專利名稱：多級(jí)、主控加載小量程隧道臥式平面模型試驗(yàn)裝置系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于試驗(yàn)裝置領(lǐng)域，涉及隧道及地下建筑工程的相似模型試驗(yàn)，尤其是在
考慮平面應(yīng)變條件下土體與隧道結(jié)構(gòu)相互作用及土體變異對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力影響等問題的 模型試驗(yàn)研究。
背景技術(shù)：
相似模型試驗(yàn)作為一種對(duì)隧道及地下建筑結(jié)構(gòu)受力分析問題研究的重要技術(shù)手 段一直在國(guó)內(nèi)外被廣泛重視與應(yīng)用，模型試驗(yàn)裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作優(yōu)良與否將直接影響 模型試驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性、可靠性和實(shí)用性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)模型試驗(yàn)方法的研究及模型試驗(yàn) 裝置的設(shè)計(jì)研究都有長(zhǎng)期、深入的開展，但是目前對(duì)于二維平面臥式模型試驗(yàn)裝置系統(tǒng)的 研究成果還相對(duì)較少，主要集中在立式平面模型箱體系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)應(yīng)用中。由于相似 模型試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)決定了各種結(jié)構(gòu)尺寸將按規(guī)則一定比例的縮小，導(dǎo)致外界施加荷載需 要根據(jù)相似理論按比例關(guān)系減小，這要求加載裝置必須可實(shí)現(xiàn)荷載小數(shù)量逐級(jí)加載，另外， 為了便于試驗(yàn)量測(cè)，模型采用平面臥式模型箱體系統(tǒng)，加載需提供側(cè)向加載。根據(jù)特殊的加 載方式、小量級(jí)荷載及高靈敏度自控等具體要求，需對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)的千斤頂進(jìn)行篩選，現(xiàn)有傳 統(tǒng)的手動(dòng)液壓千斤頂不能側(cè)向加載，傳統(tǒng)的螺旋式機(jī)械千斤頂量程過(guò)大、靈敏度低，傳統(tǒng)的 分離式液壓千斤頂量程過(guò)大、控制難度大，因此，需獨(dú)立研究發(fā)明新的模型試驗(yàn)裝置系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)常規(guī)模型試驗(yàn)中小量程、多級(jí)、主控加載功能，同時(shí)，能在平面臥式模型系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)側(cè) 向加載。 另外，在理論模型中假定理想狀態(tài)，即模型構(gòu)件系統(tǒng)之間沒有摩擦。實(shí)際模型試驗(yàn) 中，系統(tǒng)構(gòu)件接觸面之間的摩擦影響不可避免，特別是在通過(guò)承載板方式傳遞荷載中易發(fā) 生摩擦消耗與荷載松弛，如何通過(guò)技術(shù)手段處理使得摩擦盡可能的降低到最小程度也是需 要解決的一個(gè)技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述在模型試驗(yàn)中遇到的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種隧道臥式平面模 型試驗(yàn)裝置系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)平面?zhèn)认蛐×砍獭⒍嗉?jí)、主控加載方式，同時(shí)能盡可能的減小摩 擦影響。 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種實(shí)現(xiàn)多級(jí)、主控加載小量程隧 道臥式平面模型試驗(yàn)裝置系統(tǒng)，包括實(shí)現(xiàn)直接施加并傳遞荷載的加載內(nèi)框、提供試驗(yàn)反力 支撐的反力架外框、以及螺栓機(jī)械嚙合頂進(jìn)并配合高靈敏度拉壓傳感器量測(cè)組合加載裝 置，反力架外框與加載內(nèi)框通過(guò)加載裝置連接成整體箱體系統(tǒng)。 進(jìn)一步，加載內(nèi)框包括木板、鋼板、減摩處理的鋼珠以及自鎖螺絲釘，加載內(nèi)框采 用木板與鋼板疊合結(jié)構(gòu)，鋼珠和自鎖螺絲釘布置在木板上；反力架外框包括型鋼、有機(jī)玻璃 蓋板、井字形方鋼管和底部承載板，井字形方鋼管壓在有機(jī)玻璃蓋板上，底部承載板位于整 個(gè)系統(tǒng)底部；加載裝置包括加載螺栓、壓力傳感器、加載作用螺母、自鎖作用螺母和防內(nèi)移作用螺母，螺栓和加載作用螺母、自鎖作用螺母和防內(nèi)移作用螺母配合安裝，螺栓的一端嵌 入高靈敏度拉壓傳感器。 所述內(nèi)框木板左右端部加工成榫頭形狀。 所述內(nèi)框木板上下端部埋有自鎖螺絲釘并嵌有鋼珠。 所述型鋼采用的材料為槽鋼。 所述各構(gòu)件之間均采用活動(dòng)聯(lián)接，如螺栓聯(lián)接。 可采用空間壓力傳感器或者壓力傳感器或者位移計(jì)實(shí)現(xiàn)加載量測(cè)控制。 針對(duì)平面臥式箱體側(cè)向?qū)崿F(xiàn)小量程、多級(jí)、主控加載功能的技術(shù)問題，本發(fā)明采用
簡(jiǎn)單而又傳統(tǒng)的精細(xì)螺距螺栓、高強(qiáng)度螺母組合通過(guò)齒輪機(jī)械嚙合頂進(jìn)提供荷載，并同時(shí)
將螺栓的一端嵌入高靈敏度拉壓傳感器，通過(guò)傳感器測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)螺栓頂進(jìn)施加荷載值，實(shí)
現(xiàn)模型加載小量程、多級(jí)、主控功能，本發(fā)明還能根據(jù)不同土體的壓縮性能，通過(guò)施加荷載
承載板所產(chǎn)生的位移情況測(cè)定荷載大小，并與傳感器測(cè)得的荷載進(jìn)行對(duì)比修正。另外，模型
加載內(nèi)框A中布置了模型空間壓力傳感器可獲取實(shí)際作用于結(jié)構(gòu)中的荷載大小，分析外部
施加荷載的傳遞路徑及影響范圍。 針對(duì)模型試驗(yàn)裝置構(gòu)件的系統(tǒng)摩擦問題，本發(fā)明分別采用了兩種技術(shù)手段，對(duì)于 承載板在位移荷載施加過(guò)程中的接觸端部摩擦以及相互阻擋問題，采用將承載板加工成中 國(guó)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)技術(shù)中的榫頭型式，相互之間可咬合但不接觸來(lái)消除左右端部摩擦影響；對(duì) 于承載板在有機(jī)玻璃板、底部承載板壓力之下產(chǎn)生摩擦，采用在承載板上下端部鉆孔埋入 自鎖螺絲釘并嵌入鋼珠，將承載板端滑動(dòng)摩擦減小為鋼珠滾動(dòng)摩擦，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件之間的摩擦 力降低消除。 為了使模型試驗(yàn)箱體即裝即拆，構(gòu)件全部采用螺栓拼接，模型裝置拆裝便捷、快 速、省力，并可實(shí)現(xiàn)模型裝置的加工、重組的多次重復(fù)使用。 所述的模型試驗(yàn)裝置各種結(jié)構(gòu)的承載能力、變形特性、幾何尺寸及構(gòu)件選擇均通 過(guò)相關(guān)理論計(jì)算、數(shù)值分析手段進(jìn)行設(shè)計(jì)確認(rèn)，從而使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加可靠、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)。
本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，使其具有以下優(yōu)點(diǎn) 1.改變了傳統(tǒng)千斤頂無(wú)法實(shí)現(xiàn)小量程、多級(jí)、主控加載問題，使得試驗(yàn)得以精確的
進(jìn)行，并且整個(gè)加載裝置組裝原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)易，模型制作費(fèi)用更經(jīng)濟(jì)，同時(shí)，通過(guò)改變加
載螺栓長(zhǎng)度可有效解決傳統(tǒng)千斤頂行程不夠?qū)е碌募虞d失效等技術(shù)問題； 2.有效的降低了模型試驗(yàn)系統(tǒng)各構(gòu)件之間的摩擦，使得試驗(yàn)加載量測(cè)中可基本忽
略摩擦影響，使得試驗(yàn)結(jié)果更精確、節(jié)能，便于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與研究； 3.采用螺栓連接試驗(yàn)裝置各個(gè)構(gòu)件，使得本發(fā)明模型裝置小巧實(shí)用，裝拆方便快 速，試驗(yàn)占地空間小，并能適應(yīng)不同尺寸的模型試驗(yàn)； 4.整個(gè)模型試驗(yàn)裝置具有經(jīng)濟(jì)性能好、裝置有效性能高等特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明一種實(shí)現(xiàn)多級(jí)、主控加載小量程隧道臥式平面模型試驗(yàn)裝置系統(tǒng)的 實(shí)施例的平面俯視圖； 圖2為圖1所示實(shí)現(xiàn)多級(jí)、主控加載小量程隧道臥式平面模型試驗(yàn)裝置系統(tǒng)的側(cè) 面示意 圖3為圖1所示模型加載內(nèi)框A的平面俯視圖； 圖4為圖3所示模型加載內(nèi)框A的側(cè)面示意圖； 圖5為圖3所示模型加載內(nèi)框木板1端部榫槽連接示意圖； 圖6為圖3所示模型鋼珠_自攻螺絲釘減摩示意圖 圖7為圖1所示提供試驗(yàn)反力支撐的反力架外框B的平面俯視圖； 圖8為圖7所示提供試驗(yàn)反力支撐的反力架外框B的側(cè)面示意圖； 圖9為圖1所示螺栓機(jī)械嚙合頂進(jìn)并配合高靈敏度拉壓傳感器量測(cè)組合加載裝置
C的平面俯視圖； 圖10為圖9所示螺栓機(jī)械嚙合頂進(jìn)并配合高靈敏度拉壓傳感器量測(cè)組合加載裝 置C的側(cè)面示意具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。 如圖l-2所示，為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)平面俯視圖及總體立面示意圖，包括實(shí)現(xiàn)直 接施加并傳遞荷載的模型加載內(nèi)框A、提供試驗(yàn)反力支撐的反力架外框B、以及螺栓機(jī)械嚙 合頂進(jìn)并配合高靈敏度拉壓傳感器量測(cè)組合加載裝置C。 其中加載內(nèi)框A包括了木板1、鋼板2以及采用減摩處理的鋼珠4、自鎖螺絲釘3， 反力架外框B包括了型鋼5、有機(jī)玻璃蓋板6、井字形方鋼管7、底部承載板8，加載裝置C包 括了加載螺栓9、高強(qiáng)度加載作用螺母10、自鎖作用螺母11、防內(nèi)移作用螺母12、壓力傳感 器13。 ( — )加載內(nèi)框A: 如圖3-6所示，為本發(fā)明的加載內(nèi)框A整體及其局部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。加載內(nèi) 框A四邊具有相同構(gòu)造結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)由靠近箱體內(nèi)側(cè)的木板1與靠近箱體外側(cè)的鋼板2 構(gòu)成，兩者之間采用螺栓連接，鋼板2中部還焊接一短螺栓便于整體拼裝時(shí)與加載裝置C連 接成一體；在木板1豎直方向頂部與底部開挖一定數(shù)量的球形槽孔上布置鋼珠4 ;四邊加載 內(nèi)框板在試驗(yàn)前通過(guò)在木板1的四個(gè)角端各鉆有一個(gè)限位孔，并插入限位插銷至底部承載 板8從而限制四塊木板1之間的錯(cuò)動(dòng)4。 如圖5所示，為了減小加載過(guò)程中加載內(nèi)框與其他構(gòu)件之間產(chǎn)生的摩擦損耗，采 用了在內(nèi)框木板左右兩端榫頭加工處理，使得相鄰木板之間在加載過(guò)程中相互咬合，但不 相互阻擋，減小了左右端部的摩擦影響。 如圖6所示，為了減小承載板在有機(jī)玻璃板6、底部承載板8壓力之下產(chǎn)生的摩擦， 在木板上下端部采用了自鎖螺絲釘3、鋼珠4組合，在承載板上下端部鉆孔埋入自鎖螺絲釘 并嵌入鋼珠，調(diào)節(jié)自鎖螺絲釘3插入深度使得鋼珠在一個(gè)水平面上，實(shí)現(xiàn)整體承載木板與 其余結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦而不是滑動(dòng)摩擦，有效的降低構(gòu)件之間的摩擦影響。
(二)反力架外框B: 如圖7-8所示，為本發(fā)明的反力架外框B的結(jié)構(gòu)示意圖。反力架外框B包括兩部分 反力支撐體系其中一部分是提供豎向隆起應(yīng)力的反力支撐，由有機(jī)玻璃蓋板6、井字形方 鋼管7、底部承載板8組成，有機(jī)玻璃蓋板6直接與模型試驗(yàn)材料(土體或隧道模型結(jié)構(gòu)) 接觸，井字形方鋼管7壓在有機(jī)玻璃蓋板6上，底部承載板8支撐全部模型材料及箱體重量并傳遞重量于地面上；另一部分反力支撐由型鋼5提供，四邊型鋼具有相同結(jié)構(gòu)構(gòu)造，采用 的材料為槽鋼。反力架各構(gòu)件之間的連接采用螺栓連接。 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)加載裝置C對(duì)內(nèi)框A施加荷載的同時(shí)，當(dāng)內(nèi)框A對(duì)模型材料(土 體或隧道結(jié)構(gòu))施加荷載的同時(shí)，模型材料在豎向方向上產(chǎn)生一個(gè)向上的隆起力，則需要 提供頂部的反力支撐使得模型材料不致上隆，此時(shí)，有機(jī)玻璃板6起到承擔(dān)模型土體豎向 隆起的反力的作用。同時(shí)，作為一對(duì)相互作用力，具有與內(nèi)框A所受荷載相同大小的力作用 在反力架外框C中的型鋼當(dāng)中，型鋼5起到承擔(dān)反力的作用。
(三)加載裝置C: 如圖9-10所示，為本發(fā)明的加載裝置C的結(jié)構(gòu)示意圖，加載裝置C將反力架外框 B與加載內(nèi)框A連接成一個(gè)整體箱體系統(tǒng)，加載裝置C采用傳感器13與高強(qiáng)度加載螺栓9、 加載作用螺母10、自鎖作用螺母11和防內(nèi)移作用螺母12組合通過(guò)齒輪機(jī)械嚙合頂進(jìn)提供 荷載，同時(shí)將螺栓9的一端嵌入高靈敏度拉壓傳感器ll，通過(guò)傳感器測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)螺栓頂進(jìn) 施加荷載值，實(shí)現(xiàn)模型加載小量程、多級(jí)、主控功能。 通過(guò)旋轉(zhuǎn)加載螺母IO，利用螺栓頂進(jìn)向前施加頂力，當(dāng)荷載施加到預(yù)定等級(jí)時(shí)，將 加載螺母11跟進(jìn)至螺母10后，形成加載鎖定裝置。 在加載的過(guò)程中，通過(guò)機(jī)械工具旋轉(zhuǎn)螺母標(biāo)記角度并測(cè)讀傳感器讀數(shù)，由于螺母 與螺栓之間通過(guò)無(wú)間斷螺紋嚙合產(chǎn)生機(jī)械頂力實(shí)現(xiàn)小量程、多級(jí)加載功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn) 荷載主控功能。 本發(fā)明中模型試驗(yàn)裝置構(gòu)件之間均采用螺栓連接，模型小巧實(shí)用，拆裝便捷快速 省力。井字形方鋼管7與型鋼5之間，型鋼5之間，底部承載板8與型鋼5之間也均采用采 用螺栓14拼裝，從而使本發(fā)明裝置拆裝方便、迅速，并可節(jié)約試驗(yàn)場(chǎng)地，提高工作效率和實(shí) 用性。 另外，加載內(nèi)框四邊結(jié)構(gòu)構(gòu)造均相同，外框反力架四邊結(jié)構(gòu)構(gòu)造也相同，外正四邊 形框體中套有內(nèi)正四邊形框體，兩框體邊長(zhǎng)尺寸不受限制，可以適應(yīng)任何大小及尺寸下的
模型試驗(yàn)研究。只需要調(diào)節(jié)加載裝置C中加載螺栓的長(zhǎng)度即可做到連接兩個(gè)不同尺寸的內(nèi) 框結(jié)構(gòu)與外框結(jié)構(gòu)，以滿足各種實(shí)驗(yàn)條件。 進(jìn)一步，可以通過(guò)以下三種途徑實(shí)現(xiàn)加載量測(cè)控制，確保試驗(yàn)按照預(yù)定的加載方 案進(jìn)行，提高試驗(yàn)的精確度和可操作性(l)在試驗(yàn)系統(tǒng)加載內(nèi)框A內(nèi)放置試驗(yàn)?zāi)Ｐ图巴?體，同時(shí)布設(shè)壓力傳感器測(cè)點(diǎn)，通過(guò)模型空間壓力傳感器可測(cè)定內(nèi)部空間實(shí)際壓力分布。從 而可以分析外部施加荷載的傳遞路徑及影響范圍。(2)加載裝置C中的壓力傳感器ll，通 過(guò)壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的連接，當(dāng)螺栓實(shí)施頂進(jìn)荷載的同時(shí)，傳感器受力并將受力 信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞到數(shù)據(jù)采集儀中，同時(shí)數(shù)據(jù)采集儀與電腦軟件共同將電信號(hào)再轉(zhuǎn)化 成力學(xué)參數(shù)信號(hào)顯示于電腦中，從而實(shí)現(xiàn)加載量的測(cè)讀與實(shí)時(shí)控制功能。(3)根據(jù)不同土體 的壓縮性能，通過(guò)布置在承載板荷載點(diǎn)附近的位移計(jì)測(cè)量施加荷載承載板所產(chǎn)生的位移情 況，進(jìn)而測(cè)定荷載大小。 上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用本實(shí) 用新型。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō) 明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本實(shí)用新型不限于上 述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型的揭示，對(duì)于本實(shí)用新型做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi),
權(quán)利要求
一種實(shí)現(xiàn)多級(jí)、主控加載小量程隧道臥式平面模型試驗(yàn)裝置系統(tǒng)，其特征在于還包括實(shí)現(xiàn)直接施加并傳遞荷載的加載內(nèi)框、提供試驗(yàn)反力支撐的反力架外框、以及螺栓機(jī)械嚙合頂進(jìn)并配合高靈敏度拉壓傳感器量測(cè)組合加載裝置，反力架外框與加載內(nèi)框通過(guò)加載裝置連接成整體箱體系統(tǒng)。
2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述加載內(nèi)框包括木板、鋼板、減摩處理的 鋼珠以及自鎖螺絲釘，加載內(nèi)框采用木板與鋼板疊合結(jié)構(gòu)，鋼珠和自鎖螺絲釘布置在木板 上；反力架外框包括型鋼、有機(jī)玻璃蓋板、井字形方鋼管和底部承載板，井字形方鋼管壓在 有機(jī)玻璃蓋板上，底部承載板位于整個(gè)系統(tǒng)底部；加載裝置包括加載螺栓、壓力傳感器、加 載作用螺母、自鎖作用螺母和防內(nèi)移作用螺母，螺栓和加載作用螺母、自鎖作用螺母和防內(nèi) 移作用螺母配合安裝，螺栓的一端嵌入高靈敏度拉壓傳感器。
3. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述內(nèi)框木板左右端部為榫頭形狀。
4. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述內(nèi)框木板上下端部埋有所述自鎖螺絲 釘，并嵌有所述鋼珠。
5. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述型鋼采用的材料為槽鋼。
6. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述各構(gòu)件之間均采用活動(dòng)聯(lián)接。
7. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于采用空間壓力傳感器或者壓力傳感器或者 位移計(jì)實(shí)現(xiàn)加載量測(cè)控制。
全文摘要
一種實(shí)現(xiàn)多級(jí)、主控加載小量程隧道臥式平面模型試驗(yàn)裝置系統(tǒng)，包括實(shí)現(xiàn)直接施加并傳遞荷載的加載內(nèi)框、提供試驗(yàn)反力支撐的反力架外框、以及螺栓機(jī)械嚙合頂進(jìn)并配合高靈敏度拉壓傳感器量測(cè)組合加載裝置，反力架外框與加載內(nèi)框通過(guò)加載裝置連接成整體箱體系統(tǒng)；加載內(nèi)框采用木板與鋼板疊合結(jié)構(gòu)，鋼珠和自鎖螺絲釘布置在木板上；反力架外框中井字形方鋼管壓在有機(jī)玻璃蓋板上，底部承載板位于整個(gè)系統(tǒng)底部；加載裝置中螺栓和高強(qiáng)度螺母配合安裝，螺栓的一端嵌入高靈敏度拉壓傳感器。由于采用了上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明解決了現(xiàn)有千斤頂不能實(shí)現(xiàn)小量程、高精度、側(cè)向加載的技術(shù)問題，同時(shí)改善了承載內(nèi)框加載摩擦問題，提高了試驗(yàn)的可操作性與量測(cè)精度。
文檔編號(hào)G01M99/00GK101696913SQ20091019793
公開日2010年4月21日 申請(qǐng)日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者張東明, 江帆, 王飛, 胡群芳, 黃宏偉 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué);