一种管片接头刚度可控变化的隧道模型试验方法
【专利摘要】一种管片接头刚度可控变化的隧道模型试验方法，其作法是：A、制作模型:在模型隧道管片(1)的接头端预埋电磁铁(2)；B、仪器布置及初始化:在模型隧道管片(1)的接头端的侧面布置应变片(3)或位移计；向电磁铁(2)通以设定的初始电流，使电磁铁的磁力模拟接头的初始刚度；C、加载试验:根据每一阶段的荷载和测得的位移值计算出相应的电磁铁电流计算值，将下一级加载时电磁铁的电流值改变成电流计算值，而模拟出每一阶段的管片接头的刚度。该方法试验时管片接头的刚度会随荷载的变化而相应变化，更符合实际工程中隧道管片接头的力学行为，其试验测试数据更准确、可靠，能为隧道工程的设计、施工与维护提供准确、可靠的试验依据。
【专利说明】一种管片接头刚度可控变化的隧道模型试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种管片接头刚度可控变化的隧道模型试验方法。
【背景技术】
[0002]隧道工程中，实际工程和结构的原型一般尺寸较大且较为复杂，其力学性能和受力机理往往无法通过对结构直接进行研究而获得。而必须采用模型试验，即:借助于模型，根据相似原理和相似准则进行试验，从而得到结构的各项数据和性能，为隧道的设计和施工提供试验依据。盾构隧道使用管片拼接而成，管片间存在接头，管片接头的连接方式有多种，通常采用的有螺栓接头、无连接件接头、插入式接头、销插式接头。由于其结构特点，管片接头在整个结构中的作用至关重要，不管是从宏观的计算模型，或者是管片接头的微观构造，管片接头处的结构形态、变形和应力状态等均具有典型的非线性特征。而管片接头处的刚度等力学性能变化，会对接头处的接触关系、结构整体的荷载，产生重要影响，特别是当荷载达到结构失稳临界状态时，对隧道结构整体受力状态和变形具有非常大的影响。因此在试验中，应该考虑管片接头的力学性能的变化，以真实反映实际工作情况。
[0003]目前隧道模型试验中模拟管片接头刚度的方法有两类:
[0004]第一类方法是对由聚乙烯管(PE管)等合成材料制作的模型，经过相似比计算后用螺丝+薄塑料片(PE片)对接头进行模拟。该方法中采用的材料与混凝土力学性能差异较大，采用螺丝+PE片固定的方法不是实际接头的连接方式，螺丝孔也削弱了整体结构的刚度，引起应力集中，其接头的布置方式虽然可以调整，但是其受力机理与实际不同，不能真实反映接头的力学性能。
[0005]第二类方法是对由石膏等胶凝材料制作的模型，采用在隧道衬砌结构受拉区割槽削弱截面的方式，通过计算确定对应于特定荷载工况各接头所需的开口深度，在试验前进行相应深度的割槽。但由于割槽的深度不能在试验中随荷载等因素变化，因此不能真实反映管片接头在隧道开挖和运营过程中力学特性的变化。
[0006]而实际工程中的管片接头的刚度是随着荷载等外部环境的变化而改变的，因此，以上方法中对于接头刚度的模拟，只能针对管片接头特定的一种受力状态，其实验的刚度等力学性能在试验过程中不能随荷载等其他因素改变，与实际工程中隧道接头的力学行为不符，导致这些模型试验方法的试验结果的误差大，可靠性低，不能为隧道工程的设计、施工与维护提供准确、可靠的试验依据。同时由于管片接头刚度固定，现有接头的模拟方法也不能够研究管片接头刚度对隧道结构整体的变形和受力状态的影响。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种管片接头刚度可控变化的隧道模型试验方法，该方法在隧道模型试验过程中管片接头的刚度会随荷载的变化而相应变化，更加符合实际工程中隧道管片接头的力学行为，从而其试验测试数据更准确、可靠，能为隧道工程的设计、施工与维护提供准确、可靠的试验依据。[0008]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种管片接头刚度可控变化的隧道模型试验方法，其作法是:
[0009]A、制作模型制作出分离的模型隧道管片，并在模型隧道管片的接头端预埋电磁铁，并用模具将模型隧道管片对位拼成模型隧道；
[0010]B、仪器布置及初始化在模型隧道管片的接头端的侧面布置应变片或位移计；向电磁铁通以设定的初始电流，使电磁铁的磁力模拟管片间接头的初始刚度；
[0011]C、加载试验
[0012]对模型隧道逐级加载；每级加载后根据加载的荷载和应变片或位移计测得到的应变值或位移量，计算出模型隧道管片接头端的内力，得到该阶段对应的管片接头刚度的电磁铁的该阶段电流值；然后通过电源向电磁铁通以该阶段电流值的电流，以模拟出模型隧道管片接头在该阶段的刚度，然后进行下一级的加载，直至加载完设定的级数或盾构隧道模型破坏。
[0013]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0014]1、将现有试验中隧道结构接头刚度固定不变改为随荷载变化而相应变化，即根据每一阶段的荷载和测得的位移值计算出相应的电磁铁电流计算值，通过将电磁铁中的电流值改变成电流计算值，而模拟出该阶段的管片接头的刚度。从而更加准确真实地模拟出隧道衬砌结构接头刚度在实际工程中的非线性变化，更加符合实际工程中隧道接头的力学行为，从而其试验测试数据更准确、可靠，能为隧道工程的设计、施工与维护提供准确、可靠的试验依据。
[0015]2、本发明方法可通过等效计算结果，对接头的刚度进行定量控制，从而既可以通过实验得到管片接头在不同外部条件下的力学行为和破坏形态，也可以通过实验得到在相应管片接头刚度条件下，整个隧道结构在其他外部条件下的力学行为和破坏形态，方便研究隧道结构接头刚度对整体结构的变形和受力状态的影响。
[0016]上述的模型隧道管片的接头端预埋的电磁铁为多层，每层中的电磁铁为多个。
[0017]采用多个多层电磁铁进行管片接头的刚度控制，可以更好地模拟实际隧道管片接头处各部分不同的受力情况，从而更好地反映试验中管片接头真实的工作情况。
[0018]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明实施例的模拟管片接头的结构示意图。
[0020]图2是实际管片接头的受力状态示意图。
[0021]图3是本发明实施例的模拟管片接头的受力状态示意图。
[0022]图4是本发明实施例的模拟管片接头的力学特性曲线。
【具体实施方式】
[0023]实施例
[0024]图1示出，本发明的一种【具体实施方式】为，一种管片接头刚度可控变化的隧道模型试验方法，其作法是:
[0025]A、制作模型制作出分离的模型隧道管片1，并在模型隧道管片I的接头端预埋电磁铁2，并用模具将模型隧道管片I对位拼成模型隧道；
[0026]B、仪器布置及初始化在模型隧道管片I的接头端的侧面布置应变片3或位移计；向电磁铁2通以设定的初始电流，使电磁铁的磁力模拟管片间接头的初始刚度；
[0027]C、加载试验
[0028]对模型隧道逐级加载；每级加载后根据加载的荷载和应变片3或位移计测得到的应变值或位移量，计算出模型隧道管片I接头端的内力，得到该阶段对应的管片接头刚度的电磁铁2的该阶段电流值；然后通过电源向电磁铁2通以该阶段电流值的电流，以模拟出模型隧道管片I接头在该阶段的刚度，然后进行下一级的加载，直至加载完设定的级数或盾构隧道模型破坏。
[0029]本例的模型隧道管片I的接头端预埋的电磁铁2为多层，每层中的电磁铁2为多个。
[0030]本发明中模拟管片接头刚度的对应电流值的计算方法如下:
[0031]根据管片接头的实际受力状态，如图2所示，由管片接头抗弯刚度定义有:
[0032]Ke =M/θ ①
[0033]①式中Θ为接头张开角度，由试验设备测得；M为作用在接头处的力偶。
[0034]由于接头处受力复杂，在试验中以多排电磁铁进行模拟，其受力状态如图3所示，则有:
[0035]M=E FiIii ②
[0036]②式中比为各排电磁铁到受压区合力作用点的距离A为各排电磁铁的吸力大小，通过电流控制，其计算公式按照以下经验公式进行计算确定:
【权利要求】
1.一种管片接头刚度可控变化的隧道模型试验方法，其作法是: A、制作模型 制作出分离的模型隧道管片(I)，并在模型隧道管片(I)的接头端预埋电磁铁(2)，并用模具将模型隧道管片(I)对位拼成模型隧道； B、仪器布置及初始化 在模型隧道管片(I)的接头端的侧面布置应变片(3)或位移计；向电磁铁(2)通以设定的初始电流，使电磁铁的磁力模拟管片间接头的初始刚度； C、加载试验 对模型隧道逐级加载；每级加载后根据加载的荷载和应变片(3)或位移计测得到的应变值或位移量，计算出模型隧道管片(I)接头端的内力，得到该阶段对应的管片接头刚度的电磁铁(2)的该阶段电流值；然后通过电源向电磁铁(2)通以该阶段电流值的电流，以模拟出模型隧道管片(I)接头在该阶段的刚度，然后进行下一级的加载，直至加载完设定的级数或盾构隧道模型破坏。
2.根据权利要求1所述的一种管片接头刚度可控变化的隧道模型试验方法，其特征在于:所述的模型隧道管片(I)的接头端预埋的电磁铁(2)为多层，每层中的电磁铁(2)为多个。
【文档编号】E21D9/00GK103953349SQ201410169143
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月24日 优先权日:2014年4月24日
【发明者】封坤, 何川, 齐春, 王均勇, 郭思良, 代聪 申请人:西南交通大学