CN219369407U - 一种隧道支护机构的双向加载试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种隧道支护机构的双向加载试验装置，包括对隧道支护机构进行支撑的水平反力架，所述水平反力架的一端安装有对隧道支护机构进行水平加载的水平加载装置；位于隧道支护机构的上方设有对隧道支护机构进行竖向加载的竖向反力架。通过水平加载装置对隧道支护机构施加水平荷载，通过竖向反力架对隧道支护机构施加垂直荷载，实现对隧道支护机构进行双向加载试验。本实用新型通过水平加载装置和端部移动支撑座对待检测的隧道支护机构进行水平夹持，水平加载装置对其施加水平荷载；通过竖向反力架对隧道支护机构施加垂直荷载，实现了双向加载试验。

Description

一种隧道支护机构的双向加载试验装置

技术领域

本实用新型涉及隧道工程设备技术领域，特别涉及一种隧道支护机构的双向加载试验装置。

背景技术

高强度钢管支护结构具有强度高、刚度大、韧性好、耐腐蚀等一系列优良特性，而且可焊性能优异，被广泛用于桥梁、船舶、锅炉、车辆及重要建筑结构中。将其用于地下隧道工程的初期支护当中也可以很好地发挥出材料性能特点，能够提供强力径向支护以确保支护效果，有效保障隧道施工安全与长期稳定。并且，我国无缝钢管整体生产制造工艺成熟，设备先进，品类齐全。使用高强度结构钢管制作的钢管格栅拱架，可简化制造工序，节约材料和加工工时。

通过室内模型加载试验测定隧道支护机构力学性能是确保隧道结构安全的重要手段之一。大部分用于测试拱架构件或混凝土构件的试验装置仅进行纯弯曲加载，试验装置只提供竖向荷载，无法进行水平和竖直方向的双向加载，故难以准确地反映出其实际的受力状态。此外，大型构件多简化为缩尺模型，与足尺模型的破坏强度等试验结果存在一定偏差。目前用于大型构件试验的加载装置较为笨重，不易制作和运输。因此，为了更好地开展地下工程大型足尺钢管格栅支护结构的力学加载试验，亟需实用新型一种新型的隧道高强度钢管格栅支护结构的双向加载试验装置及试验方法。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种隧道支护机构的双向加载试验装置，该双向加载试验装置具有结构简单、操作简便、适用性强、可实现多种加载方式的特点，解决了传统试验装置加载稳定性差及适用范围小的不足，为真实模拟地下工程支护结构受力特征与研究结构变形破坏规律提供基础条件。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种隧道支护机构的双向加载试验装置，包括对隧道支护机构进行支撑的水平反力架，所述水平反力架的一端安装有对隧道支护机构进行水平加载的水平加载装置；位于隧道支护机构的上方设有对隧道支护机构进行竖向加载的竖向反力架。

进一步方案，所述水平加载装置包括与所述水平反力架连接的连接C形板，所述连接C形板的一侧安装有固定套筒，所述固定套筒内部安装有水平千斤顶，所述水平千斤顶的柱塞端安装有水平压力传感器。

进一步方案，位于水平加载装置相对端的水平反力架上安装有端部移动支撑座，所述端部移动支撑座包括水平加载块，所述水平加载块通过连杆与连接板固定连接，所述连接板上套设有C形的连接卡套，所述连接卡套与水平反力架连接并沿其移动，并通过连接螺栓进行固定。

优选的，所述水平反力架包括支腿与固定在支腿顶端的框体，所述框体包括对称设置的两个长边框和两个短边框，所述水平加载装置、端部移动支撑座相对安装在两个短边框的内侧壁上；所述长边框、短边框均为HW型钢结构，两个长边框之间连接有移动支撑板，所述移动支撑板的两端沿着长边框移动并通过螺栓固定在长边框上；所述隧道支护机构架设在移动支撑板上，其两端由所述水平加载装置、端部移动支撑座进行夹持；所述水平加载装置对隧道支护机构施加水平荷载。

进一步方案，所述支腿与长边框固定连接，位于中间支腿的中间安装有位移传感器用于检测隧道支护机构的竖向挠度和接缝张开量；所述支腿的底端固定安装有垫块。

进一步方案，所述竖向反力架包括设置在水平反力架两外侧的支柱，两个所述支柱之间通过连接梁连接，所述连接梁上固设有竖向千斤顶，所述竖向千斤顶的柱塞端安装有竖向压力传感器。

更优选的，所述竖向千斤顶的柱塞端固设有分配梁，所述分配梁的底端面对称安装有竖向加载块，所述竖向加载块与隧道支护机构的顶端面相接触，通过竖向千斤顶对隧道支护机构施加垂直荷载。

所述支柱的底端通过地锚螺栓固定。

本实用新型中一种隧道支护机构的双向加载试验装置的试验方法，其包括以下步骤：

S1、调节水平反力架上的移动支撑板的位置，然后将待测的隧道支护机构放置在移动支撑板上，并使竖向反力架上的竖向加载块位于隧道支护机构的检测点上；

S2、调节水平加载装置和端部移动支撑座的位置，使隧道支护机构的两端分别被水平加载装置上的水平千斤顶与端部移动支撑座进行夹持；

S3、启动水平加载装置，使得水平千斤顶朝着隧道支护机构的方向移动施加水平荷载，通过水平压力传感器获得水平荷载Nx；

S4、操控竖向反力架，使得竖向千斤顶向下施加垂直荷载，通过竖向压力传感器检测到垂直荷载F；

则

其中e为偏心距，e＝M/N，N＝Nx，

N、M分别为隧道支护机构中间连接部位截面的轴力、弯矩，

Nx为水平千斤顶施加的水平荷载，F为竖向千斤顶施加的垂直荷载，Fy为移动支撑板的支撑力，L1为竖向加载块至隧道支护机构中间连接部位的距离，L2为移动支撑板至隧道支护机构中间连接部位的距离；

在检测时，可人为规定隧道支护机构在水平方向上受压时轴力为正，使隧道支护机构下侧受拉的弯矩为正，对应正偏心距，反之为负。

综上所述，本实用新型具有的优点和积极效果是：本实用新型结构简单、适用性强，实现了双向加载试验。

本实用新型通过水平加载装置和端部移动支撑座对待检测的隧道支护机构进行水平夹持，水平加载装置对其施加水平荷载；通过竖向反力架对隧道支护机构施加垂直荷载。并且水平加载装置和端部移动支撑座是通过螺栓固定在水平反力架上的，方便拆装和安装，便于试验场地管理。

本实用新型中端部移动支撑座和移动支撑板的设置进一步提高了试验装置的可操作性及适用范围，更易模拟测试构件的受力状态及加载路径。

本实用新型采用上述装置和方法即可得出隧道支护机构的水平方向和垂直方向的双向加载荷载，从而能很准确地反映出隧道支护机构的实际受力状态，并为真实模拟地下工程支护结构受力特征与研究结构变形破坏规律提供基础条件。

附图说明

图1为本实用新型的结构立体图，

图2为本实用新型的正视图，

图3为本实用新型的侧视图，

图4为本实用新型中水平反力架的结构示意图，

图5为本实用新型中竖向反力架的结构示意图，

图6为本实用新型中水平加载装置的结构示意图，

图7为本实用新型中端部移动支撑座的结构示意图。

图中：1-水平反力架，11-长边框，12-短边框，13-支腿，14-垫块，15-移动支撑板；

2-竖向反力架，21-支柱，22-连接梁，23-竖向千斤顶，24-竖向压力传感器，25-分配梁，26-竖向加载块，27-地锚螺栓；

3-水平加载装置，31-连接C形板，32-固定套筒，33-水平千斤顶，34-水平压力传感器；

4-端部移动支撑座，41-水平加载块，42-连杆，43-连接卡套，44-连接螺栓，45-连接板；

5-隧道支护机构，6-位移传感器。

具体实施方式

为能进一步了解本申请实施例的实用新型内容及特点，结合附图对本申请实施例进行详细的说明。

实施例1：

如图1-3所示，一种隧道支护机构的双向加载试验装置，包括对隧道支护机构5进行支撑的水平反力架1，所述水平反力架1的一端安装有对隧道支护机构5进行水平加载的水平加载装置3；位于隧道支护机构5的上方设有对隧道支护机构5进行竖向加载的竖向反力架2。通过水平加载装置3对隧道支护机构5施加水平荷载，通过竖向反力架2对隧道支护机构5施加垂直荷载，实现对隧道支护机构5进行双向加载试验。

进一步方案，所述水平加载装置3结构如图6所示，其包括与所述水平反力架2连接的连接C形板31，所述连接C形板31的一侧安装有固定套筒32，所述固定套筒32内部安装有水平千斤顶33，所述水平千斤顶33的柱塞端安装有水平压力传感器34，水平压力传感器34用于检测水平千斤顶33的施力荷载数。

进一步方案，位于水平加载装置3相对端的水平反力架1上安装有端部移动支撑座4，具体结构如图7所示，端部移动支撑座4包括水平加载块41，所述水平加载块41通过连杆42与连接板45固定连接，所述连接板45上套设有C形的连接卡套43，所述连接卡套43与水平反力架2连接并沿其移动，最后通过连接螺栓44固定在水平反力架2上。端部移动支撑座4可在水平反力架2上进行移动，其水平加载块41与待测的隧道支护机构5的端部抵接，从而在水平方向上改变对隧道支护机构5施力加载点的位置，可实现对隧道支护机构5的轴心加载和偏心加载，并能调整加载点与轴心的距离，可满足不同偏心距下的加载。

水平反力架1如图4所示，包括支腿13与固定在支腿顶端的框体，所述框体包括对称设置的两个长边框11和两个短边框12，所述水平加载装置3、端部移动支撑座4相对安装在两个短边框12的内侧壁上；所述长边框11、短边框12均为HW型钢结构，两个长边框11之间连接有移动支撑板15，所述移动支撑板15的两端沿着长边框11移动并通过螺栓固定在长边框11上；所述隧道支护机构5架设在移动支撑板15上，其两端由所述水平加载装置3、端部移动支撑座4进行夹持；所述水平加载装置3对隧道支护机构5施加水平荷载。

移动支撑板15用于支撑隧道支护机构5，其在长边框11可移动，调整到位置后通过螺栓固定在长边框11上。从而能够方便改变支撑点的位置，能满足不同构件的加载试验。

进一步方案，所述支腿13与长边框11固定连接，位于中间支腿13的中间安装有位移传感器6用于检测隧道支护机构5的竖向挠度和接缝张开量；所述支腿13的底端固定安装有垫块14。

如图5所示，竖向反力架2包括设置在水平反力架1两外侧的支柱21，所述支柱21的底端通过地锚螺栓27固定。两个所述支柱21之间通过连接梁22连接，所述连接梁22上固设有竖向千斤顶23，所述竖向千斤顶23的柱塞端安装有竖向压力传感器24。即竖向反力架2架设在水平反力架1的两外侧，竖向千斤顶23正好位于待测的隧道支护机构5的正上方，竖向压力传感器24用于检测竖向千斤顶23施加的垂直荷载。

竖向千斤顶23的柱塞端固设有分配梁25，所述分配梁25的底端面对称安装有竖向加载块26，所述竖向加载块26与隧道支护机构5的顶端面相接触，通过竖向千斤顶23对隧道支护机构5施加垂直荷载。

本实施例中隧道支护机构5为高强度钢管格栅拱架，其放置于水平反力架1上的移动支撑板15上。检测时，使加载块26和分配梁25的位置对中，确保竖向压力作用在钢管格栅拱架的节点处。其中，高强度钢管格栅拱架采用9根高强度无缝钢管相互之间呈三角形布置方式形成主受力件，主肢钢管之间通过焊接U形筋和π形筋达到稳定状态，整环拱架中节点处采用高强度螺栓和端板作为连接件。先启动水平加载装置3，使得水平千斤顶33朝着高强度钢管格栅拱架的方向移动，确保彼此稳定接触，通过水平压力传感器34检测施加的水平荷载，完成在水平面内的加载试验。操控竖向反力架2，使得竖向千斤顶23向高强度钢管格栅拱架施力，通过竖向压力传感器25检测施加的垂直荷载，完成在竖直平面内的加载试验。水平压力传感器和竖向压力传感与控制器相连，对加载过程中的压力值进行记录并在显示器上显示。

实施例2：

一种隧道支护机构的双向加载试验装置的试验方法，其包括以下步骤：

S1、调节水平反力架1上的移动支撑板15的位置，然后将待测的隧道支护机构5放置在移动支撑板15上，并使竖向反力架2上的竖向加载块26位于隧道支护机构5的检测点上；

S2、调节水平加载装置3和端部移动支撑座4的位置，使隧道支护机构5的两端分别被水平加载装置3上的水平千斤顶33与端部移动支撑座4进行夹持；

S3、启动水平加载装置3，使得水平千斤顶33朝着隧道支护机构5的方向移动施加水平荷载，通过水平压力传感器34获得水平荷载Nx；

S4、操控竖向反力架2，使得竖向千斤顶23向下施加垂直荷载，通过竖向压力传感器24检测到垂直荷载F；

具体的为：由水平方向力的平衡∑F_x＝0得

N＝N_x

由隧道支护机构的跨中力矩平衡∑M＝0得

则

又由偏心距e＝M/N，即M＝Ne，可得

则

N、M分别为隧道支护机构5中间连接部位截面的轴力、弯矩，

Nx为水平千斤顶施加的水平荷载，F为竖向千斤顶施加的垂直荷载，Fy为移动支撑板15的支撑力，L1为竖向加载块26至隧道支护机构5中间连接部位的距离，L2为移动支撑板15至隧道支护机构5中间连接部位的距离；

在实际操作过程中可规定隧道支护机构5在水平方向上受压时轴力为正，使隧道支护机构5下侧受拉的弯矩为正，对应正偏心距，反之为负。

采用上述方法和公式即可得出隧道支护机构的水平方向和垂直方向的双向加载荷载，从而能很准确地反映出隧道支护机构的实际受力状态，并为真实模拟地下工程支护结构受力特征与研究结构变形破坏规律提供基础条件。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种隧道支护机构的双向加载试验装置，其特征在于：包括对隧道支护机构(5)进行支撑的水平反力架(1)，所述水平反力架(1)的一端安装有对隧道支护机构(5)进行水平加载的水平加载装置(3)；位于隧道支护机构(5)的上方设有对隧道支护机构(5)进行竖向加载的竖向反力架(2)。

2.根据权利要求1所述的双向加载试验装置，其特征在于：所述水平加载装置(3)包括与所述水平反力架(1)连接的连接C形板(31)，所述连接C形板(31)的一侧安装有固定套筒(32)，所述固定套筒(32)内部安装有水平千斤顶(33)，所述水平千斤顶(33)的柱塞端安装有水平压力传感器(34)。

3.根据权利要求1所述的双向加载试验装置，其特征在于：位于水平加载装置(3)相对端的水平反力架(1)上安装有端部移动支撑座(4)，所述端部移动支撑座(4)包括水平加载块(41)，所述水平加载块(41)通过连杆(42)与连接板(45)固定连接，所述连接板(45)上套设有C形的连接卡套(43)，所述连接卡套(43)与水平反力架(1)连接并沿其移动，并通过连接螺栓(44)进行固定。

4.根据权利要求3所述的双向加载试验装置，其特征在于：所述水平反力架(1)包括支腿(13)与固定在支腿顶端的框体，所述框体包括对称设置的两个长边框(11)和两个短边框(12)，所述水平加载装置(3)、端部移动支撑座(4)相对安装在两个短边框(12)的内侧壁上；所述长边框(11)、短边框(12)均为HW型钢结构，两个长边框(11)之间连接有移动支撑板(15)，所述移动支撑板(15)的两端沿着长边框(11)移动并通过螺栓固定在长边框(11)上；所述隧道支护机构(5)架设在移动支撑板(15)上，其两端由所述水平加载装置(3)、端部移动支撑座(4)进行夹持；所述水平加载装置(3)对隧道支护机构(5)施加水平荷载。

5.根据权利要求4所述的双向加载试验装置，其特征在于：所述支腿(13)与长边框(11)固定连接，位于中间支腿(13)的中间安装有位移传感器(6)用于检测隧道支护机构(5)的竖向挠度和接缝张开量；所述支腿(13)的底端固定安装有垫块(14)。

6.根据权利要求1所述的双向加载试验装置，其特征在于：所述竖向反力架(2)包括设置在水平反力架(1)两外侧的支柱(21)，两个所述支柱(21)之间通过连接梁(22)连接，所述连接梁(22)上固设有竖向千斤顶(23)，所述竖向千斤顶(23)的柱塞端安装有竖向压力传感器(24)。

7.根据权利要求6所述的双向加载试验装置，其特征在于：所述竖向千斤顶(23)的柱塞端固设有分配梁(25)，所述分配梁(25)的底端面对称安装有竖向加载块(26)，所述竖向加载块(26)与隧道支护机构(5)的顶端面相接触，通过竖向千斤顶(23)对隧道支护机构(5)施加垂直荷载。

8.根据权利要求6所述的双向加载试验装置，其特征在于：所述支柱(21)的底端通过地锚螺栓(27)固定。