一種管片接頭剛度可控變化的隧道模型試驗方法
【專利摘要】一種管片接頭剛度可控變化的隧道模型試驗方法，其作法是：A、制作模型:在模型隧道管片(1)的接頭端預埋電磁鐵(2)；B、儀器布置及初始化:在模型隧道管片(1)的接頭端的側面布置應變片(3)或位移計；向電磁鐵(2)通以設定的初始電流，使電磁鐵的磁力模擬接頭的初始剛度；C、加載試驗:根據每一階段的荷載和測得的位移值計算出相應的電磁鐵電流計算值，將下一級加載時電磁鐵的電流值改變成電流計算值，而模擬出每一階段的管片接頭的剛度。該方法試驗時管片接頭的剛度會隨荷載的變化而相應變化，更符合實際工程中隧道管片接頭的力學行為，其試驗測試數據更準確、可靠，能為隧道工程的設計、施工與維護提供準確、可靠的試驗依據。
【專利說明】一種管片接頭剛度可控變化的隧道模型試驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種管片接頭剛度可控變化的隧道模型試驗方法。
【背景技術】
[0002]隧道工程中，實際工程和結構的原型一般尺寸較大且較為復雜，其力學性能和受力機理往往無法通過對結構直接進行研究而獲得。而必須采用模型試驗，即:借助于模型，根據相似原理和相似準則進行試驗，從而得到結構的各項數據和性能，為隧道的設計和施工提供試驗依據。盾構隧道使用管片拼接而成，管片間存在接頭，管片接頭的連接方式有多種，通常采用的有螺栓接頭、無連接件接頭、插入式接頭、銷插式接頭。由于其結構特點，管片接頭在整個結構中的作用至關重要，不管是從宏觀的計算模型，或者是管片接頭的微觀構造，管片接頭處的結構形態、變形和應力狀態等均具有典型的非線性特征。而管片接頭處的剛度等力學性能變化，會對接頭處的接觸關系、結構整體的荷載，產生重要影響，特別是當荷載達到結構失穩臨界狀態時，對隧道結構整體受力狀態和變形具有非常大的影響。因此在試驗中，應該考慮管片接頭的力學性能的變化，以真實反映實際工作情況。
[0003]目前隧道模型試驗中模擬管片接頭剛度的方法有兩類:
[0004]第一類方法是對由聚乙烯管(PE管)等合成材料制作的模型，經過相似比計算后用螺絲+薄塑料片(PE片)對接頭進行模擬。該方法中采用的材料與混凝土力學性能差異較大，采用螺絲+PE片固定的方法不是實際接頭的連接方式，螺絲孔也削弱了整體結構的剛度，引起應力集中，其接頭的布置方式雖然可以調整，但是其受力機理與實際不同，不能真實反映接頭的力學性能。
[0005]第二類方法是對由石膏等膠凝材料制作的模型，采用在隧道襯砌結構受拉區割槽削弱截面的方式，通過計算確定對應于特定荷載工況各接頭所需的開口深度，在試驗前進行相應深度的割槽。但由于割槽的深度不能在試驗中隨荷載等因素變化，因此不能真實反映管片接頭在隧道開挖和運營過程中力學特性的變化。
[0006]而實際工程中的管片接頭的剛度是隨著荷載等外部環境的變化而改變的，因此，以上方法中對于接頭剛度的模擬，只能針對管片接頭特定的一種受力狀態，其實驗的剛度等力學性能在試驗過程中不能隨荷載等其他因素改變，與實際工程中隧道接頭的力學行為不符，導致這些模型試驗方法的試驗結果的誤差大，可靠性低，不能為隧道工程的設計、施工與維護提供準確、可靠的試驗依據。同時由于管片接頭剛度固定，現有接頭的模擬方法也不能夠研究管片接頭剛度對隧道結構整體的變形和受力狀態的影響。

【發明內容】

[0007]本發明的目的是提供一種管片接頭剛度可控變化的隧道模型試驗方法，該方法在隧道模型試驗過程中管片接頭的剛度會隨荷載的變化而相應變化，更加符合實際工程中隧道管片接頭的力學行為，從而其試驗測試數據更準確、可靠，能為隧道工程的設計、施工與維護提供準確、可靠的試驗依據。[0008]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是，一種管片接頭剛度可控變化的隧道模型試驗方法，其作法是:
[0009]A、制作模型制作出分離的模型隧道管片，并在模型隧道管片的接頭端預埋電磁鐵，并用模具將模型隧道管片對位拼成模型隧道；
[0010]B、儀器布置及初始化在模型隧道管片的接頭端的側面布置應變片或位移計；向電磁鐵通以設定的初始電流，使電磁鐵的磁力模擬管片間接頭的初始剛度；
[0011]C、加載試驗
[0012]對模型隧道逐級加載；每級加載后根據加載的荷載和應變片或位移計測得到的應變值或位移量，計算出模型隧道管片接頭端的內力，得到該階段對應的管片接頭剛度的電磁鐵的該階段電流值；然后通過電源向電磁鐵通以該階段電流值的電流，以模擬出模型隧道管片接頭在該階段的剛度，然后進行下一級的加載，直至加載完設定的級數或盾構隧道模型破壞。
[0013]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0014]1、將現有試驗中隧道結構接頭剛度固定不變改為隨荷載變化而相應變化，即根據每一階段的荷載和測得的位移值計算出相應的電磁鐵電流計算值，通過將電磁鐵中的電流值改變成電流計算值，而模擬出該階段的管片接頭的剛度。從而更加準確真實地模擬出隧道襯砌結構接頭剛度在實際工程中的非線性變化，更加符合實際工程中隧道接頭的力學行為，從而其試驗測試數據更準確、可靠，能為隧道工程的設計、施工與維護提供準確、可靠的試驗依據。
[0015]2、本發明方法可通過等效計算結果，對接頭的剛度進行定量控制，從而既可以通過實驗得到管片接頭在不同外部條件下的力學行為和破壞形態，也可以通過實驗得到在相應管片接頭剛度條件下，整個隧道結構在其他外部條件下的力學行為和破壞形態，方便研究隧道結構接頭剛度對整體結構的變形和受力狀態的影響。
[0016]上述的模型隧道管片的接頭端預埋的電磁鐵為多層，每層中的電磁鐵為多個。
[0017]采用多個多層電磁鐵進行管片接頭的剛度控制，可以更好地模擬實際隧道管片接頭處各部分不同的受力情況，從而更好地反映試驗中管片接頭真實的工作情況。
[0018]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步的詳細說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發明實施例的模擬管片接頭的結構示意圖。
[0020]圖2是實際管片接頭的受力狀態示意圖。
[0021]圖3是本發明實施例的模擬管片接頭的受力狀態示意圖。
[0022]圖4是本發明實施例的模擬管片接頭的力學特性曲線。
【具體實施方式】
[0023]實施例
[0024]圖1示出，本發明的一種【具體實施方式】為，一種管片接頭剛度可控變化的隧道模型試驗方法，其作法是:
[0025]A、制作模型制作出分離的模型隧道管片1，并在模型隧道管片I的接頭端預埋電磁鐵2，并用模具將模型隧道管片I對位拼成模型隧道；
[0026]B、儀器布置及初始化在模型隧道管片I的接頭端的側面布置應變片3或位移計；向電磁鐵2通以設定的初始電流，使電磁鐵的磁力模擬管片間接頭的初始剛度；
[0027]C、加載試驗
[0028]對模型隧道逐級加載；每級加載后根據加載的荷載和應變片3或位移計測得到的應變值或位移量，計算出模型隧道管片I接頭端的內力，得到該階段對應的管片接頭剛度的電磁鐵2的該階段電流值；然后通過電源向電磁鐵2通以該階段電流值的電流，以模擬出模型隧道管片I接頭在該階段的剛度，然后進行下一級的加載，直至加載完設定的級數或盾構隧道模型破壞。
[0029]本例的模型隧道管片I的接頭端預埋的電磁鐵2為多層，每層中的電磁鐵2為多個。
[0030]本發明中模擬管片接頭剛度的對應電流值的計算方法如下:
[0031]根據管片接頭的實際受力狀態，如圖2所示，由管片接頭抗彎剛度定義有:
[0032]Ke =M/θ ①
[0033]①式中Θ為接頭張開角度，由試驗設備測得；M為作用在接頭處的力偶。
[0034]由于接頭處受力復雜，在試驗中以多排電磁鐵進行模擬，其受力狀態如圖3所示，則有:
[0035]M=E FiIii ②
[0036]②式中比為各排電磁鐵到受壓區合力作用點的距離A為各排電磁鐵的吸力大小，通過電流控制，其計算公式按照以下經驗公式進行計算確定:
【權利要求】
1.一種管片接頭剛度可控變化的隧道模型試驗方法，其作法是: A、制作模型 制作出分離的模型隧道管片(I)，并在模型隧道管片(I)的接頭端預埋電磁鐵(2)，并用模具將模型隧道管片(I)對位拼成模型隧道； B、儀器布置及初始化 在模型隧道管片(I)的接頭端的側面布置應變片(3)或位移計；向電磁鐵(2)通以設定的初始電流，使電磁鐵的磁力模擬管片間接頭的初始剛度； C、加載試驗 對模型隧道逐級加載；每級加載后根據加載的荷載和應變片(3)或位移計測得到的應變值或位移量，計算出模型隧道管片(I)接頭端的內力，得到該階段對應的管片接頭剛度的電磁鐵(2)的該階段電流值；然后通過電源向電磁鐵(2)通以該階段電流值的電流，以模擬出模型隧道管片(I)接頭在該階段的剛度，然后進行下一級的加載，直至加載完設定的級數或盾構隧道模型破壞。
2.根據權利要求1所述的一種管片接頭剛度可控變化的隧道模型試驗方法，其特征在于:所述的模型隧道管片(I)的接頭端預埋的電磁鐵(2)為多層，每層中的電磁鐵(2)為多個。
【文檔編號】E21D9/00GK103953349SQ201410169143
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月24日 優先權日:2014年4月24日
【發明者】封坤, 何川, 齊春, 王均勇, 郭思良, 代聰 申請人:西南交通大學