CN118294256A - 一种可实现管片接头刚性转动约束可控的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在盾构隧道衬砌模型试验中可实现管片接头刚性转动约束可控的装置及方法，该装置包括反力架、底部气囊、气体驱动系统以及两组由钢壁筒、侧面气缸、螺旋钢筋、夹板组成的侧面约束系统。本发明通过气体驱动系统高效地对管片接头施加和释放刚性转动约束，从而控制管片接头转动，在刚性约束施加时，可以消除管片接头界面两侧的相对转动，在刚性约束释放后，对管片接头转动没有影响；同时，施加的刚性约束仅限制管片接头转动，对管片接头平动不产生影响；本发明装置主要构件均由高强、轻质合金材料组成，对管片模型产生的附加载荷较小。本发明为识别单个管片接头影响时面临的管片接头刚性转动约束施加难题提供了一种解决方法。

Description

一种可实现管片接头刚性转动约束可控的装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道衬砌结构室内模型试验的技术领域，尤其是涉及一种盾构隧道管片衬砌模型研究中可用于识别管片接头影响的装置和方法。

背景技术

当前很多城市市政工程，例如地铁、城市道路隧道、市政管廊隧道、水下隧道等采用盾构法修建，盾构隧道衬砌是由预制混凝土管片通过管片接头和环间接头拼装而成，其中管片接头的力学性态对于隧道整环力学性态、极限承载能力以及衬砌开裂、漏水等病害形成有重要影响。关于管片接头影响的研究历来是隧道及地下工程领域的关注重点，尤其是在一些特殊场景中，不仅需要了解管片接头的总体影响规律，还需要了解特定管片接头的具体影响程度和影响大小，例如，隧道衬砌特定位置有裂损、劣化等病害产生，需要对病害具体成因以及对应对治理措施进行分析和研究时，特定管片接头性能劣化与衬砌局部裂损、破坏乃至整体力学性能之间存在怎样的关系就成为重点关注对象，因为，不同位置管片接头工作状态并不相同，管片接头性能劣化一般是个别的、局部的现象，不是所有位置的管片接头都同时发生同等程度的病害。为量化评价单个管片接头对隧道衬砌整体力学性能影响可借助于缩尺试验进行研究，缩尺试验是隧道和地下工程领域常见的一种研究手段，为此，就需要对特定管片接头的转动反复施加和释放刚性约束，在模型试验中如何实现是目前相关研究中面临的关键难题之一。

发明内容

本发明的目的是为了解决盾构隧道管片衬砌模型试验中识别单个管片接头影响所面临的管片接头刚性约束需要反复释放和施加的难题，提供一种用于小比例盾构隧道衬砌模型的可控的管片接头刚性约束的实现装置和实现方法，在刚性约束施加时，严格消除管片接头界面两侧的相对转动，在刚性约束释放时，对管片接头转动没有影响，从而为模型试验中管片接头影响识别提供保证，并为盾构隧道管片接头影响的深入研究提供一种途径。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种可实现管片接头刚性转动约束可控的装置包括反力架、两个侧面约束系统、底部气囊、气体驱动系统，两个侧面约束系统沿着管片接头宽度中心线呈对称结构，每个侧面约束系统包括钢壁筒、侧面气缸、螺旋钢筋、夹板；反力架由两个外固定板、两个内固定板、一个底板、两个连接杆以及若干螺母组成；反力架的两个外固定板和两个内固定板沿着管片接头宽度中心线呈对称结构，外固定板和内固定板位于管片接头宽度方向，钢壁筒固定于外固定板和内固定板；反力架的底板和两个连接杆位于管片接头高度方向；底部气囊位于反力架底板和管片接头之间；侧面气缸位于钢壁筒内部，一端固定于外固定板，一端连接夹板，螺旋弹簧位于侧面气缸外壁；气体驱动系统包括三个分支气管、控制气管、压力表、泄压孔和开关、阀门、进气管、气泵，分支气管将两个侧面气缸、底部气囊和控制气管连接，控制气管连接阀门，进气管连接阀门和气泵，控制气管上安装有压力表和泄压孔，泄压孔上有开关。

反力架的外固定板、内固定板、底板、连接杆均由高强、轻质合金材料组成，外固定板、内固定板、底板为矩形板，连接杆横截面呈圆形；钢壁筒由高强、轻质合金材料组成；侧面气缸外壁由柔性橡胶材料组成；夹板由高强、轻质合金材料组成，夹板表面有刻纹。

侧面气缸外表面缠绕螺旋弹簧，螺旋弹簧嵌入侧面气缸外壁；侧面气缸外壁与钢壁筒密贴，侧面气缸外壁涂有润滑液，钢壁筒内壁涂有润滑液。

钢壁筒一端焊接固定于外固定板，钢壁筒另一端穿过内固定板，并通过焊接固定在内固定板中间。

内固定板、外固定板上部有2个连接孔，连接杆穿过连接孔，通过螺母固定在外固定板中间。

上述可实现管片接头刚性转动约束可控的装置的实现方法，实现步骤如下：

步骤1：建立可考虑管片接头张开、屈服、破坏全过程的盾构隧道整环分析模型，在该隧道整环分析模型中，管片接头采用管片接头界面法向只能受压的Interface模型，通过增量法计算加载全历程中整环管片衬砌以及管片接头的内力大小，包括轴力值、弯矩值以及弯矩性质(正弯矩或负弯矩)，根据管片接头弯矩性质确定管片接头的受压侧；

步骤2：绘制管片接头的弯矩-时程曲线，并计算管片接头的特征参数—张开弯矩，根据管片接头张开弯矩确定管片接头张开时的荷载步t₀，获得管片接头刚性转动约束的施加时间；

步骤3：组装反力架及侧面约束系统的两侧和底部部件，将夹板贴近管片接头宽度方向的环间平面，将底板贴近管片接头高度方向的环内受压侧的弧面，然后将连接杆穿过内固定板连接孔、外固定板连接孔，并通过螺栓将连接杆固定于外固定板之间；

步骤4：将侧面气缸、底部气囊与气体驱动系统连接；

步骤5：按照荷载方案加载，等荷载步达到t₀时，停止加载，气泵充气，通过夹板和底部气囊对管片接头施加刚性转动约束；

步骤6：施加一个荷载增量；

步骤7：增量荷载施加完成后，打开泄压孔的开关对侧面气缸和底部气囊泄压，释放管片接头的刚性转动约束；

步骤8：依次对管片接头施加刚性转动约束-增量荷载加载-释放管片接头刚性转动约束，直至试验结束。

本发明的有益效果是：

(1)可以在管片接头施加刚性转动约束，限制管片接头界面两侧的相对转动，为单个管片接头影响识别提供物理手段；

(2)施加的刚性转动约束仅限制管片接头转动，不影响管片接头平动；

(3)通过气体驱动系统可高效地施加和释放刚性转动约束，从而可自由控制管片接头转动约束；

(4)该装置主要构件由高强、轻质合金材料组成，对管片模型产生的附加荷载较小。

附图说明

下面结合附图对本发明的应用例作说明。

图1为一种可实现管片接头刚性转动约束可控的装置的管片衬砌模型示意图；

图2为一种可实现管片接头刚性转动约束可控的装置的管片接头放大示意图；

图3为一种可实现管片接头刚性转动约束可控的装置的剖面1示意图；

图4为一种可实现管片接头刚性转动约束可控的装置的外固定板横剖面示意图；

图5为一种可实现管片接头刚性转动约束可控的装置的剖面3示意图；

图6为一种可实现管片接头刚性转动约束可控的装置的剖面4示意图；

图7为一种可实现管片接头刚性转动约束可控的装置的剖面5示意图；

图中：1管片，2管片接头，3外固定板，4内固定板，5底板，6钢壁筒，7侧面气缸，8螺旋弹簧，9夹板，10底部气囊，11外固定板连接孔，12内固定板连接孔，13连接杆，14螺母，15气泵，16压力表，17泄压孔，18开关，19控制气管，19-1分支气管1，19-2分支气管2，19-3分支气管3，20阀门，21进气管，22-1接头1，22-2接头2，22-3接头3，22-4接头4，22-5接头5，22-6接头6，22-7接头7。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

一种可实现管片接头刚性转动约束可控的装置包括反力架、两个侧面约束系统、底部气囊10、气体驱动系统，每个侧面约束系统包括钢壁筒6、侧面气缸7、螺旋钢筋8、夹板9，反力架由两个外固定板3、两个内固定板4、底板5、两个连接杆13以及若干螺母14组成，外固定板有2个外固定板连接孔11，内固定板4有两个内固定板连接孔，气体驱动系统包括分支气管1(19-1)，分支气管2(19-2)，分支气管3(19-3)、控制气管19、压力表16、泄压孔17、18开关，阀门20、进气管21、气泵15。

本发明的可实现管片接头刚性转动约束可控的装置实现方法步骤如下：

步骤1：按照附图1建立整环盾构隧道分析模型，该模型包括七个管片1和七个管片接头22-1～22-7，计算确定管片接头22-1～22-7的受压侧，并进而确定反力架底板5和底部气囊10的安装位置，底板5需要安装在管片接头的受压侧，而连接杆13要安装在管片接头的受拉侧；

步骤2：计算管片接头22-1～22-7的张开弯矩，确定管片接头张开时的荷载步t₀，在增量荷载逐步施加过程中，在荷载步t₀以前，不需要施加管片接头刚性转动约束，只有荷载步达到t₀以后，才需要施加管片接头刚性转动约束，t₀即为管片接头刚性转动约束的施加时间；

步骤3：将外固定板3，内固定板4、底板5，钢壁筒6、侧面气缸7、螺旋弹簧8，底部气囊10，夹板9等依次连接，将组装的反力架放于管片接头1位置处，并使得反力架的底板5位于管片接头的受压侧，然后将2个连接杆13穿过内固定板连接孔12、外固定板连接孔11，并通过螺栓14将连接杆13固定于外固定板3之间；

步骤4：通过分支气管1(19-1)，分支气管2(19-2)，分支气管3(19-3)将两个侧面气缸7、底部气囊10连接到控制气管19和阀门20，将进气管21连接到阀门20和气泵15；

步骤5：按照荷载方案加载，等荷载步达到t₀时，关闭泄压孔17上的开关18，打开阀门20，气泵15开始充气，同时记录压力表16的压力值，压力表16的压力升到设计值时，关闭阀门20，同时，气泵15停止工作；

步骤6：盾构隧道衬砌模型施加一个荷载增量；

步骤7：增量荷载施加完成后，打开泄压孔17上的开关18，将控制气管19泄压，同时记录压力表16的压力值，泄压达到预定值时，记录模型弯矩变化量，第一个刚性约束释放过程结束；

步骤8：依次施加管片接头刚性转动约束-增量荷载加载-释放管片接头刚性转动约束，直至预定试验结束。

Claims (6)

1.一种可实现管片接头刚性转动约束可控的装置，其特征在于：包括反力架、两个侧面约束系统、底部气囊、气体驱动系统，两个侧面约束系统沿着管片接头宽度中心线呈对称结构，每个侧面约束系统包括钢壁筒、侧面气缸、螺旋钢筋、夹板；反力架由两个外固定板、两个内固定板、一个底板、两个连接杆以及若干螺母组成；反力架的两个外固定板和两个内固定板沿着管片接头宽度中心线呈对称结构，外固定板和内固定板位于管片接头宽度方向，钢壁筒固定于外固定板和内固定板；反力架的底板和两个连接杆位于管片接头高度方向；底部气囊位于反力架底板和管片接头之间；侧面气缸位于钢壁筒内部，一端固定于外固定板，一端连接夹板，螺旋弹簧位于侧面气缸外壁；气体驱动系统包括三个分支气管、控制气管、压力表、泄压孔和开关、阀门、进气管、气泵，分支气管将两个侧面气缸、底部气囊和控制气管连接，控制气管连接阀门，进气管连接阀门和气泵，控制气管上安装有压力表和泄压孔，泄压孔上有开关。

2.根据权利1所述的可实现管片接头刚性转动约束可控的装置，其特征在于：所述反力架的外固定板、内固定板、底板、连接杆均由高强、轻质合金材料组成。

3.根据权利1所述的可实现管片接头刚性转动约束可控的装置，其特征在于：所述侧面气缸外壁由柔性橡胶材料组成。

4.根据权利1所述的可实现管片接头刚性转动约束可控的装置，其特征在于：所述夹板由高强、轻质合金材料组成，夹板表面有刻纹。

5.根据权利1所述的可实现管片接头刚性转动约束可控的装置，其特征在于：所述侧面气缸外壁涂有润滑液，钢壁筒内壁涂有润滑液。

6.如权利要求1所述的可实现管片接头刚性转动约束可控的装置的实现方法，其特征在于：施加步骤为：

步骤1：建立可考虑管片接头张开、屈服、破坏全过程的盾构隧道整环分析模型，在该隧道整环分析模型中，管片接头采用管片接头界面法向只能受压的Interface模型，通过增量法计算加载全历程中整环管片衬砌以及管片接头的内力大小，包括轴力值、弯矩值以及弯矩性质(正弯矩或负弯矩)，根据管片接头弯矩性质确定管片接头的受压侧；

步骤2：绘制管片接头的弯矩-时程曲线，并计算管片接头的特征参数—张开弯矩，根据管片接头张开弯矩确定管片接头张开时的荷载步t₀，获得管片接头刚性转动约束的施加时间；

步骤3：组装反力架及侧面约束系统的两侧和底部部件，将夹板贴近管片接头宽度方向的环间平面，将底板贴近管片接头高度方向的环内受压侧的弧面，然后将连接杆穿过内固定板连接孔、外固定板连接孔，并通过螺栓将连接杆固定于外固定板之间；

步骤4：将侧面气缸、底部气囊与气体驱动系统连接；

步骤5：按照荷载方案加载，等荷载步达到t₀时，停止加载，气泵充气，通过夹板和底部气囊对管片接头施加刚性转动约束；

步骤6：施加一个荷载增量；

步骤7：增量荷载施加完成后，打开泄压孔的开关对侧面气缸和底部气囊泄压，释放管片接头的刚性转动约束；

步骤8：依次对管片接头施加刚性转动约束-增量荷载加载-释放管片接头刚性转动约束，直至试验结束。