CN205920016U - 一种铁路隧道底部结构动力模型试验装置 - Google Patents

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丁祖德
李夕松
张博
杜永刚
李晓琴
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Abstract

本实用新型公开了一种铁路隧道底部结构动力模型试验装置,包括基座、基底围岩模拟结构、隧道底部模拟结构、静力加载装置及动力加载装置。本实用新型可以模拟仰拱结构静动荷载耦合作用,可以模拟基底围岩状况、结构既有损伤,能够真实地模拟隧道仰拱结构实际服役环境和受力特性,具有试验装置结构简单、操作简便等优点。

Description

一种铁路隧道底部结构动力模型试验装置
技术领域
本实用新型涉及一种铁路隧道底部结构动力模型试验装置,具体涉及一种模拟铁路隧道底部结构列车振动响应的动力试验装置,属于隧道模型试验领域。
背景技术
隧道底部结构是隧道支护体系的重要组成部分,也是隧道病害发生最为严重的部位之一。许多既有铁路隧道经过一段时间的运营之后,隧道底部结构出现不同程度的开裂、破损、下陷以及翻浆冒泥等现象。隧道底部病害不仅恶化了行车条件,直接危及行车安全,而且常年维修加固耗费巨大,干扰正常运营,严重影响运营效率。随着我国铁路朝着高速化和重载化发展,高速铁路列车运行速度高,对隧道结构冲击力加大,对轨道平顺性要求很高,对隧道结构变形敏感,重载铁路列车轴重大,隧道底部结构承受更大的荷载,会增加底部病害的发生率,高速铁路和重载铁路隧道底部结构病害问题将会越发突出。
在对隧道的现场调查和病害整治中发现,隧道基底围岩膨胀、软化和脱空等是隧道底部结构服役过程中普遍存在的问题,此外,由于施工质量、养护等因素,铁路隧道结构不可避免地存在质量缺陷及初始裂纹等损伤,隧道底部结构承受列车动载反复作用,对质量缺陷、初始损伤敏感。因此,亟需考虑基底状况和初始损伤对铁路隧道底部结构服役性能的影响,开展铁路隧道底部结构动力模型试验。目前,已有一些针对试验,但在现有的模型试验装置中,都是直接将底部结构置于围岩之上,没有考虑底部结构所受的静力作用,而且均从理想状态入手,忽略了底部结构实际赋存环境和服役状况。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种受力明确、结构简单、操作方便,并且能考虑基底围岩状况、仰拱所受静力及缺陷损伤的隧道底部结构动力模型试验装置。
为解决上述技术问题,本实用新型采用以下技术方案:一种铁路隧道底部结构动力模型试验装置,包括基座1、基底围岩模拟结构、隧道底部模拟结构、静力加载装置及动力加载装置;
所述围岩模拟结构包括弹簧16和橡胶粒20,所述弹簧16下端固定在基座1上,上端固定在仰拱10上,橡胶粒20分散在弹簧16之间;
所述隧道底部模拟结构包括仰拱10、填充层11及钢轨12,三者从下到上依次固定;
所述静力加载装置包括滑动支座3、U型传力架4、横向千斤顶5、竖向千斤顶6和轴向千斤顶9,所述滑动支座3位于围岩模拟结构两端且其底部固定在基座1上,滑动支座3的侧面设有横向千斤顶5并固定在基座1上;所述U型传力架4固定在滑动支座3上,U型传力架4内设有轴向千斤顶9并与仰拱10的两端相连, U型传力架4上端设有竖向千斤顶6并与基座1相连;
所述动力加载装置包括MTS作动器14和钢梁13,两者设置于钢轨12上。
所述基座1上设有导槽2,滑动支座3固定在导槽2中。
所述U型传力架4通过旋转轴承7固定在滑动支座3上。
所述U型传力架4通过螺栓8固定在仰拱10两端。
所述弹簧16沿模型宽度方向成排分布,下端固定在金属薄片18上,金属薄片18固定在基座1上的卡槽17中,弹簧16上端通过接触板19固定在仰拱10底部。
本实用新型的工作原理:模型试验需要确定基座和隧道底部模拟结构的尺寸,通过预制不同分布形态及尺寸的裂缝来模拟仰拱的初始缺陷损伤,基底围岩模拟结构中的弹簧数目及橡胶粒密度按试验要求设定,通过改变弹簧刚度、移去部分弹簧以及改变部分弹簧刚度可模拟不同基底围岩状况。在仰拱端部设置千斤顶来施加仰拱结构静载,在底部结构钢轨上方连接动载分配钢梁和MTS作动器来施加底部结构动载。试验时,采用声发射仪进行实时测试,待加载一定次数后将构件拆下进行观察测量,明确裂纹扩展情况与声发射数之间的关系,再继续加载直至破坏或作用次数达到设定循环次数,切片进行电镜扫描,观察其破坏特征。
本实用新型的有益效果:本实用新型试验装置结构简单、操作方便,可适用于多种尺寸的模型试验,可以有效模拟隧道底部结构初始裂缝、基底局部空洞及基底围岩软化等基底状况、仰拱所受静力和动力耦合作用,使得隧道底部结构模型试验更加符合实际服役环境和受力状况。
附图说明
图1为本实用新型的模型试验装置主视图;
图2为滑动支座与模型基座的连接示意图;
图3为弹簧下端结构图;
图4为弹簧两端结构图;
图中各标号:1—基座;2—导槽;3—滑动支座;4—U型传力架;5—横向千斤顶;6—竖向千斤顶;7—旋转轴承;8—螺栓;9—轴向千斤顶;10—仰拱;11—填充层;12—钢轨;13—钢梁;14—MTS作动器;15—预制裂缝;16—弹簧;17—卡槽;18—金属薄片;19—接触板;20—橡胶粒。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示:一种铁路隧道底部结构动力模型试验装置,包括基座1、基底围岩模拟结构、隧道底部模拟结构、静力加载装置及动力加载装置;
所述围岩模拟结构包括弹簧16和橡胶粒20,用以模拟围岩弹性性能和模拟围岩阻尼性能,所述弹簧16下端固定在基座1上,上端固定在仰拱10上,橡胶粒20分散在弹簧16之间;
所述隧道底部模拟结构包括仰拱10、填充层11及钢轨12,三者从下到上依次固定;
所述静力加载装置包括滑动支座3、U型传力架4、横向千斤顶5、竖向千斤顶6和轴向千斤顶9,所述滑动支座3位于围岩模拟结构两端且其底部固定在基座1上,滑动支座3的侧面设有横向千斤顶5并固定在基座1上;所述U型传力架4固定在滑动支座3上,U型传力架4内设有轴向千斤顶9并与仰拱10的两端相连,U型传力架4上端设有竖向千斤顶6并与基座1相连;本设计的静力加载装置具有水平、竖向和轴向加载功能,可很方便对仰拱10施加不同组合下的静荷载。
所述动力加载装置包括MTS作动器14和钢梁13,两者设置于钢轨12上,MTS作动器14用于对隧道底部模拟结构施加竖向动载,钢梁13用于分配动荷载,以模拟列车反复振动作用。
所述U型传力架4通过旋转轴承7固定在滑动支座3上。
所述U型传力架4通过螺栓8固定在仰拱10两端。
如图2所示:所述基座1上设有导槽2,滑动支座3固定在导槽2中,与基座实现滑动连接。
如图3-4所示所述弹簧16沿模型宽度方向成排分布,下端固定在金属薄片18上,金属薄片18固定在基座1上的卡槽17中,弹簧16上端通过接触板19固定在仰拱10底部。进行试验时金属薄片18整块插入卡槽17内,移除更换弹簧16时,将金属薄片18抽出,更换为具有不同刚度弹簧16或个别弹簧16缺失的金属薄片18以模拟不同基底围岩状况。
仰拱10通过预制不同方向、尺寸及位置的裂缝15来实现仰拱结构的初始损伤。基底围岩模拟结构中的弹簧16数目及橡胶粒20密度均可根据需要调节实现不同的围岩情况,本试验装置结构简单,方便拆卸,在动力模型试验过程中,在采用动位移计、应变片及压力盒进行常规测试外,还可采用声发射仪进行实时测试,待加载一定次数后将构件拆下进行观察测量,明确疲劳裂纹扩展情况与声发射数之间的关系,再继续加载直至破坏或作用次数达到设定循环次数,切片进行电镜扫描,并观察其破坏特征。
上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明,但是本实用新型并不限于上述实施例,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种铁路隧道底部结构动力模型试验装置,包括基座(1)、基底围岩模拟结构、隧道底部模拟结构、静力加载装置及动力加载装置,其特征在于:
所述围岩模拟结构包括弹簧(16)和橡胶粒(20),所述弹簧(16)下端固定在基座(1)上,上端固定在仰拱(10)上,橡胶粒(20)分散在弹簧(16)之间;
所述隧道底部模拟结构包括仰拱(10)、填充层(11)及钢轨(12),三者从下到上依次固定;
所述静力加载装置包括滑动支座(3)、U型传力架(4)、横向千斤顶(5)、竖向千斤顶(6)和轴向千斤顶(9),所述滑动支座(3)位于围岩模拟结构两端且其底部固定在基座(1)上,滑动支座(3)的侧面设有横向千斤顶(5)并固定在基座(1)上;所述U型传力架(4)固定在滑动支座(3)上,U型传力架(4)内设有轴向千斤顶(9)并与仰拱(10)的两端相连, U型传力架(4)上端设有竖向千斤顶(6)并与基座(1)相连;
所述动力加载装置包括MTS作动器(14)和钢梁(13),两者设置于钢轨(12)上。
2.根据权利要求1所述的铁路隧道底部结构动力模型试验装置,其特征在于:所述基座(1)上设有导槽(2),滑动支座(3)固定在导槽(2)中。
3.根据权利要求1所述的铁路隧道底部结构动力模型试验装置,其特征在于:所述U型传力架(4)通过旋转轴承(7)固定在滑动支座(3)上。
4.根据权利要求1所述的铁路隧道底部结构动力模型试验装置,其特征在于:所述U型传力架(4)通过螺栓(8)固定在仰拱(10)两端。
5.根据权利要求1所述的铁路隧道底部结构动力模型试验装置,其特征在于:所述弹簧(16)沿模型宽度方向成排分布,下端固定在金属薄片(18)上,金属薄片(18)固定在基座(1)上的卡槽(17)中,弹簧(16)上端通过接触板(19)固定在仰拱(10)底部。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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