单孔沉管隧道顶板耐火性能试验加载装置的制作方法

本实用新型涉及地下工程结构火灾试验技术领域，可以模拟沉管隧道单孔火灾模型顶板试验中外部荷载的加载装置。

背景技术：

随着地下空间的开发，沉管隧道在过江、过海隧道中的应用广泛，由于隧道深埋于水下，空间有限且出入口十分受限，火灾作为隧道的主要灾害，对人员的生命和设备的运行造成巨大威胁，甚至影响结构安全和密闭性，造成结构变形、渗漏水等严重后果。国内外学者对沉管隧道火灾试验研究逐渐重视，而大比例相似模型试验也渐渐成为隧道工程研究领域的手段。以往采用水和沙土加载装置或者采用均布加载装置来模拟海底隧道的外部荷载，研究沉管隧道火灾试验时采用水和沙土加载装置对试验过程中结构响应不能很好的观测；采用均布加载装置在加载过程中会产生不均匀变形导致加载装置的转动，以往通常采用在荷载较小的板上，加载装置并不高安全性得于保证；而大比例相似隧道模型需要较大的外部荷载，导致采用的均布加载装置过高，且由于加载装置的转动使力的传递不均以及安全得不到保障。随着隧道专业研究的逐渐深入对大比例隧道模型试验加载装置、安全和精度都提出了更高的要求。

技术实现要素：

针对沉管隧道单孔火灾模型试验中存在的问题，本实用新型提供一种在荷载大、火灾工况不对称情况下的加载装置，克服荷载传递不均匀的缺陷和不足，解决荷载大加载装置稳定性问题，保证试验的安全性，为今后隧道火灾研究工作提供试验参考。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种单孔沉管隧道顶板耐火性能试验加载装置，包括自平衡反力架、液压加载装置、两种不同转动形式的加载装置、三脚架传力装置；所述的两种不同转动加载装置分别包括滚轴加载装置和轴承加载装置；

所述滚轴加载装置包括传力杆、滚轴和滚槽；所述传力杆的一端与液压加载装置的加载端连接，另一端与滚轴固定连接；所述滚轴置于滚槽内，并且滚轴曲面与滚槽曲面相同；所述滚轴加载装置通过第一可拆卸的连接装置固定在一级分配梁的正中间，加载过程中通过滚轴传力装置实现平面内的转动；

所述轴承加载装置包括轴承、实心半滚轴和第一半球体；所述轴承的内圆周上固定所述实心半滚轴，并且所述一级分配梁穿过轴承的内圆，并且两端分别于实心半滚轴顶抵；所述轴承的外圆周底部通过第二可拆卸的连接装置固定在二级分配梁正中间，第一半球体的平面端固定在二级分配梁底面两端；

所述第一半球体的球面端与三脚架传力装置的上端面顶抵，三脚架传力装置的下端面设置在沉管隧道的上表面；

所述液压加载装置固定在自平衡反力架的顶梁；自平衡反力架底梁中线放置在沉管隧道纵向方向长度中线上；液压加载装置通过电脑控制荷载速率和荷载大小，作用在自平衡反力架顶梁和沉管隧道顶板上，力传递到沉管隧道与自平衡反力架的底梁上通过自平衡反力架的立柱达到反力架的自平衡。

在一较佳实施例中：所述液压加载装置为液压千斤顶，其通过上锚板、拉杆和下锚板固定在自平衡反力架的顶梁上。

在一较佳实施例中：所述三脚架传力装置包括钢垫板、空心圆钢管；所述空心圆钢管的一端连接在钢垫板的下表面，多个空心圆钢管沿着钢垫板的下表面周向旋转对称分布，空心圆钢管根据所需荷载大小设置其相互之间的角度，相邻的两个空心圆钢管之间连接有钢筋作为拉杆。

在一较佳实施例中：所述第二半球体为三个，呈等边三角形分布。

在一较佳实施例中：所述空心圆钢管的底部与第二半球体的平面端固定。

在一较佳实施例中：所述滚槽的上表面沿着长度方向设置有供传力杆穿过的让位口。

利用上述加载装置进行试验的方法，包括以下步骤：

(1)根据沉管隧道试验模型和所需荷载的大小，确定加载装置合理尺寸；

(2)将液压千斤顶固定在自平衡反力架顶梁正中间处，千斤顶作用头与滚轴传力装置可靠连接，滚轴传力装置底座与一级分配梁固定，在一级分配梁两端套上轴承并用实心半滚轴填充上下间隙，轴承底部与二级分配梁固定，二级分配梁两端底面固定两个半球体；

(3)将三角传力装置置放在沉管隧道孔顶板中间，与二级分配梁两端底面的半球体接触；

(4)根据模拟试验所需荷载要求进行加载。

相较于现有的加载装置，本实用新型有益效果如下：

由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型通过滚轴加载装置与轴承加载装置，使自平衡反力架、液压千斤顶、一二级分配梁形成整体，解决荷载大加载装置稳定性问题，保证试验的安全性；

本实用新型中，克服以往加载模式中荷载传递不均匀的缺陷和不足，能够满足单孔沉管隧道耐火性试验的要求；

本实用新型中能更好的模拟沉管隧道在荷载大和火灾工况不对称的变形，提高了试验的精度，为多孔沉管隧道工程发生不同火灾工况研究与设计提供有力的支持。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型示意性实施例的技术方案，下面将对示意性实施例描述中所需要的附图作简单地介绍，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型提供的一种单孔沉管隧道顶板耐火性能试验加载装置的结构图；

图2为本实用新型提供的一种自平衡反力架的结构图；

图3为本实用新型提供的一种滚轴加载装置的结构图；

图4为本实用新型提供的一级分配梁的侧视图；

图5为本实用新型提供的一种轴承加载装置的结构图；

图6为本实用新型提供的一种三角架传力的装置图；

图中：1是自平衡反力架，2是液压千斤顶，2-1是上锚板，2-2是拉杆，2-3是下锚板，3是滚轴加载装置，3-1是传力杆、3-2是滚轴、3-3是滚槽、3-4是第一可拆卸的连接装置、3-5是一级分配梁，4是轴承加载装置，4-1是轴承、4-2是实心半滚轴、4-3是第二可拆卸的连接装置、4-4是二级分配梁、4-5是第一半球体，5是三脚架传力装置，5-1是钢垫板、5-2是空心圆钢管、5-3是钢筋、5-4是第二半球体。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，其中所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里所用的单数形式“一”、“一种”和“所述”也包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型说明书中实用的措辞“包括”是指存在所述特征、步骤、操作和装置，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作和装置。应该理解，当我们称装置被“连接”或“固定”到另一个装置时，它可以直接连接或固定，或者也可以存在中间装置。此外，这里使用的“连接”或“固定”可以包括可拆卸连接或固接。

本实施例设计了一种单孔沉管隧道顶板耐火性能试验加载装置，沉管隧道单孔火灾模型试验加载装置的结构图如图1所示，包括自平衡反力架1、液压千斤顶2、滚轴加载装置3、两个轴承加载装置4、四个三脚架传力装置5、沉管隧道6。

液压千斤顶2通过上锚板2-1、拉杆2-2和下锚板2-3固定在自平衡反力架1顶梁上，自平衡反力架1底梁中线放置在沉管隧道6纵向方向长度中线上，液压千斤顶1通过电脑控制荷载速率和荷载大小，作用在自平衡反力架1顶梁和沉管隧道6顶板上，力传递到沉管隧道6底板与反力架底梁上通过反力架1柱达到反力架的自平衡，如图2所示。

所述滚轴加载装置3包括传力杆3-1、滚轴3-2和滚槽3-3；所述传力杆3-1的一端与液压千斤顶2的加载端连接，另一端与滚轴3-2固定连接；所述滚轴3-2至于滚槽3-3内，并且滚轴3-2曲面与滚槽3-3曲面相同；所述滚轴加载装置4通过第一可拆卸的连接装置3-4固定在一级分配梁3-5的正中间，加载过程中通过滚轴传力装置3实现平面内的转动，保障整个加载装置的稳定性，如图3所示。并且，所述滚槽3-3的上表面沿着长度方向设置有供传力杆3-1穿过的让位口，使其能承受液压千斤顶2施加的力而不变形，并能适应一级分配梁3-5与液压千斤顶2之间的转动，只做平面内的转动保证加载装置的稳定性，并能起到未加力时也能保证加载装置的整体性。

所述轴承加载装置4包括轴承4-1、实心半滚轴4-2和第一半球体4-5；所述轴承4-1的内圆周上固定所述实心半滚轴4-2，并且所述一级分配梁35穿过轴承4-1的内圆，并且两端分别于实心半滚轴4-2顶抵；所述轴承4-1的外圆周底部通过第二可拆卸的连接装置4-3固定在二级分配梁4-4正中间，第一半球体4-5的平面端固定在二级分配梁4-4底面两端。

所述第一半球体4-5的球面端与三脚架传力装置5的上端面顶抵，三脚架传力装置5的下端面设置在沉管隧道6的上表面；

所述三脚架传力装置5包括钢垫板5-1、空心圆钢管5-2；所述空心圆钢管5-2的一端连接在钢垫板5-1的下表面，多个空心圆钢管5-2沿着钢垫板5-2的下表面周向旋转对称分布，空心圆钢管5-2根据所需荷载大小设置其相互之间的角度，相邻的两个空心圆钢管5-2之间连接有钢筋5-3作为拉杆。

所述空心圆钢管5-2的底部与第二半球体5-4的平面端固定。本实施例中，空心圆钢管5-2为三个，与之对应的三个第二半球体5-4构成等边三角形，加载过程中通过4个三脚架传力装置5把力均匀的加载到沉管隧道6孔顶板中间处，如图5所示。

进行试验时，具体试验过程如下：

(1)首先应根据试验模型大小和所需荷载的大小选择合适的反力架、滚轴加载装置、轴承加载装置、三脚架传力装置的合理尺寸以及合理的液压千斤顶加载装置；

(2)按照图1所示的各部分示意图安置相关装置，将4个三脚架传力装置放置在沉管隧道两孔顶板中间处均匀布置，两根二级分配梁通过4个半球体平行于沉管隧道横截面放置在三脚架上，一级分配梁沿沉管隧道纵向通过4个轴承放置在二级分配梁中点处，滚轴传力装置与一级分配梁中点固定并与液压千斤顶作用头固定；

(3)试验进行加载时，若沉管隧道两孔顶板变形不对称，上部滚轴加载装置和轴承加载装置可以发生一定角度的转动，保证三脚架与沉管隧道顶面紧密贴合，使力能始终保持垂直试验模型顶面向下传递；

(4)试验完毕后，卸载液压千斤顶的力，后移开三脚架再依次由下向上拆卸，可循环利用此加载装置。

由上述本实用新型实施例提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例通过加载装置适应沉管隧道单孔火灾顶板变形的不对称，保障整个加载装置的稳定性，克服传统加载装置对于沉管隧道单孔火灾试验的限制，提高试验过程的安全性与精度，为多孔隧道在不同火灾工况试验研究与设计提供有力支持。

以上仅为本实用新型的优选实施例，但本实用新型的范围不限于此，本领域的技术人员可以容易地想到本实用新型所公开的变化或技术范围。替代方案旨在涵盖在本实用新型的范围内。因此，本实用新型的保护范围应由权利要求的范围确定。