CN115372170A - 一种外管壁缺损的钢混悬浮隧道管节弯扭试验装置及方法 - Google Patents

一种外管壁缺损的钢混悬浮隧道管节弯扭试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种外管壁缺损的钢混悬浮隧道管节弯扭试验装置及方法，试验装置包括外管壁缺损的钢混组合试验管节，偏心压力加载装置和应变测量设备。试验管节，呈哑铃型五段式，两端部分别焊接槽钢支臂和工字钢支臂。试验管节截面为三层钢‑混凝土组合截面，外层管壁由钢管焊接为一体、且包含外管壁局部缺损区；内层波形钢桶由波形钢板卷曲焊接成一体，增强混凝土与钢材之间的咬合力；内外层钢材之间填充混凝土。压力作动器将偏心压力通过圆柱铰施加在工字钢支臂上，模拟扭矩、弯矩加载。应变测量设备用于测量并记录加载过程中混凝土、钢材的应变时程。本发明可实现多种工况下，外管壁局部缺损的钢混悬浮隧道管节的纯扭、弯扭极限承载力试验。

Description

一种外管壁缺损的钢混悬浮隧道管节弯扭试验装置及方法
技术领域
本发明属于结构工程及海洋工程技术领域，具体涉及一种外管壁缺损的钢混悬浮隧道管节弯扭试验装置及方法。
背景技术
我国幅员辽阔，拥有漫长的海岸线，但至今诸多岛屿、海峡未能实现公路、铁路的连通，究其原因是水域情况复杂、海底地质条件不稳定，构成了修建跨海桥梁、海底隧道或是沉管隧道的最大障碍。
此时，悬浮隧道作为一种创新形式的跨海结构物，进入公众的视线。它主要由以下三部分主要构件组成：1、直径较大的中空隧道管体，依靠阿基米德原理悬浮于水中，满足车辆通行；2、水面浮筒或海底锚缆，用于限制管体在恒载作用下的变形、以及动荷载作用下的位移；3、驳岸连接段，用以衔接既有路网。
悬浮隧道（以锚索式悬浮隧道为例）承受的恒载主要包括：1、管体剩余浮力，即浮力与重力的差值；2、锚索的张拉力。恒载作用下，悬浮隧道呈现出“多点弹性支承连续梁”的受力特点，即管节中部的、与锚索布置处的弯矩符号相反；此时，传统钢筋混凝土构件容易在弯矩尖点处出现开裂，加速海水腐蚀，威胁结构耐久性。进而提出了悬浮隧道管体的钢-混凝土组合截面概念，即管体外层为钢材，提高延性；内层填充混凝土起到增强截面刚度、防止钢板局部屈曲的作用。但外层钢板始终处在海水高腐蚀环境，由于腐蚀可能出现局部缺损的情形。
悬浮隧道承受的动荷载主要包括：1、内部车辆荷载；2、外部的波浪、洋流引起的动水荷载。动荷载除产生管体弯矩以外，还会引起截面扭转，最终使得悬浮隧道处在弯、扭复合状态之下。
因此，探究钢-混凝土悬浮隧道管节在腐蚀导致外管壁钢板局部缺损情况下的弯扭、纯扭极限承载力，对悬浮隧道的结构设计、截面拟定具有深刻意义；进而十分有必要发明一种外管壁缺损的钢混悬浮隧道管节弯扭试验装置及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种外管壁缺损的钢混悬浮隧道管节弯扭试验装置及方法，为研究三层钢-混凝土组合截面悬浮隧道管节在钢制外层管壁受海水腐蚀产生局部缺损之后的抗扭、抗弯扭极限承载力提供试验模型和加载方法。进行多工况设置（包括不同的外层管壁局部缺损区面积、不同的内层波形钢桶形状参数）的管节纯转、弯扭极限承载力试验，为悬浮隧道确定合理的截面形式提供参考和依据。
基于此，本发明提供的一种外管壁缺损的钢混悬浮隧道管节弯扭试验装置，包括外管壁缺损的钢混组合试验管节，偏心压力加载装置和应变测量设备。
所述的外管壁缺损的钢混组合试验管节，呈哑铃型五段式，包括中部试验段、两个过渡段和两个端部增强段。
所述的外管壁缺损的钢混组合试验管节，截面为三层钢-混凝土组合截面；外层管壁由钢管焊接为一体且包含外管壁局部缺损区；内层波形钢桶由波形钢板卷曲焊接成一体，内外层钢材之间填充混凝土；混凝土提高内外层钢材的抗局部屈曲能力，内层波形钢桶增强钢材与混凝土之间的机械咬合力，钢与混凝土材料协同受力，提高截面抗扭和抗弯刚度。
所述的外管壁缺损的钢混组合试验管节，在试验管节其中一个端部增强段的外层管壁上对称焊接两个槽钢支臂，便于使用螺栓将试验管节固定在地面上；在试验管节另一个端部增强段的外层管壁上对称焊接两个工字钢支臂，用于偏心压力加载；端部增强段直接承受扭矩、弯矩，过渡段防止应力集中，中部试验段截面缩减，确保试验管节的材料破坏始于外管壁局部缺损区。
所述的偏心压力加载装置，压力作动器将压力通过圆柱铰施加在工字钢支臂上，偏心压力产生力矩，模拟扭矩、弯矩加载；调整压力作动器在工字钢支臂上的安装位置，即调节偏心压力的偏心距，从而调节扭矩、弯矩的大小；加载过程中圆柱铰发生旋转，以适应试验管节的扭转变形。
所述的应变测量设备，包括应变传感器和信号采集系统，应变传感器粘贴在外管壁局部缺损区暴露的混凝土上、以及外管壁局部缺损区周围的外层管壁上，用于测量并记录加载过程中混凝土、钢材的应变时程。
通过控制两个压力作动器的压力-时间曲线，模拟试验管节的不同受力状态及最终的材料破坏形式；当两个压力作动器的压力-时间曲线及压力偏心距相同时，加载中试验管节为纯扭状态；当两个压力作动器的压力-时间曲线、或压力偏心距不一致时，加载中试验管节为弯扭复合状态。
改变外管壁局部缺损区面积，包括不同沿试验管节轴线方向的长度、不同沿试验管节环向的长度；用于模拟不同的外管壁局部缺损区面积对试验管节抗扭、抗弯扭承载力的影响。
改变内层波形钢桶的波形钢板形状参数，包括不同的平板长度、斜板长度、斜板投影长度，用于改变内层波形钢桶与混凝土之间的咬合能力。
本发明还提供一种采用上述外管壁缺损的钢混悬浮隧道管节弯扭试验装置的加载试验方法，包括以下主要试验步骤：
步骤一：焊接中部试验段、一个过渡段和一个端部增强段的外层管壁，其中，中部试验段上切割出外管壁局部缺损区；
步骤二：内层波形钢桶由波形钢板卷曲并焊接成圆管形、锥形；焊接中部试验段、一个过渡段和一个端部增强段的内层波形钢桶；
步骤三：将步骤二完成后的部分内层波形钢桶套入步骤一完成后的部分外层管壁；焊接另一个过渡段和另一个端部增强段的内层波形钢桶；再焊接另一个过渡段和另一个端部增强段的外层管壁；此时内、外层钢板已经完成焊接；浇筑内外层钢材之间的混凝土；
步骤四：待填充的混凝土硬化完成后，在试验管节端部增强段的外层管壁上分别焊接两个槽钢支臂的两个工字钢支臂；再粘贴应变传感器；
步骤五；使用螺栓穿过槽钢支臂，将试验管节垂直固定在地面；工字钢支臂上分别安装两个压力作动器和圆柱铰；
步骤六：打开应变测量设备，控制压力作动器施加偏心压力；存储应变传感器的测量数据；随着压力作动器偏心压力的不断增大，试验管节在纯扭或弯扭复合荷载下达到最大承载力而破坏；分析试验管节在纯扭或弯扭复合荷载下的钢材、混凝土应变时程；
步骤七：制作具有不同内层波形钢桶波形钢板形状参数的试验管节，制作具有不同外管壁局部缺损区尺寸的试验管节；进行多个试验管节在扭转、弯扭荷载工况下的试验。
本发明的有益效果在于：
（1）现有悬浮隧道管体截面，多采用混凝土单一材料或双层钢-混凝土组合截面；钢、混凝土两种材料的连接，大多采用焊接栓钉等剪力键，增加了施工程序及成本。本发明提出一种三层钢混组合截面，即内层波形钢桶-混凝土-外层钢管的截面形式，波形钢桶刚度较圆钢管更大，且由于其自身的“波浪形状”，起到增强钢、混凝土之间机械咬合力的作用，不再需要另外焊接剪力键。
（2）悬浮隧道运营过程中，管体处在弯扭复合受力状态之下；海洋高腐蚀环境又极易导致外层钢管壁出现局部腐蚀缺陷。本发明利用偏心压力加载装置，对外管壁存在缺损的试验管节施加偏心压力，模拟管节的纯扭、弯扭受力形态，同时配合应变测量设备，测试分析试验管节纯扭、弯扭多种荷载工况下的极限承载力。
（3）纯扭状态下，悬浮隧道试验管节沿轴线长度方向各截面承受的扭矩相同，试验管节若设置为等截面，端部加载区附近存在明显的应力集中现象，则其材料塑性破坏极易首先出现在应力集中区，而非外管壁局部缺损区，导致难以阐述外管壁局部区域缺损对于试验管节抗扭承载能力的削弱机理。基于此，本发明的外管壁缺损的钢混组合试验管节，设置为哑铃型五段式；端部增强段直接承受外力加载，为防止应力集中又设置了过渡段，则可以保证纯扭转试验工况下，试验管节的材料破坏开始于外管壁局部缺损区。配合应变测量数据，深入研究外管壁局部缺损区附近的钢制外管壁、暴露的混凝土在管体受弯、扭荷载时的材料失效机制。
（4）进一步制作具有不同外管壁局部缺损区面积、以及不同内层波形钢桶形状参数的管节试件，进行多个管节试件的加载试验，深入探究以上变量对试验管节纯扭、弯扭极限承载力的影响，指导悬浮隧道安全设计与截面拟定。
附图说明
图1为本发明外管壁缺损的钢混悬浮隧道管节弯扭试验装置的整体示意图；
图2为本发明外管壁缺损的钢混组合试验管节的Ⅰ-Ⅰ断面及偏心压力加载装置示意图；
图3为本发明试验管节的Ⅱ-Ⅱ断面、Ⅲ-Ⅲ断面示意图；
图4为本发明试验管节的主视示意图；
图5为本发明试验管节的侧视及外管壁局部缺损区细节示意图；
图中，1.外层管壁，2.外管壁局部缺损区，3.内层波形钢桶，4.混凝土，5.槽钢支臂，6.工字钢支臂，7.压力作动器，8.圆柱铰。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1～图5所示，本发明提供一种外管壁缺损的钢混悬浮隧道管节弯扭试验装置，包括外管壁缺损的钢混组合试验管节，偏心压力加载装置和应变测量设备。
外管壁缺损的钢混组合试验管节，呈哑铃型五段式，包括中部试验段、两个过渡段和两个端部增强段。
外管壁缺损的钢混组合试验管节，截面为三层钢-混凝土组合截面；外层管壁1由钢管焊接为一体且包含外管壁局部缺损区2；内层波形钢桶3由波形钢板卷曲焊接成一体，内外层钢材之间填充混凝土4；混凝土4提高内外层钢材的抗局部屈曲能力，内层波形钢桶3增强钢材与混凝土4之间的机械咬合力，钢与混凝土4材料协同受力，提高截面抗扭和抗弯刚度。
外管壁缺损的钢混组合试验管节，在试验管节其中一个端部增强段的外层管壁1上对称焊接两个槽钢支臂5，便于使用螺栓将试验管节固定在地面上；在试验管节另一个端部增强段的外层管壁1上对称焊接两个工字钢支臂6，用于偏心压力加载；端部增强段直接承受扭矩、弯矩，过渡段防止应力集中，中部试验段截面缩减，确保试验管节的材料破坏始于外管壁局部缺损区2。
偏心压力加载装置，压力作动器7将压力通过圆柱铰8施加在工字钢支臂6上，偏心压力产生力矩，模拟扭矩、弯矩加载；调整压力作动器7在工字钢支臂6上的安装位置，即调节偏心压力的偏心距，从而调节扭矩、弯矩的大小；加载过程中圆柱铰8发生旋转，以适应试验管节的扭转变形。
应变测量设备，包括应变传感器和信号采集系统，应变传感器粘贴在外管壁局部缺损区2暴露的混凝土4上、以及外管壁局部缺损区2周围的外层管壁1上，用于测量并记录加载过程中混凝土4、钢材的应变时程。
如图1和图2所示，通过控制两个压力作动器7的压力-时间曲线，模拟试验管节的不同受力状态及最终的材料破坏形式；当两个压力作动器7的压力-时间曲线及压力偏心距相同时，加载中试验管节为纯扭状态；当两个压力作动器7的压力-时间曲线、或压力偏心距不一致时，加载中试验管节为弯扭复合状态。
如图1、图3、图4和图5所示，改变外管壁局部缺损区2面积，包括不同沿试验管节轴线方向的长度、不同沿试验管节环向的长度；用于模拟不同的外管壁局部缺损区2面积对试验管节抗扭、抗弯扭承载力的影响。
如图1、图2和图3所示，改变内层波形钢桶3的波形钢板形状参数，包括不同的平板长度、斜板长度、斜板投影长度，用于改变内层波形钢桶3与混凝土4之间的咬合能力。
本发明采用上述外管壁缺损的钢混悬浮隧道管节弯扭试验装置的加载试验方法，包括以下主要试验步骤：
步骤一：焊接中部试验段、一个过渡段和一个端部增强段的外层管壁1，其中，中部试验段上切割出外管壁局部缺损区2；
步骤二：内层波形钢桶3由波形钢板卷曲并焊接成圆管形、锥形；焊接中部试验段、一个过渡段和一个端部增强段的内层波形钢桶3；
步骤三：将步骤二完成后的部分内层波形钢桶3套入步骤一完成后的部分外层管壁1；焊接另一个过渡段和另一个端部增强段的内层波形钢桶3；再焊接另一个过渡段和另一个端部增强段的外层管壁1；此时内、外层钢板已经完成焊接；浇筑内外层钢材之间的混凝土4；
步骤四：待填充的混凝土4硬化完成后，在试验管节端部增强段的外层管壁1上分别焊接两个槽钢支臂5的两个工字钢支臂6；再粘贴应变传感器；
步骤五；使用螺栓穿过槽钢支臂5，将试验管节垂直固定在地面；工字钢支臂6上分别安装两个压力作动器7和圆柱铰8；
步骤六：打开应变测量设备，控制压力作动器7施加偏心压力；存储应变传感器的测量数据；随着压力作动器7偏心压力的不断增大，试验管节在纯扭或弯扭复合荷载下达到最大承载力而破坏；分析试验管节在纯扭或弯扭复合荷载下的钢材、混凝土4应变时程；
步骤七：制作具有不同内层波形钢桶3波形钢板形状参数的试验管节，制作具有不同外管壁局部缺损区2尺寸的试验管节；进行多个试验管节在扭转、弯扭荷载工况下的试验。

Claims (5)

1.一种外管壁缺损的钢混悬浮隧道管节弯扭试验装置，其特征在于：包括外管壁缺损的钢混组合试验管节，偏心压力加载装置和应变测量设备；
所述的外管壁缺损的钢混组合试验管节，呈哑铃型五段式，包括中部试验段、两个过渡段和两个端部增强段；
所述的外管壁缺损的钢混组合试验管节，截面为三层钢-混凝土组合截面；外层管壁（1）由钢管焊接为一体且包含外管壁局部缺损区（2）；内层波形钢桶（3）由波形钢板卷曲焊接成一体，内外层钢材之间填充混凝土（4）；混凝土（4）提高内外层钢材的抗局部屈曲能力，内层波形钢桶（3）增强钢材与混凝土（4）之间的机械咬合力，钢与混凝土（4）材料协同受力，提高截面抗扭和抗弯刚度；
所述的外管壁缺损的钢混组合试验管节，在试验管节其中一个端部增强段的外层管壁（1）上对称焊接两个槽钢支臂（5），便于使用螺栓将试验管节固定在地面上；在试验管节另一个端部增强段的外层管壁（1）上对称焊接两个工字钢支臂（6），用于偏心压力加载；端部增强段直接承受扭矩、弯矩，过渡段防止应力集中，中部试验段截面缩减，确保试验管节的材料破坏始于外管壁局部缺损区（2）；
所述的偏心压力加载装置，压力作动器（7）将压力通过圆柱铰（8）施加在工字钢支臂（6）上，偏心压力产生力矩，模拟扭矩、弯矩加载；调整压力作动器（7）在工字钢支臂（6）上的安装位置，即调节偏心压力的偏心距，从而调节扭矩、弯矩的大小；加载过程中圆柱铰（8）发生旋转，以适应试验管节的扭转变形；
所述的应变测量设备，包括应变传感器和信号采集系统，应变传感器粘贴在外管壁局部缺损区（2）暴露的混凝土（4）上、以及外管壁局部缺损区（2）周围的外层管壁（1）上，用于测量并记录加载过程中混凝土（4）、钢材的应变时程。
2.根据权利要求1所述的一种外管壁缺损的钢混悬浮隧道管节弯扭试验装置，其特征在于：通过控制两个压力作动器（7）的压力-时间曲线，模拟试验管节的不同受力状态及最终的材料破坏形式；当两个压力作动器（7）的压力-时间曲线及压力偏心距相同时，加载中试验管节为纯扭状态；当两个压力作动器（7）的压力-时间曲线、或压力偏心距不一致时，加载中试验管节为弯扭复合状态。
3.根据权利要求1所述的一种外管壁缺损的钢混悬浮隧道管节弯扭试验装置，其特征在于：改变外管壁局部缺损区（2）面积，包括不同沿试验管节轴线方向的长度、不同沿试验管节环向的长度；用于模拟不同的外管壁局部缺损区（2）面积对试验管节抗扭、抗弯扭承载力的影响。
4.根据权利要求1所述的一种外管壁缺损的钢混悬浮隧道管节弯扭试验装置，其特征在于：改变内层波形钢桶（3）的波形钢板形状参数，包括不同的平板长度、斜板长度、斜板投影长度，用于改变内层波形钢桶（3）与混凝土（4）之间的咬合能力。
5.采用上述权利要求1～4任一项所述的一种外管壁缺损的钢混悬浮隧道管节弯扭试验装置的加载试验方法，其特征在于，包括以下主要试验步骤：
步骤一：焊接中部试验段、一个过渡段和一个端部增强段的外层管壁（1），其中，中部试验段上切割出外管壁局部缺损区（2）；
步骤二：内层波形钢桶（3）由波形钢板卷曲并焊接成圆管形、锥形；焊接中部试验段、一个过渡段和一个端部增强段的内层波形钢桶（3）；
步骤三：将步骤二完成后的部分内层波形钢桶（3）套入步骤一完成后的部分外层管壁（1）；焊接另一个过渡段和另一个端部增强段的内层波形钢桶（3）；再焊接另一个过渡段和另一个端部增强段的外层管壁（1）；此时内、外层钢板已经完成焊接；浇筑内外层钢材之间的混凝土（4）；
步骤四：待填充的混凝土（4）硬化完成后，在试验管节端部增强段的外层管壁（1）上分别焊接两个槽钢支臂（5）的两个工字钢支臂（6）；再粘贴应变传感器；
步骤五；使用螺栓穿过槽钢支臂（5），将试验管节垂直固定在地面；工字钢支臂（6）上分别安装两个压力作动器（7）和圆柱铰（8）；
步骤六：打开应变测量设备，控制压力作动器（7）施加偏心压力；存储应变传感器的测量数据；随着压力作动器（7）偏心压力的不断增大，试验管节在纯扭或弯扭复合荷载下达到最大承载力而破坏；分析试验管节在纯扭或弯扭复合荷载下的钢材、混凝土（4）应变时程；
步骤七：制作具有不同内层波形钢桶（3）波形钢板形状参数的试验管节，制作具有不同外管壁局部缺损区（2）尺寸的试验管节；进行多个试验管节在扭转、弯扭荷载工况下的试验。
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