專利名稱:可三向加載的多功能襯砌管片接頭力學(xué)性能試驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種試驗裝置,尤其是一種用于對盾構(gòu)隧道襯砌管片接頭進行力學(xué)性 能試驗的裝置。
背景技術(shù):
盾構(gòu)隧道作為一種特殊的地下構(gòu)筑物,在研究其力學(xué)特性時與地上結(jié)構(gòu)以及其他 地下構(gòu)筑物相比,具有以下特點1)盾構(gòu)隧道與周圍土體之間存在相互作用,因此盾構(gòu)隧 道襯砌管片受力較為復(fù)雜且不同階段、不同位置受到的荷載均不同;2)實際作用在盾構(gòu)隧 道襯砌管片上的荷載簡化為縱向力以及沿環(huán)向的軸力和彎矩,因此,實際的盾構(gòu)隧道襯砌 管片處于三向受力的狀態(tài)下;3)盾構(gòu)隧道襯砌采用管片拼裝的方式,管片接頭構(gòu)造較為復(fù) 雜,因此其力學(xué)特性較為復(fù)雜。但管片接頭的力學(xué)特性對于整個盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)的力學(xué)特 性影響較大;4)采用錯縫拼裝的盾構(gòu)隧道,管片接頭與相鄰管片之間存在相互影響,即所 謂的彎矩傳遞效應(yīng),這種影響對于整個盾構(gòu)隧道襯砌整體的受力性能存在較大影響;5)目 前設(shè)計盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)時采用較多的梁_彈簧模型中需要對于縱縫抗彎剛度、縱縫徑向剪切 剛度、環(huán)縫剪切剛度加以確定,而修正慣用法需要對于管片環(huán)間的彎矩傳遞系數(shù)加以確定。 而這些參數(shù)的選取目前沒有相應(yīng)的標準,多采用工程類比和經(jīng)驗法,存在較大不合理性。對于盾構(gòu)隧道襯砌管片力學(xué)特性試驗,國內(nèi)外均有所開展,主要采用模型試驗和 原型試驗兩種。在原型試驗中包括接頭力學(xué)特性試驗和整環(huán)試驗。就目前所知的已進行的 接頭力學(xué)特性試驗主要是為了獲取縱縫的抗彎剛度,因此試驗設(shè)備只能施加軸力和彎矩。 并且試驗框架較為簡單,加載控制系統(tǒng)也較為低級。另外,該種接頭力學(xué)特性試驗對于錯縫 拼裝情況下的管片環(huán)間剪切剛度和彎矩傳遞系數(shù)無法進行試驗量測。而整環(huán)試驗?zāi)軠y得管 片圓環(huán)在設(shè)計荷載作用下的變形與內(nèi)力,也能對于錯縫拼裝條件下管片環(huán)間的相互作用進 行試驗,但是由于原型整環(huán)試驗體量較大,試驗加載系統(tǒng)較為復(fù)雜,極易引起誤差,因此某 些關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的試驗結(jié)果往往不盡合理。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種可三向加載的多功能襯砌管片接頭力學(xué)性 能試驗系統(tǒng),其能夠進行盾構(gòu)隧道襯砌管片接頭的多種加載方式的力學(xué)特性試驗。為了解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明提供的可三向加載的多功能襯砌管片接頭力學(xué)性 能試驗系統(tǒng),主要包括以下6個部分①自平衡框架子系統(tǒng),主要包括構(gòu)成平衡框架結(jié)構(gòu)的 主框架和連接梁,所述主框架包括兩個框架頂梁、兩個框架底梁、兩個左框架立柱和兩個右 框架立柱,所述兩個左框架立柱之間設(shè)有兩個連接梁,所述兩個右框架立柱之間設(shè)有兩個 連接梁;②加載子系統(tǒng),主要包括X向加載子系統(tǒng)、Y向加載子系統(tǒng)、Z向加載子系統(tǒng),其中 X向加載子系統(tǒng)主要包括X向加載作動器、X向加載右反力梁、X向加載左反力梁,所述X向 加載右反力梁兩端分別固定在兩個右框架立柱上,所述X向加載作動器固定在X向加載右 反力梁上,所述X向加載左反力梁兩端分別固定在兩個左框架立柱上;Y向加載子系統(tǒng)主要包括Y向加載頂部反力梁、Y向加載頂部作動器、Y向荷載分配梁、Y向加載頂部墊梁、Y向 加載底部反力梁、Y向加載底部作動器、Y向加載底部墊梁,所述Y向加載頂部反力梁兩端 分別固定在兩個框架頂梁下部,所述Y向加載頂部作動器固定在Y向加載頂部反力梁下部, 所述Y向荷載分配梁與Y向加載頂部作動器加載頭相連,所述Y向加載頂部墊梁與Y向荷 載分配梁下部連接,所述Y向加載底部反力梁兩端分別固定在兩個框架底梁上,所述Y向加 載底部作動器固定在Y向加載底部反力梁上部,所述Y向加載底部墊梁與Y向加載底部作 動器加載頭相連;Z向加載子系統(tǒng)主要包括兩個Z向加載框架前立柱、兩個Z向加載框架后 立柱、兩個Z向加載上拉桿、兩個Z向加載下拉桿、Z向加載前反力梁、Z向加載后反力梁、Z 向加載墊梁和Z向加載作動器,所述Z向加載前反力梁兩端分別固定在兩個Z向加載框架 前立柱上,所述Z向加載后反力梁兩端分別固定在兩個Z向加載框架后立柱上,所述Z向加 載作動器固定在Z向加載前反力梁上,所述Z向加載墊梁與Z向加載作動器加載頭相連,所 述每個Z向加載上拉桿兩端分別固定在同側(cè)的Z向加載框架前立柱和Z向加載框架后立柱 上部,所述每個Z向加載下拉桿兩端分別固定在同側(cè)的Z向加載框架前立柱和Z向加載框 架后立柱下部;③試件支座子系統(tǒng),主要包括左右兩個支座,每個支座包括支座支撐塊,與 支座支撐塊配合用于固定試驗管片的支座固定塊,所述支座和框架底梁之間設(shè)有若干塊墊 板,所述墊板之間設(shè)有鋼棒,所述支座和X向加載左反力梁之間設(shè)有柱狀鉸;④試件運送子 系統(tǒng),主要包括兩個Z向基座及分別設(shè)于兩個Z向基座上的軌道,兩個前進后退油缸,所述 每個前進后退油缸一端固定在一個Z向加載框架前立柱上,另一端固定在一個Z向基座上, 所述每個軌道上安裝有兩個高度調(diào)節(jié)油缸,所述每個高度調(diào)節(jié)油缸下部裝有與所述軌道相 配合的滾輪,所述兩個高度調(diào)節(jié)油缸上部設(shè)有一試件臨時支撐梁;⑤加載控制子系統(tǒng),主要 包括電液加載控制器,所述電液加載控制器通過電液伺服閥來控制X向加載作動器、Y向加 載頂部作動器、Y向加載底部作動器、Z向加載作動器、高度調(diào)節(jié)油缸和前進后退油缸的動 作;⑥數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng),主要包括上位計算機,與上位計算機相連的數(shù)據(jù)采集器,置于試件 內(nèi)部和表面、并與數(shù)據(jù)采集器相連的傳感器。優(yōu)選地,所述Y向加載頂部作動器為3個,且每個作動器可獨立加卸載,所述Y向 加載底部作動器為2個,且這2個作動器為同步加卸載。進一步地,所述Y向荷載分配梁、Y向加載頂部墊梁均為獨立的3套,分別與對應(yīng) 的3個Y向加載頂部作動器連接。優(yōu)選地,所述X向加載作動器為4個,且中間的2個作動器為同步加卸載,兩側(cè)的 另外2個作動器可獨立加卸載。優(yōu)選地,所述Z向加載作動器為2個,且這2個作動器為同步加卸載。優(yōu)選地,所述X向加載作動器、Y向加載頂部作動器、Y向加載底部作動器、Z向加 載作動器均帶有負荷傳感器和位移傳感器。優(yōu)選地,所述X向加載作動器、Y向加載頂部作動器、Z向加載作動器的加載頭部設(shè) 有球鉸。優(yōu)選地,所述鋼棒、墊板均為可拆卸式。優(yōu)選地,所述左右兩個支座處分別設(shè)有獨立的、可拆卸的3組支座支撐塊和支座 固定塊。優(yōu)選地,所述柱狀鉸為獨立的、可拆卸的3組。
本發(fā)明試驗系統(tǒng)的優(yōu)點如下1)加載子系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,通過不同的組合能完成盾構(gòu)隧道襯砌管片環(huán)間剪 切試驗、彎矩傳遞試驗、縱縫轉(zhuǎn)角剛度試驗、縱縫徑向剪切試驗;2)試件支座能較好模擬簡支的位移邊界條件,使試驗與理論分析的位移邊界條件
一致;3)能進行盾構(gòu)隧道襯砌管片接頭以及類似構(gòu)件的三向同步或異步加載,模擬結(jié)構(gòu) 的實際受力情況;4)控制系統(tǒng)有位移加載與力加載兩種方式,對于各個方向的加載作動器可分別控 制,滿足各種加載工況要求;5)借助于程序控制和自動數(shù)據(jù)采集技術(shù),提高了工作效率和數(shù)據(jù)的準確性;6)加載控制子系統(tǒng)采用伺服控制,可完成多通道異步階梯加載和負荷保持;7)自動采集試驗力和垂向作動器的活塞位移,記錄試驗曲線,并可以用通信方式 或模擬輸出方式輸出上述試驗數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);。
圖1為本發(fā)明試驗系統(tǒng)的局部主視圖。
圖2為圖1中A-A剖視圖。
圖3為圖2中B-B剖視圖。
圖4為盾構(gòu)隧道襯砌管片縱縫轉(zhuǎn)角剛度試驗示意圖。
圖5為圖4中A-A剖視圖。
圖6為圖5中B-B剖視圖。
圖7為盾構(gòu)隧道襯砌管片縱縫剪切剛度試驗示意圖。
圖8為圖7中A-A剖視圖。
圖9為圖8中B-B剖視圖。
圖10為盾構(gòu)隧道襯砌管片環(huán)縫徑向剪切剛度試驗示意圖。
圖11為圖10中A-A剖視圖。
圖12為圖11中B-B剖視圖。
圖13為盾構(gòu)隧道襯砌管片環(huán)縫切向剪切剛度試驗示意圖。
圖14為圖13中A-A剖視圖。
圖15為圖14中B-B剖視圖。
圖16為盾構(gòu)隧道襯砌管片彎矩傳遞試驗示意圖。
圖17為圖16中A-A剖視圖。
圖18為圖17中B-B剖視圖。
具體實施例方式如圖1至圖3所示,本發(fā)明的試驗系統(tǒng),主要包括以下六個部分一、自平衡框架子系統(tǒng),主要包括構(gòu)成平衡框架結(jié)構(gòu)的主框架1和連接梁2,主框 架1包括兩個框架頂梁101、兩個框架底梁102、兩個左框架立柱103和兩個右框架立柱 104,兩個左框架立柱103之間設(shè)有兩個連接梁2,兩個右框架立柱104之間設(shè)有兩個連接梁2 ;二、加載子系統(tǒng),主要包括X向加載子系統(tǒng)、Y向加載子系統(tǒng)、Z向加載子系統(tǒng),其 中X向加載子系統(tǒng)主要包括X向加載作動器11、X向加載右反力梁1001、X向加載左反力 梁1002,X向加載右反力梁1001兩端分別固定在兩個右框架立柱104上,X向加載作動器 11固定在X向加載右反力梁1001上,X向加載左反力梁1002兩端分別固定在兩個左框架 立柱103上;Y向加載子系統(tǒng)主要包括Y向加載頂部反力梁3、Y向加載頂部作動器8、Y向 荷載分配梁4、Y向加載頂部墊梁5、Y向加載底部反力梁6、Y向加載底部作動器9、Y向加 載底部墊梁7,Y向加載頂部反力梁3兩端分別固定在兩個框架頂梁101下部,Y向加載頂 部作動器8固定在Y向加載頂部反力梁3下部,Y向荷載分配梁4與Y向加載頂部作動器 8加載頭相連,Y向加載頂部墊梁5與Y向荷載分配梁4下部連接,并可固定于Y向荷載分 配梁4下部的不同位置(如端部或中部)以滿足不同試驗工況的要求,Y向加載底部反力 梁6兩端分別固定在兩個框架底梁102上,Y向加載底部作動器9固定在Y向加載底部反 力梁6上部,Y向加載底部墊梁7與Y向加載底部作動器9加載頭相連;Z向加載子系統(tǒng)主 要包括兩個Z向加載框架前立柱121、兩個Z向加載框架后立柱122、兩個Z向加載上拉桿 131、兩個Z向加載下拉桿132、Z向加載前反力梁141、Z向加載后反力梁142、Z向加載墊 梁15和Z向加載作動器16,Z向加載前反力梁141兩端分別固定在兩個Z向加載框架前立 柱121上,Z向加載后反力梁142兩端分別固定在兩個Z向加載框架后立柱122上,Z向加 載作動器16固定在Z向加載前反力梁141上,Z向加載墊梁15與Z向加載作動器16加載 頭相連,每個Z向加載上拉桿131兩端分別固定在同側(cè)的Z向加載框架前立柱121和Z向 加載框架后立柱122上部,每個Z向加載下拉桿132兩端分別固定在同側(cè)的Z向加載框架 前立柱121和Z向加載框架后立柱122下部;其中,X向加載作動器11、Y向加載頂部作動 器8、Z向加載作動器16的加載頭部設(shè)有球鉸,允許各作動器與其直接連接的部件有一定的 轉(zhuǎn)動,來適應(yīng)管片在實際加載中的轉(zhuǎn)動,以準確加載。三、試件支座子系統(tǒng),試件支座子系統(tǒng),主要包括左右兩個支座,每個支座包括獨 立的、可拆卸的3組支座支撐塊17,與支座支撐塊17配合用于固定試驗管片的支座固定塊 18,其中支座和框架底梁102之間設(shè)有若干塊墊板19,墊板19之間設(shè)有鋼棒20,支座和X 向加載左反力梁1002之間設(shè)有柱狀鉸21,本發(fā)明的支座用于模擬管片試件需要的受力和 位移邊界條件。本發(fā)明的支座是可翻轉(zhuǎn)式的,當需要開展負彎矩試驗(圖1所示試件內(nèi)弧 面改為向上)時,無需更換新的支座,只需將支座支撐塊17和支座固定塊18對調(diào)上下位置 即可。此外,鋼棒20、墊板19均為可拆卸式,可根據(jù)不同的試驗工況設(shè)置,墊板19用來調(diào)節(jié) 支座高度,來滿足不同試件尺寸的試驗要求。四、試件運送子系統(tǒng),主要包括兩個Z向基座及分別設(shè)于兩個Z向基座上的軌道 25,兩個前進后退油缸26,每個前進后退油缸26 —端固定在一個Z向加載框架前立柱121 上,另一端固定在一個Z向基座上,每個軌道25上安裝有兩個高度調(diào)節(jié)油缸23,每個高度調(diào) 節(jié)油缸23下部裝有與軌道25相配合的滾輪24,兩個高度調(diào)節(jié)油缸23上部設(shè)有一試件臨時 支撐梁22,試件臨時支撐梁22上可安放管片試件,并可以通過高度調(diào)節(jié)油缸23抬高試件, 使之順利地運送入加載主框架內(nèi)部并安放至支座上。五、加載控制子系統(tǒng),主要包括電液加載控制器27,電液加載控制器27采用工業(yè) 級高性能工控計算機作為控制器的主機,通過電液伺服閥同步或異步控制X向加載作動器11、Y向加載頂部作動器8、Y向加載底部作動器9、Z向加載作動器16、高度調(diào)節(jié)油缸23和 前進后退油缸26的動作,這里的電液加載控制器27為POP-M工控PC電液伺服多通道控 制器,與液壓泵站相連,并與液壓泵站和加載框架配合使用,可以完成管片錯縫夾片試驗和 直接頭試驗,液壓泵站包括液壓油管、密封閥、油箱、電控箱、加載泵組、循環(huán)泵組、冷卻塔和 閥臺等,用于為管片接頭試驗系統(tǒng)上的各伺服作動器提供液壓動力和自身的冷卻循環(huán)。電 液加載控制器27可以自動控制試驗的進程,按照試驗要求完成多通道異步階梯加載和負 荷保持,自動采集試驗力和X向、Y向及Z向作動器的活塞位移,記錄試驗曲線,并可以用通 信方式或模擬輸出方式輸出上述試驗數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),為試驗數(shù)據(jù)的后處理提供了方 便。同時,具有作動器位置手動調(diào)整功能,可以完成負載、作動器位移的任意點保護。六、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng),主要包括上位計算機,與上位計算機相連的數(shù)據(jù)采集器,置 于試件內(nèi)部和表面、并與數(shù)據(jù)采集器相連的傳感器,以及它們之間的數(shù)據(jù)傳輸線路。傳感器 包括位移傳感器、內(nèi)力傳感器。通過數(shù)據(jù)采集儀器的自動采集和上位計算機的實時顯示,可 監(jiān)控試驗過程中時間的狀態(tài),用于控制加卸載過程。Y向加載分配梁4通過不同的組合方式可將Y向荷載平均分配成兩個,作用于襯砌 管片上,用以施加徑向剪切力或接頭彎矩,同時可連接多個如三個Y向加載頂部作動器8, 將其輸出的三個垂向力轉(zhuǎn)化為一個垂向力,用于需要較大Y向載荷的試驗工況中。如Y向 加載頂部作動器由兩個750kN作動器和一個1500kN作動器組成,帶有負荷傳感器和內(nèi)置式 磁致伸縮位移傳感器,其前端帶有球鉸,由三個Moog D633伺服閥分別控制,既可以實現(xiàn)同 步聯(lián)動加載,也可以獨立加卸載,如僅使用其中一個完成加載試驗。此外還有2個Y向加載 底部作動器9,且這2個作動器為同步加卸載。此外,Y向荷載分配梁4、Y向加載頂部墊梁 5均為獨立的3套,分別與對應(yīng)的3個Y向加載頂部作動器8連接。X向加載作動器11由4個IOOOkN低摩擦作動器組成,合在一起可以提供4000kN 的X向(橫向)加載能力,且中間的2個作動器為同步加卸載,兩側(cè)的另外2個作動器可獨 立加卸載。Z向加載作動器由2個1250kN的低摩擦作動器組成,與試樣裝配和運輸裝置一體 化設(shè)計,在主框架1外部將試樣裝配完成后,與Z向加載裝置一起沿軌道25推入主框架1, 將管片試件安放在支座支撐塊17上,再用支座固定塊18固定,便可進行試驗。這2個作動 器為同步加卸載。X向加載作動器11、Y向加載頂部作動器8、Y向加載底部作動器9、Z向加載作動 器16均帶有負荷傳感器和位移傳感器,以進行力加載和位移加載。本系統(tǒng)可主要用于1)盾構(gòu)隧道襯砌管片縱縫轉(zhuǎn)角剛度試驗,如圖4至圖6所示,通過1個Y向加載頂 部作動器8、Y向荷載分配梁4將垂向力平均分配為2個豎向荷載作用于管片縱縫的兩側(cè), 使得在縱縫產(chǎn)生一個可知可控的彎矩,再通過中間2個X向加載作動器11對縱縫施加軸力 (壓力或拉力)模擬實際盾構(gòu)隧道縱縫受到的彎矩和軸力,應(yīng)用位移傳感器測得張角隨荷 載的變化值,以此確定縱縫的轉(zhuǎn)角剛度。2)盾構(gòu)隧道襯砌管片縱縫剪切剛度試驗,如圖7至圖9所示,通過1個Y向加載 頂部作動器8、Y向荷載分配梁4將垂向力轉(zhuǎn)化成1個豎向荷載作用于管片縱縫外弧面的 一側(cè),在另一側(cè)的內(nèi)弧面用Y向加載底部作動器9固定,使得縱縫產(chǎn)生一個可知可控的剪切力,再通過中間2個X向加載作動器11對縱縫施加軸力(壓力或拉力)來模擬實際盾構(gòu)隧 道縱縫受到的剪力和軸力,應(yīng)用位移傳感器測得剪切變形隨荷載的變化值,以此確定縱縫 的剪切剛度。3)盾構(gòu)隧道襯砌管片環(huán)縫徑向剪切剛度試驗,如圖10至圖12所示,由兩個Z向加 載上拉桿131、兩個Z向加載下拉桿132、兩個Z向加載作動器16構(gòu)成自平衡反力架沿襯砌 管片的縱向軸線方向施加荷載,來模擬實際盾構(gòu)隧道襯砌管片受到的縱向荷載,通過1個Y 向加載頂部作動器8、Y向荷載分配梁4將垂向力平均分配為2個豎向荷載作用于中間管片 (中間管片左右側(cè)支座處墊板19和鋼棒20預(yù)先撤除),推動中間管片與兩側(cè)管片發(fā)生徑向 錯動,使得在環(huán)縫處產(chǎn)生一個可知可控的徑向剪切力,應(yīng)用位移傳感器測得環(huán)縫徑向剪切 變形隨徑向剪切力的變化規(guī)律,以此確定環(huán)縫的徑向剪切剛度。4)盾構(gòu)隧道襯砌管片環(huán)縫切向剪切剛度試驗,如圖13至15所示,由兩個Z向加載 上拉桿131、兩個Z向加載下拉桿132、兩個Z向加載作動器16構(gòu)成自平衡反力架沿襯砌管 片的縱向軸線方向(Ζ向)施加荷載,來模擬實際盾構(gòu)隧道襯砌管片受到的縱向荷載,通過 右側(cè)2個X向加載作動器11作用于中間管片(中間管片左側(cè)支座處柱狀鉸21預(yù)先撤除), 推動中間管片與兩側(cè)管片發(fā)生切向錯動,使得環(huán)縫處產(chǎn)生一個可知可控的切向剪切力,應(yīng) 用位移傳感器測得環(huán)縫切向剪切變形隨切向剪切力的變化規(guī)律,以此確定環(huán)縫的切向剪切 剛度。5)盾構(gòu)隧道襯砌管片彎矩傳遞試驗,如圖16至18所示,由兩個Z向加載上拉桿 131、兩個Z向加載下拉桿132、兩個Z向加載作動器16構(gòu)成自平衡反力架沿襯砌管片的縱 向軸線方向施加荷載,來模擬實際盾構(gòu)隧道襯砌管片受到的縱向荷載,通過4個X向加載作 動器11施加橫向力模擬盾構(gòu)隧道襯砌管片受到的軸力作用,通過3個Y向加載頂部作動器 8、Y向荷載分配梁將垂向力平均分配為2個豎向荷載作用于管片縱縫的兩側(cè),使得在中間 管片縱縫產(chǎn)生一個可控的彎矩,應(yīng)用內(nèi)力傳感器測得管片縱縫以及與縱縫相對的相鄰管片 的混凝土和鋼筋內(nèi)力,計算的到實際縱縫和相鄰管片受到的彎矩,以此可計算得到縱縫的 彎矩傳遞系數(shù)。本系統(tǒng)主要特點1)可進行盾構(gòu)隧道襯砌管片接頭以及其他類似構(gòu)件的多種加載方式的力學(xué)特性 試驗;2)獲取盾構(gòu)隧道襯砌管片接頭的關(guān)鍵力學(xué)參數(shù),如接頭抗彎剛度、縱縫剪切剛度、 環(huán)間剪切剛度和彎矩傳遞系數(shù),為設(shè)計提供依據(jù);3)研究盾構(gòu)隧道襯砌管片接頭的力學(xué)機理,為理論分析提供試驗數(shù)據(jù);4)研究盾構(gòu)隧道襯砌管片接頭以及其他類似構(gòu)件不同荷載形式下的各個部位應(yīng) 力、應(yīng)變以及破壞形式,研究提高管片接頭及其他類似構(gòu)件的承載力的措施;本試驗系統(tǒng)的優(yōu)點1)加載子系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,通過不同的組合能完成盾構(gòu)隧道襯砌管片環(huán)間剪 切試驗、彎矩傳遞試驗、縱縫轉(zhuǎn)角剛度試驗、縱縫徑向剪切試驗;2)試件支座能較好模擬簡支的位移邊界條件,使試驗與理論分析的位移邊界條件
一致,3)能進行盾構(gòu)隧道襯砌管片接頭以及類似構(gòu)件的三向同步或異步加載,模擬結(jié)構(gòu)的實際受力情況;4)控制系統(tǒng)有位移加載與力加載兩種方式,對于各個方向的加載作動器可分別控 制,滿足各種加載工況要求;5)借助于程序控制和自動數(shù)據(jù)采集技術(shù),提高了工作效率和數(shù)據(jù)的準確性;6)加載控制子系統(tǒng)采用伺服控制,可完成多通道異步階梯加載和負荷保持;7)自動采集試驗力和垂向作動器的活塞位移,記錄試驗曲線,并可以用通信方式 或模擬輸出方式輸出上述試驗數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);本試驗系統(tǒng)能夠較好模擬盾構(gòu)隧道襯砌管片接頭在實際情況下的三項受力狀態(tài), 能完成多種不同的加載方式以測得盾構(gòu)隧道襯砌管片接頭力學(xué)參數(shù),以及其他類似結(jié)構(gòu)的 力學(xué)特性。本試驗系統(tǒng)能安全、高效地完成各種同步或不同步加卸載試驗操作,便于操作, 故障率低,能夠勝任隧道襯砌構(gòu)件力學(xué)性能試驗的要求,既能通過施加軸力和彎矩獲得縱 縫轉(zhuǎn)角剛度,同時通過各種荷載組合形式,進行環(huán)縫徑向/切向剪切試驗、彎矩傳遞試驗、 縱縫剪切試驗等。并為設(shè)計提供相應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù),同時采用先進的伺服控制,能精確施加需 要的荷載并維持。另外,本專利試驗系統(tǒng)克服了整環(huán)試驗的體量大、試驗系統(tǒng)復(fù)雜,誤差較 大的缺點,試驗結(jié)果更為合理可靠。使用本專利試驗系統(tǒng)進行試驗,不僅可以為設(shè)計提供相 關(guān)的關(guān)鍵參數(shù),而且可供研究盾構(gòu)隧道襯砌管片各種力學(xué)特性之用。
權(quán)利要求
1. 一種可三向加載的多功能襯砌管片接頭力學(xué)性能試驗系統(tǒng),其特征是包括以下部分自平衡框架子系統(tǒng),主要包括構(gòu)成平衡框架結(jié)構(gòu)的主框架(1)和連接梁(2),所述主框 架(1)包括兩個框架頂梁(101)、兩個框架底梁(102)、兩個左框架立柱(103)和兩個右框 架立柱(104),所述兩個左框架立柱(103)之間設(shè)有兩個連接梁(2),所述兩個右框架立柱 (104)之間設(shè)有兩個連接梁(2);加載子系統(tǒng),主要包括X向加載子系統(tǒng)、Y向加載子系統(tǒng)、Z向加載子系統(tǒng),其中 X向加載子系統(tǒng)主要包括X向加載作動器(11)、X向加載右反力梁(1001)、X向加載 左反力梁(1002),所述X向加載右反力梁(1001)兩端分別固定在兩個右框架立柱(104) 上,所述X向加載作動器(11)固定在X向加載右反力梁(1001)上,所述X向加載左反力梁 (1002)兩端分別固定在兩個左框架立柱(103)上;Y向加載子系統(tǒng)主要包括Y向加載頂部反力梁(3)、Y向加載頂部作動器(8)、Y向荷載 分配梁⑷、Y向加載頂部墊梁(5)、Y向加載底部反力梁(6)、Y向加載底部作動器(9)、Y 向加載底部墊梁(7),所述Y向加載頂部反力梁(3)兩端分別固定在兩個框架頂梁(101)下 部,所述Y向加載頂部作動器⑶固定在Y向加載頂部反力梁(3)下部,所述Y向荷載分配 梁(4)與Y向加載頂部作動器(8)加載頭相連,所述Y向加載頂部墊梁(5)與Y向荷載分 配梁(4)下部連接,所述Y向加載底部反力梁(6)兩端分別固定在兩個框架底梁(102)上, 所述Y向加載底部作動器(9)固定在Y向加載底部反力梁(6)上部,所述Y向加載底部墊 梁(7)與Y向加載底部作動器(9)加載頭相連;Z向加載子系統(tǒng)主要包括兩個Z向加載框架前立柱(121)、兩個Z向加載框架后立柱 (122)、兩個Z向加載上拉桿(131)、兩個Z向加載下拉桿(132)、Z向加載前反力梁(141)、 Z向加載后反力梁(142),Z向加載墊梁(15)和Z向加載作動器(16),所述Z向加載前反力 梁(141)兩端分別固定在兩個Z向加載框架前立柱(121)上,所述Z向加載后反力梁(142) 兩端分別固定在兩個Z向加載框架后立柱(122)上,所述Z向加載作動器(16)固定在Z向 加載前反力梁(141)上,所述Z向加載墊梁(15)與Z向加載作動器(16)加載頭相連,所述 每個Z向加載上拉桿(131)兩端分別固定在同側(cè)的Z向加載框架前立柱(121)和Z向加載 框架后立柱(122)上部,所述每個Z向加載下拉桿(132)兩端分別固定在同側(cè)的Z向加載 框架前立柱(121)和Z向加載框架后立柱(122)下部;試件支座子系統(tǒng),主要包括左右兩個支座,每個支座包括支座支撐塊(17),與支座支撐 塊(17)配合用于固定試驗管片的支座固定塊(18),所述支座和框架底梁(102)之間設(shè)有若 干塊墊板(19),所述墊板(19)之間設(shè)有鋼棒(20),所述支座和X向加載左反力梁(1002) 之間設(shè)有柱狀鉸(21);試件運送子系統(tǒng),主要包括兩個Z向基座及分別設(shè)于兩個Z向基座上的軌道(25),兩 個前進后退油缸(26),所述每個前進后退油缸(26) —端固定在一個Z向加載框架前立柱 (121)上,另一端固定在一個Z向基座上,所述每個軌道(25)上安裝有兩個高度調(diào)節(jié)油缸 (23),所述每個高度調(diào)節(jié)油缸(23)下部裝有與所述軌道(25)相配合的滾輪(24),所述兩個 高度調(diào)節(jié)油缸(23)上部設(shè)有一試件臨時支撐梁(22);加載控制子系統(tǒng),主要包括電液加載控制器(27),所述電液加載控制器(27)通過電液 伺服閥來控制X向加載作動器(11)、Y向加載頂部作動器(8)、Y向加載底部作動器(9)、Z向加載作動器(16)、高度調(diào)節(jié)油缸(23)和前進后退油缸(26)的動作;數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng),主要包括上位計算機,與上位計算機相連的數(shù)據(jù)采集器,置于試件內(nèi) 部和表面、并與數(shù)據(jù)采集器相連的傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可三向加載的多功能襯砌管片接頭力學(xué)性能試驗系統(tǒng),其特 征是所述Y向加載頂部作動器(8)為3個,且每個作動器可獨立加卸載,所述Y向加載底 部作動器(9)為2個,且這2個作動器為同步加卸載。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可三向加載的多功能襯砌管片接頭力學(xué)性能試驗系統(tǒng),其特 征是所述Y向荷載分配梁(4)、Y向加載頂部墊梁(5)均為獨立的3套,分別與對應(yīng)的3個 Y向加載頂部作動器(8)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可三向加載的多功能襯砌管片接頭力學(xué)性能試驗系統(tǒng),其特 征是所述X向加載作動器(11)為4個,且中間的2個作動器為同步加卸載,兩側(cè)的另外2 個作動器可獨立加卸載。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可三向加載的多功能襯砌管片接頭力學(xué)性能試驗系統(tǒng),其特 征是所述Z向加載作動器(16)為2個,且這2個作動器為同步加卸載。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可三向加載的多功能襯砌管片接頭力學(xué)性能試驗系統(tǒng),其特 征是所述X向加載作動器(11)、Y向加載頂部作動器⑶、Y向加載底部作動器(9)、Z向 加載作動器(16)均帶有負荷傳感器和位移傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可三向加載的多功能襯砌管片接頭力學(xué)性能試驗系統(tǒng),其特 征是所述X向加載作動器(11)、Y向加載頂部作動器(8)、Z向加載作動器(16)的加載頭 部設(shè)有球鉸。
8 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可三向加載的多功能襯砌管片接頭力學(xué)性能試驗系統(tǒng),其特 征是所述鋼棒(20)、墊板(19)均為可拆卸式。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可三向加載的多功能襯砌管片接頭力學(xué)性能試驗系統(tǒng),其特 征是所述左右兩個支座處分別設(shè)有獨立的、可拆卸的3組支座支撐塊(17)和支座固定塊 (18)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可三向加載的多功能襯砌管片接頭力學(xué)性能試驗系統(tǒng),其 特征是所述柱狀鉸(21)為獨立的、可拆卸的3組。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可三向加載的多功能襯砌管片接頭力學(xué)性能試驗系統(tǒng),其主要包括自平衡框架子系統(tǒng)、加載子系統(tǒng)、試件支座子系統(tǒng)、試件運送子系統(tǒng)、加載控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。加載子系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,通過不同的組合能完成盾構(gòu)隧道襯砌管片環(huán)間剪切試驗、彎矩傳遞試驗、縱縫轉(zhuǎn)角剛度試驗、縱縫徑向剪切試驗等。該系統(tǒng)能較好地模擬盾構(gòu)隧道襯砌管片接頭在實際情況下的三項受力狀態(tài),能完成多種不同的加載方式以測得盾構(gòu)隧道襯砌管片接頭力學(xué)參數(shù),以及其他類似結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。
文檔編號G01N3/24GK102004054SQ20101028997
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者丁文其, 常岐, 彭益成, 朱合華, 沈碧偉, 閆治國, 陳寶, 顧赟, 黃鋒 申請人:同濟大學(xué)