CN113484053A - 一种模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置及安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程试验等效模拟技术领域，尤其是涉及一种模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置及安装方法。该模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置，其包括：若干个千斤顶装置、若干个机械传动框架机构以及第一钢板、第二钢板、第三钢板；该装置基于杠杆原理利用千斤顶顶推力通过机械装置传递达到对上覆荷载的等效操作，是一种适用于实体工程试验或室内模型试验的上覆荷载等效装置。解决了上覆荷载因结构监测无法掩埋及因体积和重量限制在工程试验中难以实现等效的难题。该装置采用液压千斤顶为动力源，可通过控制调整千斤顶数量、装置中主体材料的型号规格及螺杆的锚固深度来应对不同的工况。

Description

一种模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置及安装方法

技术领域

本发明涉及工程试验等效模拟技术领域，尤其是涉及一种模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置及安装方法。

背景技术

目前，随着我国铁路建设的发展，不可避免遇到各种各样大型的复杂地质灾害体，对其整治处理的研究手段包括理论分析、数值计算、室内模型试验、现场实体试验等，其中室内模型试验及现场实体试验不可避免的存在部分上覆荷载无法与原型一致，其中不可避免的原因包括对结构物的监测不能被掩埋、实施难度大、造价高等。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置及安装方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

第一方面，本发明提供一种模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置，其包括：

第一钢板，所述第一钢板搭接在两个混凝土结构的上端面；

第二钢板，所述第二钢板设置于其中第一个混凝土结构的上端面；

第三钢板，所述第三钢板设置于其中第一个混凝土结构的上端面，第一个混凝土结构植入有若干个螺杆，所述第三钢板固定在所述螺杆的端部；

若干个机械传动框架机构，其中，每个机械传动框架机构包括：第一工字钢、第二工字钢、第三工字钢和第四工字钢，所述第一工字钢位于所述第一钢板、所述第二钢板和所述第三钢板的上方，所述第二工字钢、所述第三工字钢和所述第四工字钢位于所述第一工字钢的下方，且分别与所述第一工字钢垂直设置，所述第二工字钢的底端设置于所述第二钢板上，所述第二工字钢与所述第一工字钢之间预留有空隙，所述第三工字钢的底部通过铰接座设置于所述第三钢板上，所述第三工字钢的顶端与所述第一工字钢连接，所述第四工字钢的底端设置于所述第一钢板上，所述第四工字钢的顶端与所述第一工字钢连接；

若干个千斤顶装置，每个所述千斤顶装置对应设置于一个机械传动框架机构的所述第二工字钢与所述第一工字钢之间的空隙。

作为一种进一步的技术方案，所述铰接座包括：底座立板、转动钢板和销轴；

两个所述底座立板焊接于所述第三钢板；

所述底座立板上设置有轴孔；

所述转动钢板设置有轴孔，所述转动钢板设置于所述第三工字钢的底端，所述转动钢板插入至两个所述底座立板之间；

所述销轴穿装于两个底座立板以及转动钢板的轴孔中。

作为一种进一步的技术方案，所述第三钢板设置有安装孔，所述第三钢板的安装孔穿装在植入在混凝土结构的螺杆上，并通过螺帽固定。

作为一种进一步的技术方案，所述第二钢板、第三钢板分别为条形钢板，所述第一钢板的宽度大于所述第二钢板、第三钢板的宽度。

作为一种进一步的技术方案，所述千斤顶装置为液压传动结构。

作为一种进一步的技术方案，若干个所述千斤顶装置之间采用串联线路供油。

作为一种进一步的技术方案，所述第一工字钢与所述第三工字钢之间连接有角钢支撑结构。

作为一种进一步的技术方案，所述第一工字钢与所述第四工字钢之间连接有角钢支撑结构。

第二方面，本发明还提供一种根据所述的模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置的安装方法，其包括如下步骤：

S1、构件预加工：

按照设计图纸要求加工所需的各种钢材构件，包括：第一钢板、第二钢板、第三钢板、第一工字钢、第二工字钢、第三工字钢、第四工字钢以及铰接座，在对各个钢材构件加工时包括对构件剪裁加工成预设特定形状及在预设特定位置预打孔；

S2、焊接：

按照设计图纸，对主体构件进行焊接，包括第一工字钢、第二工字钢、第三工字钢、第四工字钢和铰接座之间的焊接，焊接工艺要求不得出现夹渣、裂纹、气孔、咬边的缺陷；

S3、钻孔：

考虑后期钢板构件的安装，在混凝土结构上进行的钻孔要严格按照设计间距施工，最大允许偏差±2mm，孔斜每10mm不超过2°，成孔后用吹风机清理孔内残渣；

S4、植入加强螺杆：

采用自动注射植筋胶，用胶枪先少量的挤掉前面混合不均匀的胶，然后在孔内注胶，保证从孔底至孔口的顺序，胶料应注满孔深的2/3以上，将螺杆旋入钻孔中，并上下抽动几次，最大范围使胶料粘接在螺杆上，等待24小时，期间不能摇动螺杆；

S5、整体组装：

利用螺帽将第三钢板固定在植入混凝土结构中的螺杆上，构成整个装置的底座，将两块底座立板焊接在第三钢板上,通过销轴与两个底座立板以及转动钢板的轴孔，按照设计将千斤顶装置安装在对应位置，将多组机械传动框架机构用第二钢板、钢筋焊接成一个整体；

S6、千斤顶装置顶推：

千斤顶装置采用液压传动，串联线路供油，以保证每台千斤顶装置输出一致，千斤顶装置输出的荷载就等于另一端第四工字钢对第一钢板的荷载，通过第一钢板把力均匀扩散，以达到等效上覆荷载的目的。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明基于杠杆原理利用千斤顶顶推力通过机械装置传递达到对上覆荷载的等效操作，是一种适用于实体工程试验或室内模型试验的上覆荷载等效装置。解决了上覆荷载因结构监测无法掩埋及因体积和重量限制在工程试验中难以实现等效的难题。该装置采用液压千斤顶为动力源，可通过控制调整千斤顶数量、装置中主体材料的型号规格及螺杆的锚固深度来应对不同的工况。其结构简单稳定、经济合理、施工方便，受力结构与反力结构在同一侧，实用性较强，为单一荷载工程试验等效模拟这一方面提供了一种简单可行的方法与思路。

本发明具有结构简单、材料常见、经济合理、安装方便可靠、受力结构与反力结构在同一侧等优势，可实现上覆荷载等效模拟。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置的平面示意图；

图2为本发明实施例提供的模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置的断面示意图；

图3为图1所示的A的局部放大示意图；

图4为本发明实施例提供的铰接座的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的铰接座的侧视图；

图6为本发明实施例提供的转动钢板的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的销轴的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的综合试验系统的平面图。

图标：1-千斤顶装置；2-第二工字钢；3-钢筋；4-第二钢板；5-第一工字钢；6-第三工字钢；7-销轴；8-角钢支撑结构；9-底座立板；10-第三钢板；11-螺杆；12-第四工字钢；13-第一钢板；14-转动钢板；101-钻孔桩；102-桥梁承台；103-抗滑桩；104-混凝土墙；105-千斤顶；106-加载墙。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例一

结合图1至图7所示，本实施例一提供一种模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置，其包括：第一钢板13、第二钢板4、第三钢板10、若干个机械传动框架机构、若干个千斤顶装置1；所述第一钢板13搭接在两个混凝土结构的上端面(两个混凝土结构之间间隔设置)；所述第二钢板4设置于其中第一个混凝土结构的上端面；所述第三钢板10设置于其中第一个混凝土结构的上端面，第一个混凝土结构植入有若干个螺杆11，所述第三钢板10固定在所述螺杆11的端部；其中，每个机械传动框架机构包括：第一工字钢5、第二工字钢2、第三工字钢6和第四工字钢12，所述第一工字钢5位于所述第一钢板13、所述第二钢板4和所述第三钢板10的上方，所述第二工字钢2、所述第三工字钢6和所述第四工字钢12位于所述第一工字钢5的下方，且分别与所述第一工字钢5垂直设置，所述第二工字钢2的底端设置于所述第二钢板4上，所述第二工字钢2与所述第一工字钢5之间预留有空隙，所述第三工字钢6的底部通过铰接座设置于所述第三钢板10上，所述第三工字钢6的顶端与所述第一工字钢5连接，所述第四工字钢12的底端设置于所述第一钢板13上，所述第四工字钢12的顶端与所述第一工字钢5连接；每个所述千斤顶装置1对应设置于一个机械传动框架机构的所述第二工字钢2与所述第一工字钢5之间的空隙，千斤顶装置1输出的荷载就等于另一端第四工字钢12对第一钢板13的荷载，通过第一钢板13把力均匀扩散，以达到等效上覆荷载的目的。本发明具有结构简单、材料常见、经济合理、安装方便可靠、受力结构与反力结构在同一侧等优势，可实现上覆荷载等效模拟。

本实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述铰接座包括：底座立板9、转动钢板14和销轴7；两个所述底座立板9焊接于所述第三钢板10；所述底座立板9上设置有轴孔；所述转动钢板14设置有轴孔，所述转动钢板14设置于所述第三工字钢6的底端，所述转动钢板14插入至两个所述底座立板9之间；所述销轴7穿装于两个底座立板9以及转动钢板14的轴孔中。所述铰接座起到杠杆支点的作用。

具体地，本实施例采用φ30mm销轴7。

本实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述第三钢板10设置有安装孔，所述第三钢板10的安装孔穿装在植入在混凝土结构的螺杆11上，并通过螺帽固定。虑到混凝土强度，拉力过大可能将其破坏，可通过计算调整螺杆11植入深度及螺杆11间距来增大装置的适用范围。

具体地，本实施例采用φ16mm螺杆11。

本实施例中，可根据上覆荷载的荷载大小调整此装置数量，达到等效上覆荷载的目的。

本实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述第二钢板4、第三钢板10分别为条形钢板，所述第一钢板13的宽度大于所述第二钢板4、第三钢板10的宽度。

具体地，所述第二钢板4、第三钢板10采用40mm厚长条钢板。

具体地，所述第一钢板13为40mm厚大钢板。

本实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述千斤顶装置1为液压传动结构。本实施例中，作为一种进一步的技术方案，若干个所述千斤顶装置1之间采用串联线路供油。具体地，液压油型号为YB-N32，串联线路供油，以保证每台千斤顶装置1输出一致。

本实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述第一工字钢5与所述第三工字钢6之间连接有角钢支撑结构8。

本实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述第一工字钢5与所述第四工字钢12之间连接有角钢支撑结构8。

实施例二

本实施例二还提供一种根据所述的模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置的安装方法，其包括如下步骤：

S1、构件预加工：

按照设计图纸要求加工所需的各种钢材构件，包括：第一钢板13、第二钢板4、第三钢板10、第一工字钢5、第二工字钢2、第三工字钢6、第四工字钢12以及铰接座，在对各个钢材构件加工时包括对构件剪裁加工成预设特定形状及在预设特定位置预打孔；

S2、焊接：

按照设计图纸，对主体构件进行焊接，包括第一工字钢5、第二工字钢2、第三工字钢6、第四工字钢12和铰接座之间的焊接，焊接工艺要求不得出现夹渣、裂纹、气孔、咬边的缺陷；以保证连接处强度，在需要承受力更大的部位，尽量延长焊缝长度，并进行结构验算。

S3、钻孔：

考虑后期钢板构件的安装，在混凝土结构上进行的钻孔要严格按照设计间距施工，最大允许偏差±2mm，孔斜每10mm不超过2°，成孔后用吹风机清理孔内残渣，为后期注入植筋胶提供适宜环境条件；

S4、植入加强螺杆11：

采用自动注射植筋胶，用胶枪先少量的挤掉前面混合不均匀的胶，然后在孔内注胶，保证从孔底至孔口的顺序，尽量不要混入气泡，胶料应注满孔深的2/3以上，将螺杆11旋入钻孔中，并上下抽动几次，最大范围使胶料粘接在螺杆11上，等待24小时，期间不能摇动螺杆11；

S5、整体组装：

利用螺帽将第三钢板10固定在植入混凝土结构中的螺杆11上，构成整个装置的底座，将两块底座立板9焊接在第三钢板10上,通过销轴7与两个底座立板9以及转动钢板14的轴孔，按照设计将千斤顶装置1安装在对应位置，将多组机械传动框架机构用第二钢板4、钢筋3焊接成一个整体；

S6、千斤顶装置1顶推：

千斤顶装置1采用液压传动，串联线路供油，以保证每台千斤顶装置1输出一致，千斤顶装置1输出的荷载就等于另一端第四工字钢12对第一钢板13的荷载，通过第一钢板13把力均匀扩散，以达到等效上覆荷载的目的。

综上，本实施例基于杠杆原理利用千斤顶顶推力通过机械装置传递达到对上覆荷载的等效操作，是一种适用于实体工程试验或室内模型试验的上覆荷载等效装置。解决了上覆荷载因结构监测无法掩埋及因体积和重量限制在工程试验中难以实现等效的难题。该装置采用液压千斤顶为动力源，可通过控制调整千斤顶数量、装置中主体材料的型号规格及螺杆11的锚固深度来应对不同的工况。其结构简单稳定、经济合理、施工方便，受力结构与反力结构在同一侧，实用性较强，为单一荷载工程试验等效模拟这一方面提供了一种简单可行的方法与思路。

实施例三

本实施例提供一种应用实施例一模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置的综合试验系统。本实施例针对目前铁路设计在面对复杂地质情况下仍分专业进行设计的问题，导致滑坡-抗滑桩-桥梁结构这种相互作用组合体系下结构的设计大多依经验缺少理论依据，设计结构的受力和变形存在超限的可能性，单一的研究手段存在不可避免的不足之处，针对诸问题，本项目展开了包含数值计算、理论分析、室内试验和现场足尺试验多手段的综合试验研究，主体试验思路包括以下几个步骤：

第一，选择合适的试验工点，对工点进行深入的地质力学分析

选择合适的工点确定主轴断面(即原型断面)，结合工点实际情况进一步确定试验断面，对断面进行基础性的地质力学分析，确定最不利的滑动面以及分析当前坡体的稳定状态。

第二，在选择工点进行试验系统的设计，对试验系统组成部分进行优化设计

综合研发滑坡体.抗滑桩.桥梁结构组合体系试验系统，构建由模型结构系统、大吨位伺服千斤顶加载系统、多功能综合测试系统三个子系统构成的现场足尺试验系统，对各个子系统多个技术环节进行技术和经济优化，达到既满足试验要求又降低费用支出的目的。

第三，加载试验的工况设计

提取各个不利工况下抗滑桩对应加载墙深度处的位移作为千斤项项推加载墙昀位移值，以此来实现对原型断面各个工况的模拟。

第四，滑坡一抗滑桩一桥梁结构组合体系相互作用机理的深入研究与分析通过现场试验数据采集处理分析，对滑坡.抗滑桩.桥梁结构三者相互作用机理开展深入分析。

第五，设计优化建议及工程对策

从选线、路基支挡加固结构及桥梁结构设计优化三个方面提出具有指导意义的建议，并对己建或在建工程提出适宜的工程对策。

本实施例的总体方案设计如下：

结合图1和图8所示，该综合试验系统的结构主要包括：桥梁承台102、钻孔桩101、加载墙106(力传递优化加载结构)和抗滑桩103；在桥梁承台102与加载墙106之间设置有模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置，三个抗滑桩103之间设置有混凝土墙104；加载墙106位于中间的抗滑桩103与桥梁承台102之间；加载墙106与中间的抗滑桩103之间通过若干个千斤顶105连接，通过千斤顶105顶推加载墙106。

经理论计算，加载墙与承台间回填土，承台宽度5.65m范围内上方的回填土体重量为61.5t，为实现等效模拟，经多种方案优化设计采用一种上覆荷载等效施加机械液压装置实现约束等效。在承台宽度5.65m内平均布设10组此装置，每组装置可提供15t的压力，总计150t。利用等效杠杆的原理，将千斤项提供的力通过机械装置传递到覆盖在加载墙和承台之间的回填土上，10组装置可实现同步联动加压。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置，其特征在于，包括：

第一钢板，所述第一钢板搭接在两个混凝土结构的上端面；

第二钢板，所述第二钢板设置于其中第一个混凝土结构的上端面；

第三钢板，所述第三钢板设置于其中第一个混凝土结构的上端面，第一个混凝土结构植入有若干个螺杆，所述第三钢板固定在所述螺杆的端部；

若干个机械传动框架机构，其中，每个机械传动框架机构包括：第一工字钢、第二工字钢、第三工字钢和第四工字钢，所述第一工字钢位于所述第一钢板、所述第二钢板和所述第三钢板的上方，所述第二工字钢、所述第三工字钢和所述第四工字钢位于所述第一工字钢的下方，且分别与所述第一工字钢垂直设置，所述第二工字钢的底端设置于所述第二钢板上，所述第二工字钢与所述第一工字钢之间预留有空隙，所述第三工字钢的底部通过铰接座设置于所述第三钢板上，所述第三工字钢的顶端与所述第一工字钢连接，所述第四工字钢的底端设置于所述第一钢板上，所述第四工字钢的顶端与所述第一工字钢连接；

若干个千斤顶装置，每个所述千斤顶装置对应设置于一个机械传动框架机构的所述第二工字钢与所述第一工字钢之间的空隙。

2.根据权利要求1所述的模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置，其特征在于，所述铰接座包括：底座立板、转动钢板和销轴；

两个所述底座立板焊接于所述第三钢板；

所述底座立板上设置有轴孔；

所述转动钢板设置有轴孔，所述转动钢板设置于所述第三工字钢的底端，所述转动钢板插入至两个所述底座立板之间；

所述销轴穿装于两个底座立板以及转动钢板的轴孔中。

3.根据权利要求2所述的模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置，其特征在于，所述第三钢板设置有安装孔，所述第三钢板的安装孔穿装在植入在混凝土结构的螺杆上，并通过螺帽固定。

4.根据权利要求1所述的模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置，其特征在于，所述第二钢板、第三钢板分别为条形钢板，所述第一钢板的宽度大于所述第二钢板、第三钢板的宽度。

5.根据权利要求1所述的模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置，其特征在于，所述千斤顶装置为液压传动结构。

6.根据权利要求5所述的模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置，其特征在于，若干个所述千斤顶装置之间采用串联线路供油。

7.根据权利要求1所述的模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置，其特征在于，所述第一工字钢与所述第三工字钢之间连接有角钢支撑结构。

8.根据权利要求1所述的模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置，其特征在于，所述第一工字钢与所述第四工字钢之间连接有角钢支撑结构。

9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的模拟桥梁承台上覆土体荷载的等效施加装置的安装方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、构件预加工：

按照设计图纸要求加工所需的各种钢材构件，包括：第一钢板、第二钢板、第三钢板、第一工字钢、第二工字钢、第三工字钢、第四工字钢以及铰接座，在对各个钢材构件加工时包括对构件剪裁加工成预设特定形状及在预设特定位置预打孔；

S2、焊接：

按照设计图纸，对主体构件进行焊接，包括第一工字钢、第二工字钢、第三工字钢、第四工字钢和铰接座之间的焊接，焊接工艺要求不得出现夹渣、裂纹、气孔、咬边的缺陷；

S3、钻孔：

考虑后期钢板构件的安装，在混凝土结构上进行的钻孔要严格按照设计间距施工，最大允许偏差±2mm，孔斜每10mm不超过2°，成孔后用吹风机清理孔内残渣；

S4、植入加强螺杆：

采用自动注射植筋胶，用胶枪先少量的挤掉前面混合不均匀的胶，然后在孔内注胶，保证从孔底至孔口的顺序，胶料应注满孔深的2/3以上，将螺杆旋入钻孔中，并上下抽动几次，最大范围使胶料粘接在螺杆上，等待24小时，期间不能摇动螺杆；

S5、整体组装：

利用螺帽将第三钢板固定在植入混凝土结构中的螺杆上，构成整个装置的底座，将两块底座立板焊接在第三钢板上,通过销轴与两个底座立板以及转动钢板的轴孔，按照设计将千斤顶装置安装在对应位置，将多组机械传动框架机构用第二钢板、钢筋焊接成一个整体；

S6、千斤顶装置顶推：

千斤顶装置采用液压传动，串联线路供油，以保证每台千斤顶装置输出一致，千斤顶装置输出的荷载就等于另一端第四工字钢对第一钢板的荷载，通过第一钢板把力均匀扩散，以达到等效上覆荷载的目的。

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