设有进排气孔，所述进排气孔的中心线垂直于所述翼板，所述风箱一端连通两个模型板间的空间；

供气部，与所述风箱另一端相连，用于经所述进排气孔抽气或喷气；

挡板，为两个，两个所述挡板分别可拆卸设于所述模型安装板两侧，所述挡板与所述模型板相贴合，所述挡板用于密封两个所述模型板间的空间；以及

控制部，用于接收所述压力传感器信号、控制供气部提供不同强度、频率、方向的气流。

2.如权利要求1所述的用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置，其特征在于，所述供气部包括：

真空泵，用于抽气；

增压泵，用于喷气。

3.如权利要求2所述的用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置，其特征在于，两个相对正的所述风箱的侧面上均设有进排气孔，所述进排气孔与流量控制阀相连。

4.如权利要求1所述的用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置，其特征在于，所述底板和两个翼板上设有若干相互平行的凹槽，所述模型板插设于所述底板的凹槽上，所述连接板插设于所述翼板的凹槽上。

5.如权利要求1所述的用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置，其特征在于，还包括压紧板，所述压紧板通过压紧机构将所述挡板压紧在所述模型安装板上。

6.如权利要求5所述的用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置，其特征在于，所述压紧机构包括：

压紧螺杆，设于所述底板上；

压紧板，为两个，套设于所述压紧螺杆上；

螺母，与所述压紧螺杆螺纹连接，每个所述压紧板对应设置两个螺母，两个所述螺母分别设于所述压紧板两侧，用于固定所述压紧板压紧挡板。

7.如权利要求4所述的用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置，其特征在于，所述底板上设有挂钩和卡头，所述卡头与驱动机构相连，并通过所述驱动机构伸出或者收回所述底板内，所述模型板连接有连接座，所述连接座上滑动设有插座，所述插座可沿所述连接座的高度方向滑动并固定在任一位置，所述插座上设有滑槽，所述滑槽的端面设有插口，所述插口用于与所述挂钩的钩头插接，所述滑槽的底面设有卡接口，所述卡接口用于与伸出底板的卡头卡接。

8.如权利要求7所述的用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置，其特征在于，所述插座上设有螺纹孔，所述螺纹孔内螺纹连接有螺栓，所述螺栓的螺杆端与连接座转动连接，所述插座借助于所述螺栓沿所述连接座的高度方向滑动并固定在任一位置。

9.如权利要求7所述的用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置，其特征在于，所述底板上设有一端敞开的安装腔及与安装腔相连的通孔，所述驱动机构设于所述安装腔内，所述卡头沿所述通孔滑动伸出或者收回所述底板内，所述安装腔通过安装板覆盖，所述安装板上设有伸出槽，所述驱动机构的操作端通过所述伸出槽伸出所述安装板外。

10.如权利要求9所述的用于研究隧道衬砌不同裂缝内气动荷载分布规律的模拟装置，其特征在于，所述驱动机构包括：

限位板，为两个，相间隔且平行设于所述安装腔内；

推杆，沿所述限位板的长度方向滑动设于两个所述限位板间，所述推杆一端的设有第一斜面，所述第一斜面上设有滑轨，所述卡头与所述滑轨滑动连接，所述卡头借助于所述推杆的滑动沿所述滑轨滑动、并在通孔的引导下伸出或收回所述底板内；

操作杆，穿设于所述伸出槽内、且可沿所述伸出槽的长度方相滑动，所述伸出槽的长度方向与所述推杆的滑动方向平行，所述操作杆的一端即为所述操作端，所述操作杆另一端与所述推杆相连，所述操作杆用于推动所述推杆滑动、控制所述卡头收回所述底板内；以及

弹簧，一端与所述安装腔内壁相连，另一端与推杆设有第一斜面的端部相连，用于推动所述推杆滑动复位、所述卡头伸出所述底板。

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