一種地鐵盾構(gòu)隧道管片接頭的短期主動加固方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種地鐵盾構(gòu)隧道管片接頭的短期主動加固方法，包括：（1）在盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)的封頂塊與鄰接塊的接頭部位預(yù)留形狀記憶合金螺栓安裝孔，封頂塊中手孔的大小應(yīng)便于形狀記憶合金螺栓的裝卸；（2）當(dāng)封頂塊與鄰接塊的接頭張開量過大，或封頂塊與鄰接塊的外弧面混凝土壓應(yīng)變過大，或封頂塊與鄰接塊的連接鋼螺栓拉應(yīng)變過大時，將預(yù)拉伸過的形狀記憶合金螺栓裝入封頂塊與鄰接塊的接頭部位預(yù)留的形狀記憶合金螺栓安裝孔中；（3）對形狀記憶合金螺栓進行加熱，使其溫度達到奧氏體相變結(jié)束溫度以上并基本保持不變。本發(fā)明方法具有加固效果好、操作簡單快捷、經(jīng)濟性好、加固部件可重復(fù)使用、加固期間不影響地鐵正常運營等優(yōu)點。
【專利說明】—種地鐵盾構(gòu)隧道管片接頭的短期主動加固方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土木工程結(jié)構(gòu)智能控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種采用形狀記憶合金螺栓的地鐵盾構(gòu)隧道管片接頭的短期主動加固方法。
【背景技術(shù)】
[0002]形狀記憶合金是一種兼有感知和驅(qū)動功能的功能材料，目前已廣泛應(yīng)用于儀器儀表、自動控制、航空航天、醫(yī)療器具、汽車工程、土木工程、機器人等領(lǐng)域。
[0003]形狀記憶合金在土木工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用包括被動控制和主動控制兩個方面，其中后者主要是利用形狀記憶合金特有的形狀記憶效應(yīng)，將常溫下處于馬氏體狀態(tài)的形狀記憶合金固設(shè)在土木工程結(jié)構(gòu)中，環(huán)境作用下結(jié)構(gòu)的變形會誘發(fā)形狀記憶合金產(chǎn)生變形，或者在結(jié)構(gòu)發(fā)生變形之后再將預(yù)處理過的形狀記憶合金固設(shè)在結(jié)構(gòu)中，此時只要將形狀記憶合金加熱至其奧氏體相變結(jié)束溫度以上，形狀記憶合金就會呈現(xiàn)出獨特的形狀記憶效應(yīng)，進而對土木工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的回復(fù)力以減小土木工程結(jié)構(gòu)的變形，從而達到修復(fù)或加固結(jié)構(gòu)的目的。
[0004]目前，人們對采用形狀記憶合金進行土木工程結(jié)構(gòu)修復(fù)或減小結(jié)構(gòu)變形的研究很多，大多是將形狀記憶合金用于梁、柱、板、橋墩、梁柱節(jié)點等結(jié)構(gòu)中，但是還沒有將形狀記憶合金用于地下結(jié)構(gòu)，例如用于地鐵盾構(gòu)隧道管片的相關(guān)研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種簡單、經(jīng)濟、高效的采用形狀記憶合金螺栓對地鐵盾構(gòu)隧道管片接頭進行短期主動加固的方法。該加固方法主要用于盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)的封頂塊與鄰接塊的接頭的加固，加固地鐵盾構(gòu)隧道管片接頭的前提是新建地鐵盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)的封頂塊與鄰接塊的接頭部位要有預(yù)留的形狀記憶合金螺栓安裝孔。當(dāng)?shù)罔F盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)的封頂塊與鄰接塊的接頭結(jié)構(gòu)損傷較大時，將預(yù)拉伸過的形狀記憶合金螺栓裝入管片的預(yù)留的形狀記憶合金螺栓安裝孔中，利用形狀記憶合金螺栓對盾構(gòu)管片接頭產(chǎn)生的閉合回復(fù)力，促使封頂塊與鄰接塊的接頭張開量、連接鋼螺栓拉應(yīng)變以及外弧面混凝土壓應(yīng)變均減小，從而實現(xiàn)地鐵盾構(gòu)隧道管片接頭的加固。
[0006]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):
[0007]—種地鐵盾構(gòu)隧道管片接頭的短期主動加固方法，包括以下步驟:
[0008]( I)在盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)的封頂塊與鄰接塊的接頭部位預(yù)留形狀記憶合金螺栓安裝孔，封頂塊中手孔的大小應(yīng)便于形狀記憶合金螺栓的裝卸；
[0009](2)當(dāng)封頂塊與鄰接塊的接頭張開量過大，或封頂塊與鄰接塊的外弧面混凝土壓應(yīng)變過大，或封頂塊與鄰接塊的連接鋼螺栓拉應(yīng)變過大時，將預(yù)拉伸過的形狀記憶合金螺栓裝入封頂塊與鄰接塊的接頭部位預(yù)留的形狀記憶合金螺栓安裝孔中；
[0010](3)對形狀記憶合金螺栓進行加熱，使其溫度達到奧氏體相變結(jié)束溫度以上并基本保持不變(當(dāng)現(xiàn)有的長期被動加固完成后，即可停止加熱并取下形狀記憶合金螺栓，該溫度持續(xù)時間即為現(xiàn)有的長期被動加固時間，如果現(xiàn)有的長期被動加固方法采用粘貼纖維布力口固法，則加熱時間可為膠黏劑完全固化的時間)。
[0011]優(yōu)選的，步驟(3)所述基本保持不變是在完成長期被動加固所需時間內(nèi)保持形狀記憶合金螺栓溫度在奧氏體相變結(jié)束溫度以上。
[0012]優(yōu)選的，所述盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)的封頂塊與鄰接塊的接頭部位預(yù)留的形狀記憶合金螺栓安裝孔的數(shù)量宜與所述封頂塊與鄰接塊的連接鋼螺栓的數(shù)量相等。
[0013]優(yōu)選的，所述形狀記憶合金螺栓為雙頭螺栓，墊圈和螺母由普通鋼材制成。
[0014]優(yōu)選的，所述形狀記憶合金螺栓的直徑不小于所述封頂塊與鄰接塊的連接鋼螺栓的直徑。
[0015]優(yōu)選的，所述形狀記憶合金螺栓在常溫下處于馬氏體狀態(tài)。
[0016]優(yōu)選的，所述形狀記憶合金螺栓的預(yù)拉伸應(yīng)變?yōu)?%?6%。
[0017]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果:
[0018](I)本發(fā)明加固方法可用于盾構(gòu)隧道管片接頭的緊急加固，可在2個小時內(nèi)完成加固，而現(xiàn)有的其他加固方法很難做到。
[0019](2)本發(fā)明加固方法的形狀記憶合金螺栓作為加固設(shè)備，而不是永久性結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可重復(fù)使用，經(jīng)濟性好。
[0020](3)本發(fā)明加固方法操作簡單，形狀記憶合金螺栓方便裝卸，不占隧道空間，不影響地鐵的正常運營。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是實例中加固方法的加固對象，封頂塊與兩個鄰接塊的接頭部位的正視示意圖。
[0022]圖2是圖1所示加固對象中封頂塊與兩個鄰接塊的接頭部位的俯視示意圖。
[0023]圖3是圖1所示盾構(gòu)管片的A-A向剖面示意圖。
[0024]圖4是圖1所示盾構(gòu)管片的B-B向剖面示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0026]如圖1和圖2所示，本實施方式主要針對地鐵盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)的封頂塊I與兩個鄰接塊2的接頭部位，封頂塊的手孔3采用大手孔是為了方便形狀記憶合金螺栓的裝卸，形狀記憶合金螺栓和連接鋼螺栓4的形狀均為地鐵盾構(gòu)隧道最常用的雙頭直螺栓形狀。
[0027]如圖2、圖3和圖4所示，本實施方式加固地鐵盾構(gòu)隧道管片接頭的前提是新建地鐵盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)的封頂塊與鄰接塊的接頭部位要預(yù)留形狀記憶合金螺栓的安裝孔5，這也是與現(xiàn)有地鐵盾構(gòu)隧道主要的不同點。
[0028]圖2中的6是縱向螺栓孔，圖4中的7是螺母，8是墊圈，9是混凝土管片內(nèi)部的鋼筋。
[0029]實施例1
[0030]圖1和圖2所示的是由封頂塊與兩個鄰接塊組成的兩個管片接頭，本實施例僅對襯砌環(huán)中的封頂塊I和其中一個鄰接塊2組成的一個管片接頭進行加固，盾構(gòu)管片以上海地鐵13號線的淺埋層的盾構(gòu)管片為模板，封頂塊和鄰接塊的圓心角的角度均為22度，寬1.2m,厚0.35m,內(nèi)徑5.5m,外徑6.2m,管片的材料為C55混凝土 ；封頂塊和鄰接塊的接頭使用2個連接鋼螺栓，連接鋼螺栓為5.8級，直徑30mm，長485mm ;形狀記憶合金螺栓直徑30mm，長490mm，形狀記憶合金的馬氏體相變結(jié)束溫度為5.27°C，馬氏體相變開始溫度為31.68°C，奧氏體相變開始溫度為47.80°C，奧氏體相變結(jié)束溫度為76.76°C ;形狀記憶合金螺栓預(yù)拉伸5.8%，加熱至160°C時形狀記憶合金螺栓的回復(fù)力達到峰值。
[0031]通過豎向千斤頂和水平千斤頂加載來分別模擬豎向土壓力和側(cè)向土壓力，保持側(cè)向土壓力為500kN不變，不斷地加大豎向土壓力，直至封頂塊I和鄰接塊2的接頭張開量達到3mm，然后豎向土壓力和側(cè)向土壓力均保持不變，對該管片接頭進行加固。
[0032]地鐵盾構(gòu)隧道管片接頭的短期主動加固方法，包括以下步驟:
[0033]( I)在盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)的封頂塊與鄰接塊的接頭部位預(yù)留形狀記憶合金螺栓安裝孔5，預(yù)留形狀記憶合金螺栓安裝孔孔徑為42_ ；
[0034](2)將兩個形狀記憶合金螺栓從封頂塊的手孔3分別裝入兩個預(yù)留的形狀記憶合金螺栓安裝孔5中，并裝上墊圈，擰緊螺母；
[0035](3)對形狀記憶合金螺栓進行加熱，本實施例采用4條表面絕緣碳素合金電熱絲通電對兩個形狀記憶合金螺栓傳熱的方法間接對形狀記憶合金螺栓進行加熱，加熱I個小時左右，形狀記憶合金螺栓的溫度升至160°C ；
[0036]經(jīng)過本實施例采用形狀記憶合金螺栓的加固方法進行加固后，盾構(gòu)管片接頭的接頭張開量減小62%，管片接頭外弧面混凝土最大壓應(yīng)變減小96%，連接鋼螺栓拉應(yīng)變減小74%，整個加固過程用了 2個小時。
[0037]實施例2
[0038]本實施例與實施例1相比，僅開始進行短期被動加固時的管片接頭結(jié)構(gòu)損傷不同，即在實施例1的基礎(chǔ)上，繼續(xù)加大豎向土壓力，使得封頂塊I和鄰接塊2的接頭張開量達到6_，此時連接鋼螺栓接近屈服，外弧面混凝土壓應(yīng)變更大，然后豎向土壓力和側(cè)向土壓力均保持不變，對該管片接頭進行加固。除此之外，盾構(gòu)管片、連接鋼螺栓、形狀記憶合金螺栓、加固方法的步驟等均完全相同。
[0039]經(jīng)過本實施例采用形狀記憶合金螺栓的加固方法進行加固后，盾構(gòu)管片接頭的接頭張開量減小37%，管片接頭外弧面混凝土最大壓應(yīng)變減小87%，連接鋼螺栓拉應(yīng)變減小67%，整個加固過程用了 2個小時。
[0040]本實施例1和實施例2中盾構(gòu)隧道的預(yù)留的形狀記憶合金螺栓安裝孔孔徑比比形狀記憶合金螺栓的直徑大12mm左右，形狀記憶合金螺栓加熱到160°C左右，采用電熱絲通電對形狀記憶合金進行熱傳遞的加熱方法，但本發(fā)明加固方法并不局限于該加熱方法。
[0041]實施例1和實施例2的差別僅在于開始進行短期被動加固時的管片接頭結(jié)構(gòu)損傷不同，實施例1在開始進行短期被動加固時的管片接頭結(jié)構(gòu)損傷相比實施例2要小，即盾構(gòu)管片接頭的接頭張開量、外弧面混凝土壓應(yīng)變以及連接鋼螺栓拉應(yīng)變均比實施例2要小，最后得到的加固效果也好一些。
[0042]本實施方式是將預(yù)拉伸過的形狀記憶合金螺栓裝入管片的預(yù)留的形狀記憶合金螺栓安裝孔中，利用形狀記憶合金螺栓對盾構(gòu)管片接頭產(chǎn)生的閉合回復(fù)力，促使接頭部位的接頭張開量、連接鋼螺栓拉應(yīng)變以及外弧面混凝土壓應(yīng)變均減小，從而實現(xiàn)地鐵盾構(gòu)隧道管片接頭的加固。加固方法簡單、經(jīng)濟、快捷，可在2個小時內(nèi)完成加固。
[0043]上述兩個實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種地鐵盾構(gòu)隧道管片接頭的短期主動加固方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)在盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)的封頂塊與鄰接塊的接頭部位預(yù)留形狀記憶合金螺栓安裝孔，封頂塊中設(shè)有的手孔大小滿足形狀記憶合金螺栓的裝卸； (2)當(dāng)封頂塊與鄰接塊的接頭張開量過大，或封頂塊與鄰接塊的外弧面混凝土壓應(yīng)變過大，或封頂塊與鄰接塊的連接鋼螺栓拉應(yīng)變過大時，將預(yù)拉伸過的形狀記憶合金螺栓裝入封頂塊與鄰接塊的接頭部位預(yù)留的形狀記憶合金螺栓安裝孔中； (3)對形狀記憶合金螺栓進行加熱，使其溫度達到奧氏體相變結(jié)束溫度以上并在完成長期被動加固所需時間內(nèi)基本保持不變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加固方法，其特征在于，所述盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)的封頂塊與鄰接塊的接頭部位預(yù)留的形狀記憶合金螺栓安裝孔的數(shù)量與所述封頂塊與鄰接塊的連接鋼螺栓的數(shù)量相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加固方法，其特征在于，所述形狀記憶合金螺栓為雙頭螺栓，墊圈和螺母由普通鋼材制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加固方法，其特征在于，所述形狀記憶合金螺栓的直徑不小于所述封頂塊與鄰接塊的連接鋼螺栓的直徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加固方法，其特征在于，所述形狀記憶合金螺栓在常溫下處于馬氏體狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加固方法，其特征在于，所述形狀記憶合金螺栓的預(yù)拉伸應(yīng)變?yōu)?%?6%。
【文檔編號】E21D11/04GK103758532SQ201410042925
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月28日
【發(fā)明者】吳波, 歐云龍 申請人:華南理工大學(xué)