CN112881200A - 一种管片纵向接头剪切刚度试验加载装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种管片纵向接头剪切刚度试验加载装置，固定模块包括管片固定支座、钢梁固定支座和设置在钢梁固定支座内侧上安装加载模块用的工字钢梁，且该工字钢梁的底面上设置有固定上液压千斤顶的定位螺孔；加载模块包括上液压千斤顶、下液压千斤顶、加载曲板与自动化液压控制装置，自动化液压控制装置包括定时插座和电动液压千斤顶；管片模块由一个中环管片和两个侧环管片错缝拼装组成，两个侧环管片的宽度为原型值的一半，中环管片的宽度为原型值；相邻管片之间设置等比例缩小的纵向高强度螺栓；检测模块包括检测部分和数据处理部分。以及提供一种加载方法。本发明对管片的纵向接头螺栓抗剪受力性能及循环荷载下纵向接头螺栓抗剪劣化性能进行检测。

Description

一种管片纵向接头剪切刚度试验加载装置及方法

技术领域

本发明涉及盾构隧道管片检测领域，尤其涉及一种管片纵向接头剪切刚度试验加载装置及方法。

背景技术

盾构法隧道衬砌结构一般是由若干块弧形的管片拼装而成。管片与管片之间、环与环之间通过接头采用螺栓或其他方式连接。相关工程试验及计算结果的对比研究表明,接头的连接构造和力学性能对衬砌环的内力分布和变形有显著影响。特别得，对于错缝拼装的衬砌环,尽管修正的惯用法已经考虑了管片接头处剪力的传递,但它仍只是一种等效的计算方法，因此对衬砌管片接头力学性能的试验变得极为重要。

在隧道衬砌试验中，由于管片的尺寸较大，且具有多种结构类型，因此，在对管片的力学性能即受力机理进行检测时，无法通过直接检测获得。目前普遍采用的检测方法，一般先根据管片的尺寸及结构，按照管片模型结构与管片结构相同且管片模型尺寸相对管片等比例缩小的原则制作管片模型，；再对管片模型进力学试验，检测得出管片模型的各项参数；最后再根据模型试验参数获得实际工程中管片的各项性能参数。

另外，在隧道工程中，管片通常采用螺栓接头、无连接件接头，插入式接头及销插式接头等不同形式的连接接头进行连接。连接接头部位作为隧道中的薄弱部位，准确检测出其基本受力性能和极限承载能力，显得尤为重要。目前对管片接头力学性能的研究主要集中在局部管片环向接头抗弯能力方面，对整环管片的纵向接头抗剪问题的研究很少；且由于施工等因素的影响，隧道衬砌结构往往含有初始缺陷，列车长期动荷载作用下，缺陷进一步萌生、发展，使结构力学性能下降，影响隧道结构使用寿命，而连接接头作为隧道管片结构的薄弱部位，检测接头刚度的劣化趋势变得极为重要。

因此，如何在不浪费过多人力物力的情况下，检测循环剪切荷载下不同尺寸整环衬砌管片纵向接头的剪切刚度，这是问题的关键所在。

发明内容

为了克服已有技术的不足，本发明提出一种管片纵向接头剪切刚度试验加载装置及方法，对管片的纵向接头螺栓抗剪受力性能及循环荷载下纵向接头螺栓抗剪劣化性能进行检测，

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种管片纵向接头剪切刚度试验加载装置，包括固定模块、加载模块、管片模块和检测模块，所述固定模块包括管片固定支座、钢梁固定支座和设置在所述钢梁固定支座内侧上安装所述加载模块用的工字钢梁，且该工字钢梁的底面上设置有固定上液压千斤顶的定位螺孔；所述加载模块包括上液压千斤顶、下液压千斤顶、加载曲板与自动化液压控制装置，所述自动化液压控制装置包括定时插座和电动液压千斤顶；所述管片模块由一个中环管片和两个侧环管片错缝拼装组成，两个侧环管片的宽度为原型值的一半，中环管片的宽度为原型值，试验均以中环管片为量测对象；相邻管片之间设置等比例缩小的纵向高强度螺栓；所述检测模块包括检测部分和数据处理部分，在中环管片中部纵向接头处布置位移测点与应变片，用位移数显仪量测衬砌管片的位移，并在管片周边典型截面位置内、外侧对称布设环向电阻应变片以测得管片内外侧应变值，以此获得中环管片的截面内力。

本发明中，在使用该管片力学试验装置对管片进行力学试验检测时，可利用管片固定支座固定待检测中环管片的侧环管片，并根据试验需要将工字钢梁安装在两侧钢梁固定支座的设定高度，将两个上液压千斤顶安装至工字钢梁底部，并将加载曲板固定于两个上液压千斤顶上。同理将两个下液压千斤顶放置于测试管片环二下部，并将加载曲板固定于两个下液压千斤顶上以实现对测试管片环二进行循环剪切加载。管片固定支座分为上管片固定支座和下管片固定支座，两者通过对拉杆连接，可以避免因对测试管片施加向上剪切荷载导致测试管片位移因而影响检测结果；利用加载模块循环周期向待检测管片的检测面施加载荷，可直接检测出待检测管片在检测面上的受力性能及抗剪劣化性能，检测方便快捷，且检测精度高。

进一步，所述加载曲板分为上加载曲板与下加载曲板，加载曲板外侧中部设有两个圆形凹槽，用于连接液压千斤顶。

再进一步，所述钢梁固定支座上设置有至少五组安装所述加载模块用的安装孔组。因此在进行试验检测时可根据需要调整加载模块的安装位置，拓宽了加载系统的适应性和试验范围。

优选地，所述工字钢梁底端中部有安装上液压千斤顶的螺孔，两者通过螺栓相连，所述工字钢梁两端设有与工字钢梁固定的薄片，该薄片设有四个螺孔，与钢梁固定支座内侧安装孔组对应，可通过螺栓对工字钢梁进行固定。

优选地，所述管片固定支座分为上管片固定支座与下管片固定支座，所述上下管片固定支座设置有一组安装所述对拉杆用的对拉通孔，所述对拉杆可以通过调整螺母位置来控制对拉杆长度。由此可根据管片模型尺寸调整对拉杆的长度，方便对不同尺寸的管片进行试验检测，适用范围广。所述上、下管片固定支座分别在下部和上部设有圆弧形凹槽。即可较好贴合管片，锁紧固定管片模型进一步地，所述圆弧形凹槽上设置有橡胶垫层，可避免管片模型在加载过程中发生滑移，增加试验的安全性与准确性。

优选地，所述电动液压千斤顶可通过调节旋钮控制液压千斤顶施加荷载大小，并通过给电动泵通电进行加载。

进一步地，所述定时插座连接中国标准三孔插头与电动泵供电线，可设定通电时间、断电时间与循环次数。这样，可通过分别设置上下电动液压千斤顶的通电时间、断电时间与循环次数，达到上下电动液压千斤顶依次循环施加剪切荷载的试验效果。荷载施加高度自动化，且施加荷载大小与时间准确，无人工操作误差。大大提高试验精度与试验效率。

优选地，所述检测部分由在中环管片中部纵向接头处布置测点与应变片组成，用0.001mm精度的位移数显仪量测衬砌管片的位移，中环管片总共布置10个位移测点；以11.25°为单位在中环管片周边典型截面位置内、外侧对称布设环向电阻应变片以测得内外侧应变值，以此获得管片的截面内力，中环管片总共布置32对应力测点。

所述数据处理部分由处理器和电脑组成，电脑安装有自动截屏软件，可定时截屏。这样可做到全自动记录管片循环加载下，测点数据变化。

一种管片纵向接头剪切刚度试验加载方法，所述方法包括以下步骤：

(1)根据试验管片尺寸确定两个下管片固定支座位置，将对拉杆从下穿过下管片固定支座并根据试验管片中环位置与特制工字钢梁长度确定钢梁固定支座位置。将两个下液压千斤顶与下加载曲板相连固定；

(2)将各个管片用横向螺栓拼装成环，并按错缝拼接的方式用纵向高强度螺栓装配成三环管片，将试验管片用起吊机放置在下管片固定支座上，且对拉杆穿过两侧试验管片预留孔洞；

(3)根据管片尺寸与加载、固定装置高度选择工字钢梁高度，并用螺栓与钢梁固定支座固定，将上加载曲板与两个上液压千斤顶固定并从管片侧部平移至中间环管片的中部，将两个上液压千斤顶与特制工字钢梁以螺栓固定连接；

(4)将上管片固定支座穿过对拉杆安置在两侧试验管片上，并通过旋紧对拉杆螺母进行固定，以11.25°为单位在试验管片中环内、外侧对称布设环向电阻应变片以测得管片内外侧应变值；通过DH5922D动态信号测试分析系统将应变片与电脑相连；通过电动泵连接液压缸与定时插座，根据试验管片加载需求调节旋钮控制荷载大小，并根据循环加载需求在定时插座上设定通电时间、断电时间及循环次数；

(5)在电脑上调出应变片数据界面并设置定时自动截图，截图名按时间编号，将定时插座通电开始试验。

本发明的有益效果主要表现在：

1)考虑试验管片的尺寸大小，采用可调节式钢梁固定支座，可根据具体试验管片大小，采用高度合适工字钢梁作为加载装置固定梁。可检测多种尺寸圆形管片，使用范围广；

2)试验管片采用错缝拼接的三环管片组成，除了中环管片采用实际宽度，两个侧环管片皆采用实际宽度的一半。中环管片为检测管片，两个侧环管片用于固定中环管片并模拟实际一环管片在隧道衬砌中受到的影响。可在保持试验结果精度的同时减少缩尺试验占地；

3)采用整环管片试验，模拟实际隧道衬砌中一环管片间的相互影响，使试验更精确、合理；

4)对中环管片采用上下依次循环加载，模拟长期动荷载下管片的受力模式，可较快得到管片的劣化趋势；

5)加载装置通过定时插座控制加载时间、间隔时间与循环次数，做到自动化加载；

6)上、下管片固定支座采用对拉杆相连并固定试验管片侧环管片，防止加载剪切荷载时试验管片产生的位移对检测数据造成影响。

附图说明

图1是本发明装置立体示意图。

图2是本发明装置正视图。

图3是本发明装置中环剖面图。

图4是本发明装置侧边剖面图。

图5是本发明装置测点布置图。

图6是本发明装置上加载爆炸图。

图中有：1.钢梁固定支座2.工字钢梁3.下管片固定支座4.上管片固定支座5.侧环管片6.对拉杆7.中环管片8.上加载曲板9.上液压千斤顶10.下加载曲板11.下液压千斤顶12.电动泵13.定时插座14.DH5922D动态信号测试分析系统15.电脑16.纵缝接头17.环缝接头18.通油管19.六角固定螺母20.下管片固定支座预留孔洞21.位移计22.应变片23.螺孔23.上加载曲板预留凹槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图6，一种管片纵向接头剪切刚度试验加载装置，用于测量循环受剪下整环管片纵缝接头16处剪切刚度性能。

该管片纵向接头刚度试验加载装置包括：

钢梁固定支座1由两块正对混凝土方柱组成，用于固定工字钢梁2。两块混凝土方柱内侧设有高度控制螺孔24，可根据试验需求调整工字钢梁高度。

工字钢梁2为两侧焊有钢板的工字钢梁，构成上加载装置的固定基座。其焊有的钢板中间两侧与工字钢梁底面中部设有螺孔可分别与管片固定支座1连接和固定上液压千斤顶9。

试验管片由采用根据实际宽度等比相似计算得到的宽度中环管片7与采用计算宽度一半的两个侧环管片5错缝拼接而成。

中环管片7由一块封顶块、两个领接块与七个标准块混凝土管片组成，并通过环缝接头17固定。

下管片固定支座3为上部存在圆弧形凹槽的混凝土立方体，其中部设有两个下管片固定支座预留孔洞20，可通过对拉杆6穿过下管片固定支座预留孔洞20为上管片固定支座2提供拉力。具体的说，对拉杆6穿过下管片固定支座预留孔洞20与侧环管片5中预留孔洞与上管片固定支座相连并通过调节对拉杆上端的六角固定螺母19固定试验管片。

加载模块由电动泵、液压千斤顶、定时插座和加载曲板组成，电动泵12通过通油管18与液压千斤顶相连，并通过通电线与定时插座13相连。

加载曲板为外侧设有对称圆形凹槽的圆弧形混凝土板。加载曲板通过外侧圆形凹槽与液压千斤顶相连并通过内侧橡胶垫层达到与中环管片紧密贴合。

所述检测模块包括检测部分和数据处理部分，所述检测部分由在中环管片中部纵向接头处布置测点与应变片组成，用0.001mm精度的位移数显仪量测衬砌管片的位移，中环管片总共布置10个位移测点；以11.25°为单位在中环管片周边典型截面位置内、外侧对称布设环向电阻应变片以测得内外侧应变值，以此获得管片的截面内力，中环管片总共布置32对应力测点。所述数据处理部分由处理器和电脑组成，电脑安装有自动截屏软件，用于全自动记录管片循环加载下的测点数据变化。

根据试验，要想得到准确的管片纵向接头剪切刚度试验数据，在管片纵向接头加载过程中，减少试验误差是相当重要的。以下两点必须注意：

(1)加载装置不能产生位移；

(2)循环剪切荷载下的每次加载需保证加载数值与加载时间恒定。

对于第一点，本发明采用管片固定支座分为上管片固定支座和下管片固定支座，两者通过对拉杆连接，可以避免因对测试管片施加向上剪切荷载导致测试管片位移因而影响检测结果。对于第二点，循环剪切荷载下的每次加载数值与加载时间不能相差太大，否则容易使试验管片纵缝接头直接剪断或对其影响过小，无法体现循环加载下的剪切刚度变化。

因此本加载装置采用通过调节旋钮控制荷载大小的液压千斤顶加压，并通过定时插座控制加载时间、间隔时间与循环次数，做到自动化加载；

同时本发明采用了在与DH5922D动态信号测试分析系统相连的电脑上设置定时自动截图功能，以得到循环剪切条件下每次加载各应力应变片的数据。

一种管片纵向接头剪切刚度试验加载方法，所述方法包括以下步骤：

(1)根据试验管片尺寸确定两个下管片固定支座位置，将对拉杆从下穿过下管片固定支座并根据试验管片中环位置与特制工字钢梁长度确定钢梁固定支座位置。将两个下液压千斤顶与下加载曲板相连固定；

(2)将各个管片用横向螺栓拼装成环，并按错缝拼接的方式用纵向高强度螺栓装配成三环管片，将试验管片用起吊机放置在下管片固定支座上，且对拉杆穿过两侧试验管片预留孔洞；

(3)根据管片尺寸与加载、固定装置高度选择工字钢梁高度，并用螺栓与钢梁固定支座固定，将上加载曲板与两个上液压千斤顶固定并从管片侧部平移至中间环管片的中部，将两个上液压千斤顶与特制工字钢梁以螺栓固定连接；

(4)将上管片固定支座穿过对拉杆安置在两侧试验管片上，并通过旋紧对拉杆螺母进行固定，以11.25°为单位在试验管片中环内、外侧对称布设环向电阻应变片以测得管片内外侧应变值；通过DH5922D动态信号测试分析系统将应变片与电脑相连；通过电动泵连接液压缸与定时插座，根据试验管片加载需求调节旋钮控制荷载大小，并根据循环加载需求在定时插座上设定通电时间、断电时间及循环次数；

(5)在电脑上调出应变片数据界面并设置定时自动截图，截图名按时间编号，将定时插座通电开始试验。

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种管片纵向接头剪切刚度试验加载装置，其特征在于，包括固定模块、加载模块、管片模块和检测模块，所述固定模块包括管片固定支座、钢梁固定支座和设置在所述钢梁固定支座内侧上安装所述加载模块用的工字钢梁，且该工字钢梁的底面上设置有固定上液压千斤顶的定位螺孔；所述加载模块包括上液压千斤顶、下液压千斤顶、加载曲板与自动化液压控制装置，所述自动化液压控制装置包括定时插座和电动液压千斤顶；所述管片模块由一个中环管片和两个侧环管片错缝拼装组成，两个侧环管片的宽度为原型值的一半，中环管片的宽度为原型值，试验均以中环管片为量测对象；相邻管片之间设置等比例缩小的纵向高强度螺栓；所述检测模块包括检测部分和数据处理部分，在中环管片中部纵向接头处布置位移测点与应变片，用位移数显仪量测衬砌管片的位移，并在管片周边典型截面位置内、外侧对称布设环向电阻应变片以测得管片内外侧应变值，以此获得中环管片的截面内力。

2.如权利要求1所述的一种管片纵向接头剪切刚度试验加载装置，其特征在于，所述加载曲板分为上加载曲板与下加载曲板，加载曲板外侧中部设有两个圆形凹槽，用于连接液压千斤顶。

3.如权利要求1或2所述的一种管片纵向接头剪切刚度试验加载装置，其特征在于，所述钢梁固定支座上设置有至少五组安装所述加载模块用的安装孔组。

4.如权利要求1或2所述的一种管片纵向接头剪切刚度试验加载装置，其特征在于，所述工字钢梁底端中部有安装上液压千斤顶的螺孔，两者通过螺栓相连，所述工字钢梁两端设有与工字钢梁固定的薄片，该薄片设有四个螺孔，与钢梁固定支座内侧安装孔组对应，通过螺栓对工字钢梁进行固定。

5.如权利要求1或2所述的一种管片纵向接头剪切刚度试验加载装置，其特征在于，所述管片固定支座分为上管片固定支座与下管片固定支座，所述上下管片固定支座设置有一组安装所述对拉杆用的对拉通孔，所述对拉杆可以通过调整螺母位置来控制对拉杆长度；所述上、下管片固定支座分别在下部和上部设有圆弧形凹槽，所述圆弧形凹槽上设置有橡胶垫层。

6.如权利要求1或2所述的一种管片纵向接头剪切刚度试验加载装置，其特征在于，所述电动液压千斤顶可通过调节旋钮控制液压千斤顶施加荷载大小，并通过给电动泵通电进行加载。

7.如权利要求6所述的一种管片纵向接头剪切刚度试验加载装置，其特征在于，所述定时插座连接中国标准三孔插头与电动泵供电线，设定通电时间、断电时间与循环次数。

8.如权利要求1或2所述的一种管片纵向接头剪切刚度试验加载装置，其特征在于，所述检测部分由在中环管片中部纵向接头处布置测点与应变片组成，用0.001mm精度的位移数显仪量测衬砌管片的位移，中环管片总共布置10个位移测点；以11.25°为单位在中环管片周边典型截面位置内、外侧对称布设环向电阻应变片以测得内外侧应变值，以此获得管片的截面内力，中环管片总共布置32对应力测点。

9.如权利要求1或2所述的一种管片纵向接头剪切刚度试验加载装置，其特征在于，所述数据处理部分由处理器和电脑组成，电脑安装有自动截屏软件，用于全自动记录管片循环加载下的测点数据变化。

10.一种如权利要求1所述的管片纵向接头剪切刚度试验加载装置实现的加载方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)根据试验管片尺寸确定两个下管片固定支座位置，将对拉杆从下穿过下管片固定支座并根据试验管片中环位置与特制工字钢梁长度确定钢梁固定支座位置。将两个下液压千斤顶与下加载曲板相连固定；

(2)将各个管片用横向螺栓拼装成环，并按错缝拼接的方式用纵向高强度螺栓装配成三环管片，将试验管片用起吊机放置在下管片固定支座上，且对拉杆穿过两侧试验管片预留孔洞；

(3)根据管片尺寸与加载、固定装置高度选择工字钢梁高度，并用螺栓与钢梁固定支座固定，将上加载曲板与两个上液压千斤顶固定并从管片侧部平移至中间环管片的中部，将两个上液压千斤顶与特制工字钢梁以螺栓固定连接；

(4)将上管片固定支座穿过对拉杆安置在两侧试验管片上，并通过旋紧对拉杆螺母进行固定，以11.25°为单位在试验管片中环内、外侧对称布设环向电阻应变片以测得管片内外侧应变值；通过DH5922D动态信号测试分析系统将应变片与电脑相连；通过电动泵连接液压缸与定时插座，根据试验管片加载需求调节旋钮控制荷载大小，并根据循环加载需求在定时插座上设定通电时间、断电时间及循环次数；

(5)在电脑上调出应变片数据界面并设置定时自动截图，截图名按时间编号，将定时插座通电开始试验。

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