CN112147060B - 一种模拟隧道的多灾种耦合实验系统及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟隧道的多灾种耦合实验系统，实验系统中放置有试件，试件为管状结构，试件由多个轴向对齐的整环管片拼接构成，位于相邻的两个整环管片之间的缝隙为环形缝隙，每个整环管片由多个弧形管片合围构成，位于两个相邻的弧形管片之间的缝隙为竖向缝隙，相邻的弧形管片之间通过连接螺栓串接，系统包括反力墙，位于试件与反力墙之间设有加压装置；位于试件内部设有振动模拟装置，位于试件的顶部设有火灾实验模拟装置，在环形缝隙和竖向缝隙处设有液态腐蚀装置以及在任意连接螺栓上设置有电腐蚀装置，本发明方案解决了现有技术中针对隧道空间的灾害模拟测试无法得到符合实际的实验数据的技术问题。

Description

一种模拟隧道的多灾种耦合实验系统及其实验方法

技术领域

本发明涉及隧道建筑防灾减灾模拟测试领域，具体的是一种模拟隧道的多灾种耦合实验系统及其实验方法。

背景技术

随着我国经济快速发展，城市化进程加快，造成城市人口高度集中，进而带来了一系列社会问题，例如交通堵塞、环境污染、噪音污染、反复开挖路面和架空线密集等问题。对此，很多城市都在积极开建地下基础设施，如地下隧道、地铁和城市地下管廊等。

然而，由于地下隧道、地铁及管廊均属于特殊狭长封闭地下结构，因此火灾成为其最严重的灾害之一。例如，隧道一旦发生火灾，不仅会造成人员伤亡及重大财产损失，还对交通设施、社会正常生产生活造成巨大不利影响。因此，有必要对隧道多灾种耦合进行研究。

现有技术针对隧道的多种灾害模拟实验需要逐步进行实施，原因是各种灾害的模拟实验的建筑均设置在试件的外部，在模拟灾害实验过程各种灾害实验会相互冲突，例如，对试件外部同时实施静态荷载、动态荷载、液态腐蚀实验以及电腐蚀实验，则会因上述几种实验装置过于繁多，无法同时安装在试件外部，如果强行安装，则会造成实验时相互冲突，因此如何让多种实验能够同时实施是当前需要解决的技术问题。

发明内容

针对上述技术，本发明提供了能够模拟隧道的多灾种耦合实验系统，具体方案如下：

一种模拟隧道的多灾种耦合实验系统，所述实验系统中放置有试件，试件为管状结构，试件由多个轴向对齐的整环管片拼接构成，多个整环管片通过钢筋串接，位于相邻的两个整环管片之间的缝隙为环形缝隙，每个整环管片由多个弧形管片合围构成，位于两个相邻的弧形管片之间的缝隙为竖向缝隙，相邻的弧形管片之间通过连接螺栓串联，系统包括呈直立管状结构的反力墙，位于试件与反力墙之间设有对试件外部施加静荷载的加压装置；位于试件内部设有对试件施加动荷载的振动模拟装置，位于试件的顶部设有对试件施加高温的火灾实验模拟装置，在环形缝隙和竖向缝隙处设有对试件施加土溶液侵蚀的液态腐蚀装置以及在任意连接螺栓上设置有电腐蚀装置。

进一步，反力墙的底部为安装有底座的闭合结构，反力墙的顶部为敞口结构；

进一步，所述加压装置包括水囊，水囊包括在试件的外部，水囊与注水管相连接，注水管与水泵相连接，水囊高度低于反力墙，位于水囊的顶部安装有卡块，反力墙的顶部设有向开口内侧延伸的翻边，所述卡块与翻边的相对面分别有相互切合的切面，当卡块受到来自下方水囊的压力时，卡块与翻边相互卡合。

进一步，所述液态腐蚀装置包括管套、连接管道和加压装置，管套为截面呈半圆形的管体；管套的凹面向缝隙设置，管套的管壁上开设有与连接管道对接的接口，连接管道通过接口与管套的凹面连通，连接管道的另一端设置有加压装置，当管套安装在环形缝隙上时，所述管套为环形结构；当管套安装在竖向缝隙上时，所述管套为直管结构。

进一步，所述管套的两侧设有与试件贴合的侧板，侧板与试件的接触面通过螺栓进行固定，以及通过胶水进行密封。

进一步，所述振动模拟装置包括反力架，反力架呈管状结构，反力架与试件内侧之间设有多个作动器；作动器与试件接触的端面设有与试件固定连接的垫块。

进一步，所述电腐蚀装置包括与任一连接螺栓连接的两根导线，两根导线的另一端连接在电源的两极上。

进一步，火灾实验模拟装置包括支撑柱、防火板和防火岩棉，所述支撑柱直立在试件的内侧，支撑柱的底端固定连接在反力墙的底座上，防火板覆盖住试件顶部，支撑柱顶端支撑防火板，防火板上设有点火口和排烟管，点火口与喷枪对接；底座的表面以及支撑柱上均覆盖有一层防火岩棉。

进一步，所述反力墙中穿过有钢管，钢管的一端穿过水囊与试件接触，钢管的另一端位于反力墙的外部，且钢管的另一端处设置有位移测量装置。

进一步，一种模拟隧道的多灾种耦合实验系统的实验方法，具体步骤如下：

步骤1，先安装反力墙，然后在反力墙内部安装试件，试件的具体安装方法为：先吊装至少三层的整环管片，每层的整环管片中的弧形管片安装到位后，通过连接螺栓串接起来；

步骤2，安装液态腐蚀装置，在上述试件上的环形缝隙以及竖向缝隙的外部布置液态腐蚀装置；

步骤3，安装加压装置，在试件的外部安装加压装置，然后再吊装一层整环管片，并用钢筋串接各整环管片；开始对试件外部施加静荷载；同时通过液态腐蚀装置向试件的缝隙中充入腐蚀液；

步骤4，使电腐蚀装置与任意连接螺栓电连接，且暂不通电；

步骤5，在试件内部安装上振动模拟装置，且暂不启动；

步骤6，使电腐蚀装置通电同时启动振动模拟装置，开始电腐蚀实验和动荷载模拟实验；

步骤7，步骤6的实验经过规定时间后停止，记录实验数据后，拆卸电腐蚀装置、振动模拟装置；

步骤8，最后安装火灾实验模拟装置开始火灾模拟实验。

和现有技术相比较，本发明的优点如下：

1、本发明通过合理分配实验装置位于试件上的位置，达到能够对试件同时实施施静态荷载、动态荷载、液态腐蚀以及电腐蚀实验的效果；

2、本发明中位于试件的外部设置有对试件外部施加静荷载的加压装置，位于试件内部设置有对试件施加动荷载的振动模拟装置，振动模拟装置提供径向力，使弧形管片间的接缝产生微小张量，进而使液态腐蚀装置的腐蚀液侵入弧形管片的接缝处，同时振动模拟装置提供的径向力能够提供振动模拟装置所模拟的振动荷载，提升了实验效率以及能够取得隧道遭受综合灾害试件变化的准确参数；

3、本发明中的反力墙与卡块能够在试件受压时进行自锁，解决了水囊向上膨胀或偏移从而造成无法对试件施加足够的压力或试件受到的压力方向改变的技术问题；

4、本发明具有结构简单，便于操作的优点。

附图说明

图1为本发明系统的俯剖视图；

图2为图1的侧视剖面图；

图3为管套针对环形缝隙的结构图；

图4为管套针对竖向缝隙的结构图；

图5为支撑柱的结构图；

图6为防火板结构图。

附图标记

1、反力墙；1-1、卡块；1-2、翻边；2、试件；2-1、整环管片；2-2、弧形管片；2-3、连接螺栓；2-4、环形缝隙；2-5、竖向缝隙；3、水囊；3-1、注水管；3-2、水泵；4、套管；4-1、连接管道；4-2、加压装置；4-3、侧板；5、反力架；5-1、作动器；5-2、垫块；6、导线；6-1、电源；7-1、支撑柱；7-2、防火板；7-3、防火岩棉；7-4、点火口；7-5、排烟管；8、钢管。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体方案做详细解释。

实施例1

如图1所示，一种模拟隧道的多灾种耦合实验系统，所述实验系统中放置有试件2，试件2为管状结构，试件2由多个轴向对齐的整环管片2-1拼接构成，多个整环管片2-1通过钢筋串接，位于相邻的两个整环管片2-1之间的缝隙为环形缝隙2-4，每个整环管片2-1由多个弧形管片2-2合围构成，位于两个相邻的弧形管片2-2之间的缝隙为竖向缝隙2-5，相邻的弧形管片2-2之间通过连接螺栓2-3串联，系统包括呈直立管状结构的反力墙1，位于试件2与反力墙1之间设有对试件2外部施加静荷载的加压装置4-2；位于试件2内部设有对试件2施加动荷载的振动模拟装置，位于试件2的顶部设有对试件2施加高温的火灾实验模拟装置，在环形缝隙2-4和竖向缝隙2-5处设有对试件2施加土溶液侵蚀的液态腐蚀装置以及在任意连接螺栓2-3上设置有电腐蚀装置。

如图2所示，所反力墙1的底部为安装有底座的闭合结构，反力墙1的顶部为敞口结构。

如图1和图2所示，所述加压装置4-2包括水囊3，水囊3包括在试件2的外部，水囊3与注水管3-1相连接，注水管3-1与水泵3-2相连接，水囊3高度低于反力墙1，位于水囊3的顶部安装有卡块1-1，反力墙1的顶部设有向开口内侧延伸的翻边1-2，所述卡块1-1与翻边1-2的相对面分别有相互切合的切面，当卡块1-1受到来自下方水囊3的压力时，卡块1-1与翻边1-2相互卡合。

如图2、图3和图4所示，所述液态腐蚀装置包括管套4、连接管道4-1和加压装置4-2，套管4和连接管道4-1的材质均为钢管，管套4为截面呈半圆形的管体；管套4的凹面向缝隙设置，管套4的管壁上开设有与连接管道4-1对接的接口，连接管道4-1通过接口与管套4的凹面连通，连接管道4-1的另一端设置有加压装置4-2，加压装置4-2为加压泵，加压装置4-2位于反力墙1的外部，连接管道4-1从反力墙1的外部延伸至套管4的接口中，反力墙1上开设有供连接管道4-1穿过的穿孔；当管套4对应的缝隙为位于两个上下位置的整环管片2-1之间的环形缝隙2-4时，所述管套4为对应环形缝隙2-4的环形结构；当管套4对应的缝隙为位于两个左右相邻的弧形管片2-2之间的竖向缝隙2-5时，所述管套4为对应竖向缝隙2-5的直管结构。作动器5-1提供径向压力，使弧形管片2-2间的缝隙产生微小张量，使腐蚀性溶液能够渗入其中；并且通过对套管4中充入带有压力的腐蚀性溶液能够平衡水囊3带来的外部压力，防止弧形管片2-2因内外压力不平衡而受损。

所述管套4的两侧设有与试件2贴合的侧板4-3，侧板4-3与试件2的接触面通过螺栓进行固定，以及通过胶水进行密封。

如图1所示，所述振动模拟装置包括反力架5，反力架5呈管状结构，反力架5与试件2内侧之间设有多个作动器5-1；作动器5-1与试件2接触的端面设有与试件2固定连接的垫块5-2。

如图1所示，所述电腐蚀装置包括与任一连接螺栓2-3连接的两根导线6，两根导线6的另一端连接在电源6-1的两极上。

如图3和图4所示，灾实验模拟装置包括支撑柱7-1、防火板7-2和防火岩棉7-3，所述支撑柱7-1直立在反力墙1的内侧，支撑柱7-1的底端固定连接在反力墙1的底座上，防火板7-2覆盖住试件2顶部，所述支撑柱7-1顶端支撑防火板7-2，所述防火板7-2上设有点火口7-4和排烟管7-5，点火口7-4与喷枪对接；底座的表面以及支撑柱7-1上均覆盖有一层防火岩棉7-3。

如图1所示，反力墙1中穿过有钢管8，反力墙1中开设有供钢管8穿过的穿孔，钢管8的一端穿过水囊3与试件2接触，钢管8的另一端位于反力墙1的外部，钢管8的另一端处设置有位移测量装置，位移测量装置为红外测距仪，当试件受压产生变形，位移测量装置通过钢管8测量试件2的变形数据。

实施例2

一种模拟隧道的多灾种耦合实验系统的实验方法，具体步骤如下；

步骤1，建立反力墙1和试件2，先安装反力墙1，然后在反力墙1内部安装试件2，试件2的具体安装方法为：先吊装至少三层的整环管片2-1，每层的整环管片2-1中的弧形管片2-2安装到位后，通过连接螺栓2-3串联起来；

步骤2，安装液态腐蚀装置，在试件2上的环形缝隙2-4以及竖向缝隙2-5的外部布置液态腐蚀装置，具体安装方法为：在环形缝隙2-4的外部布置环形结构的套管4，在竖向缝隙2-5的外部布置直管结构的套管4，在套管4上安装连接管道4-1，并且把套管4与位于反力墙1外部的加压装置4-2相通过连接管道4-1连通；然后在试件2的二层整环管片2-1与反力墙1之间安装水囊3，并且把水囊3与位于反力墙1外部的水泵3-2通过注水管3-1连接；

步骤3，安装加压装置，在试件1的外部安装加压装置；具体安装方法为：把卡块1-1吊装在位于第三层的管段外侧位置，然后安装第四层整环管片2-1，用钢筋把四层整环管片2-1串接固定，再把卡块1-1通过吊绳提升至第四层整环管片2-1的侧部；开始静荷载实验，通往水囊3中注水，使水囊3膨胀到充满反力墙1与试件2之间的间隙，持续注水，使水囊3向上方膨胀，直到水囊3膨胀至卡块1-1的下方，并且对卡块1-1产生向上的压力，使卡块1-1与反力墙1的翻边卡合，最后释放吊装卡块1-1的吊绳；通过控制水泵3-2的水压，使试件2受到达到相应的实际围压；开始土溶液侵蚀实验，控制加压装置4-2向套管4中注入与水囊3中向对应的腐蚀溶液，使水囊3中的水压与套管4中的腐蚀溶液的液压基本保持平衡；

还可建立用于测量试件1变形的观测实验，安装钢管8，使钢管8位于反力墙1内的一端与试件2抵触；另一端延伸到反力墙1外面，并用位移测量装置通过钢管8测量试件2的变形数据。

步骤4，安装电腐蚀装置，具体安装方法为：电源6-1通过导线6连通任意连接螺栓2-3，且暂不接通电源7-1；

步骤5，安装振动模拟装置，具体安装方法为：首先安装反力架5和垫块5-2，垫块5-2和试件2通过铆钉固定连接，然后把作动器5-1一端固定在反力架5上，另一端固定在垫块5-2上，且暂不打开作动器5-1的电开关；

步骤6，接通电腐蚀装置的电源7-1以及启动振动模拟装置，开始电腐蚀实验和动荷载模拟实验；

步骤7，步骤6的实验经过规定时间后停止，记录实验数据后，拆卸电腐蚀装置、振动模拟装置；

步骤8，安装火灾实验模拟装置，具体步骤为：在位于试件2内侧的底座上安装支撑柱7-1，在底座表面和支撑柱7-1上铺上一层防火岩棉7-3，防火岩棉7-3的厚度约为2cm，在反力墙1的开口上安装防火板7-2，使支撑柱7-1支撑住防火板7-2，在防火板7-2上设置点火口7-4和排烟管7-5，在点火口7-4中接入喷枪，完成上述布置后开始火灾模拟实验。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种模拟隧道的多灾种耦合实验系统，所述实验系统中放置有试件，试件为管状结构，试件由多个轴向对齐的整环管片拼接构成，多个整环管片通过钢筋串接，位于相邻的两个整环管片之间的缝隙为环形缝隙，每个整环管片由多个弧形管片合围构成，位于两个相邻的弧形管片之间的缝隙为竖向缝隙，相邻的弧形管片之间通过连接螺栓串接，其特征在于，系统包括呈直立管状结构的反力墙，位于试件与反力墙之间设有对试件外部施加静荷载的加压装置；位于试件内部设有对试件施加动荷载的振动模拟装置，位于试件的顶部设有对试件施加高温的火灾实验模拟装置，在环形缝隙和竖向缝隙处设有对试件施加土溶液侵蚀的液态腐蚀装置以及在任意连接螺栓上设置有电腐蚀装置；

反力墙的底部为安装有底座的闭合结构，反力墙的顶部为敞口结构；

所述加压装置包括水囊，水囊包括在试件的外部，水囊与注水管相连接，注水管与水泵相连接，水囊高度低于反力墙，位于水囊的顶部安装有卡块，反力墙的顶部设有向开口内侧延伸的翻边，所述卡块与翻边的相对面分别有相互切合的切面，当卡块受到来自下方水囊的压力时，卡块与翻边相互卡合；

所述液态腐蚀装置包括管套、连接管道和加压装置，管套为截面呈半圆形的管体；管套的凹面向缝隙设置，管套的管壁上开设有与连接管道对接的接口，连接管道通过接口与管套的凹面连通，连接管道的另一端设置有加压装置，当管套安装在环形缝隙上时，所述管套为环形结构；当管套安装在竖向缝隙上时，所述管套为直管结构；

所述管套的两侧设有与试件贴合的侧板，侧板与试件的接触面通过螺栓进行固定，以及通过胶水进行密封；

所述振动模拟装置包括反力架，反力架呈管状结构，反力架与试件内侧之间设有多个作动器；作动器与试件接触的端面设有与试件固定连接的垫块；

所述电腐蚀装置包括与任一连接螺栓连接的两根导线，两根导线的另一端连接在电源的两极上；

火灾实验模拟装置包括支撑柱、防火板和防火岩棉，所述支撑柱直立在试件的内侧，支撑柱的底端固定连接在反力墙的底座上，防火板覆盖住试件顶部，支撑柱顶端支撑防火板，防火板上设有点火口和排烟管，点火口与喷枪对接；底座的表面以及支撑柱上均覆盖有一层防火岩棉。

2.根据权利要求1所述的模拟隧道的多灾种耦合实验系统，其特征在于，所述反力墙中穿过有钢管，钢管的一端穿过水囊与试件接触，钢管的另一端位于反力墙的外部，且钢管的另一端处设置有位移测量装置。

3.根据权利要求1所述的一种模拟隧道的多灾种耦合实验系统的实验方法，其特征在于，具体步骤如下；

步骤1，先安装反力墙，然后在反力墙内部安装试件，试件的具体安装方法为：先吊装至少三层的整环管片，每层的整环管片中的弧形管片安装到位后，通过连接螺栓串接起来；

步骤2，安装液态腐蚀装置，在上述试件上的环形缝隙以及竖向缝隙的外部布置液态腐蚀装置；

步骤3，安装加压装置，在试件的外部安装加压装置，然后再吊装一层整环管片，并用钢筋串接各整环管片；开始对试件外部施加静荷载；同时通过液态腐蚀装置向试件的缝隙中充入腐蚀液；

步骤4，使电腐蚀装置与任意连接螺栓电连接，且暂不通电；

步骤5，在试件内部安装上振动模拟装置，且暂不启动；

步骤6，使电腐蚀实验通电同时启动振动模拟装置，开始电腐蚀实验和动荷载模拟实验；

步骤7，步骤6的实验经过规定时间后停止，记录实验数据后，拆卸电腐蚀装置、振动模拟装置；

步骤8，最后安装火灾实验模拟装置开始火灾模拟实验。

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