一种地铁盾构隧道管片加固补强效果测定试验设备的制作方法

本实用新型属于结构构件力学性能试验技术领域，具体涉及一种地铁盾构隧道管片加固补强效果测定试验设备。

背景技术：

在地铁盾构隧道的施工和运维期间，衬砌管片都是最主要的承载结构，必须满足强度和变形要求，因地层条件差、盾构通过时超欠挖、注浆质量不满足要求、地面堆载、管片结构性能劣化的影响等，均可能导致衬砌管片发生破坏，因此需要关注破损管片的加固补强及加固后的效果。地铁盾构隧道衬砌管片由单块管片拼装而成，存在大量的沿环向和纵向的接头，尤其对于加固后管片及接头，其力学特性更为复杂。鉴于上述原因，需要对地铁盾构隧道管片加固补强效果进行研究。

目前，对盾构管片力学性能的研究包括建立各类内力计算模型、进行三维数值模拟、相似模型试验和足尺试验，其中不乏对单管片和管片接头性能的研究，但对破损管片加固后管片及接头的力学性能的研究较为匮乏，且由于进行足尺试验占用空间大、操作复杂、现场还原度低，对破损管片加固后的结构力学性能认识不足。

技术实现要素：

本实用新型针对现有地铁盾构隧道管片及接头力学性能测试试验中加载模式单一、操作复杂、现场还原度低等问题，提供一种地铁盾构隧道管片加固补强效果测定试验设备。

本实用新型的技术方案是：一种地铁盾构隧道管片加固补强效果测定试验设备，包括设备基础，所述设备基础上设置有对试验用管片进行竖向加载的竖向加载组件和对试验用管片在水平面内横向加载的水平横向加载组件、纵向加载的水平纵向加载组件，所述水平纵向加载组件与设备基础滑动配合便于取放试验用管片。

所述竖向加载组件包括设置在设备基础上的竖向加载立柱，所述竖向加载立柱成对设置，竖向加载立柱之间设置有竖向加载次梁，所述竖向加载次梁下端设置有竖向加载主梁，所述竖向加载主梁下端设置有竖向加载用的竖向加载作动器。

所述水平横向加载组件包括设置在设备基础上的水平横向加载立柱，所述水平横向加载立柱成对设置，所述水平横向加载立柱上端设置有水平横向加载拉杆，一对水平横向加载立柱的相对侧面分别设置有加载用的水平横向加载作动器和支撑用的水平横向撑杆。

所述设备基础设置有导轨，所述水平纵向加载组件包括ⅰ号水平纵向反力框、ⅱ号水平纵向反力框，所述ⅰ号水平纵向反力框、ⅱ号水平纵向反力框沿导轨滑动，所述ⅰ号水平纵向反力框、ⅱ号水平纵向反力框之间设置有连接且调节间距的螺纹拉杆，所述ⅱ号水平纵向反力框端部设置有作动器支撑，所述作动器支撑上设置有水平纵向加载作动器。

所述竖向加载次梁设置在两个水平横向加载拉杆之间。

所述试验用管片中部存在管片连接接头，所述试验用管片内侧设置有管片加固部。

所述竖向加载作动器的活动端与竖向加载分配梁上端的垫板相连，所述竖向加载分配梁下端形成与试验用管片相适应的弧形。

所述ⅰ号水平纵向反力框、水平纵向加载作动器的活动端均设置有水平纵向延长梁，所述水平纵向延长梁另一端设置有连接角钢，所述连接角钢中设置有支撑槽钢，所述支撑槽钢中形成倾斜且与试验用管片端部相适应的支撑槽。

所述水平横向撑杆、水平横向加载作动器的活动端均设置有水平横向加载连接件，所述横向加载连接件另一端与水平横向分配梁相连，所述水平横向分配梁为与试验用管片侧壁相适应的弧形。

所述横向加载连接件包括延长横梁、延长支柱，所述延长横梁连接水平横向分配梁的弧形两端。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型可以从竖向、水平横向和水平纵向三个方向对管片构件进行加载，且既能实现同步加载，又可进行异步加载，模拟更为真实的盾构管片受力情况。

本实用新型有效试验空间大，水平横向和纵向加载范围可分别由水平横向撑杆和梯形螺纹拉杆进行调节，配合不同形式的分配梁辅具，适应多种拼接形式管片结构的加载，应用范围广。

本实用新型三个方向的加载作动器有效加载量程均较大，能够实现对各种工况下加固补强管片的加载。

本实用新型三个方向的作动器采用伺服控制，具备力控制、位移控制及力、位移控制的平滑转换功能，可实现正弦波、方波、三角波、梯形波等波形加载，并分别对每个方向的加载过程进行控制和负荷保持，保证加载过程的有效性。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型中竖向加载组件的连接立体图；

图3是本实用新型中水平横向加载组件的连接立体图；

图4是本实用新型中水平纵向加载组件的连接立体图；

图5是本实用新型中试验用管片的结构示意图；

图6是本实用新型中试验用管片的加载模式示意图；

图7是本实用新型中试验用管片加载状态下的示意图；

图8是本实用新型中竖向加载分配梁的立体图；

图9是本实用新型中水平纵向加载分配梁的立体图；

图10是本实用新型中水平横向加载分配梁的立体图；

其中：

1竖向加载次梁2竖向加载主梁

3竖向加载立柱4竖向加载作动器

5水平横向加载拉杆6防倾斜横撑

7水平横向加载立柱8水平横向撑杆

9水平横向加载作动器10ⅰ号水平纵向反力框

11ⅱ号水平纵向反力框12螺纹拉杆

13作动器支撑14水平纵向加载作动器

15导轨16设备基础

17反力孔18试验用管片

19管片加固部20竖向加载分配梁

21管片连接接头22水平纵向分配梁

23垫板24连接角钢

25支撑槽钢26水平纵向延长梁

27支撑槽28延长横梁

29延长支柱30水平横向分配梁。

具体实施方式

以下，参照附图和实施例对本实用新型进行详细说明：

如图1~10所示，一种地铁盾构隧道管片加固补强效果测定试验设备，包括设备基础16，所述设备基础16上设置有对试验用管片18进行竖向加载的竖向加载组件和对试验用管片18在水平面内横向加载的水平横向加载组件、纵向加载的水平纵向加载组件，所述水平纵向加载组件与设备基础16滑动配合便于取放试验用管片18。

所述竖向加载组件包括设置在设备基础16上的竖向加载立柱3，所述竖向加载立柱3成对设置，竖向加载立柱3之间设置有竖向加载次梁1，所述竖向加载次梁1下端设置有竖向加载主梁2，所述竖向加载主梁2下端设置有竖向加载用的竖向加载作动器4。

所述水平横向加载组件包括设置在设备基础16上的水平横向加载立柱7，所述水平横向加载立柱7成对设置，所述水平横向加载立柱7上端设置有水平横向加载拉杆5，一对水平横向加载立柱7的相对侧面分别设置有加载用的水平横向加载作动器9和支撑用的水平横向撑杆8。

同侧的水平横向加载立柱7背部设置有防倾斜横撑6，从而使同侧的水平横向加载立柱7连接成为一个整体，而两侧的水平横向加载立柱7通过顶部的水平横向加载拉杆5连接成为一个整体，从而保证在水平横向加载作动器9、水平横向撑杆8加载的过程中一对水平横向加载立柱7不会发生错位，且水平横向加载组件不会发生倾斜。

所述设备基础16设置有导轨15，所述水平纵向加载组件包括ⅰ号水平纵向反力框10、ⅱ号水平纵向反力框11，所述ⅰ号水平纵向反力框10、ⅱ号水平纵向反力框11沿导轨15滑动，所述ⅰ号水平纵向反力框10、ⅱ号水平纵向反力框11之间设置有连接且调节间距的螺纹拉杆12，所述ⅱ号水平纵向反力框11端部设置有作动器支撑13，所述作动器支撑13上设置有水平纵向加载作动器14。

所述竖向加载次梁1设置在两个水平横向加载拉杆5之间。

所述试验用管片18中部存在管片连接接头21，所述试验用管片18内侧设置有管片加固部19。

所述竖向加载作动器4的活动端与竖向加载分配梁20上端的垫板23相连，所述竖向加载分配梁20下端形成于试验用管片18相适应的弧形。

所述ⅰ号水平纵向反力框10、水平纵向加载作动器14的活动端均设置有水平纵向延长梁26，所述水平纵向延长梁26另一端设置有连接角钢24，所述连接角钢24中设置有支撑槽钢25，所述支撑槽钢25中形成倾斜且与试验用管片18端部相适应的支撑槽27。

所述水平横向撑杆8、水平横向加载作动器9的活动端均设置有水平横向加载连接件，所述横向加载连接件另一端与水平横向分配梁30相连，所述水平横向分配梁30为与试验用管片18侧壁相适应的弧形。

所述横向加载连接件包括延长横梁28、延长支柱29，所述延长横梁28连接水平横向分配梁30的弧形两端。

所述设备基础16中形成多个反力孔17，所述反力孔17阵列布设在设备基础16中。

所述ⅰ号水平纵向反力框10、水平纵向加载作动器14活动端部的水平纵向延长梁26、连接角钢24、支撑槽钢25组成水平纵向分配梁22。

所述水平纵向分配梁22、水平横向分配梁30对试验用管片18施加水平横向力和水平纵向力。

所述竖向加载组件、水平横向加载组件、水平纵向加载组件通过设备基础16上的反力孔17进行固定。

所述水平纵向加载组件中的ⅰ号水平纵向反力框10、ⅱ号水平纵向反力框11可以沿着导轨15滑动，同时，水平纵向加载组件中两个支撑槽27在未加载的状态下能够对试验用管片18进行支撑，从而使试验用管片18随着ⅰ号水平纵向反力框10、ⅱ号水平纵向反力框11移动，直至竖向加载组件、水平横向加载组件所在的加载范围，从而进行三向的加载试验。

所述ⅰ号水平纵向反力框10或ⅱ号水平纵向反力框11采用随车手柄加无线遥控的操作方式，所述ⅰ号水平纵向反力框10或ⅱ号水平纵向反力框11下端设置有车轮，其车轮均带升降功能，断电自动刹车。

所述管片加固部19包括粘贴钢板、粘贴碳纤维布、复合材料衬砌加固。

所述竖向加载分配梁20、水平纵向分配梁22、水平横向分配梁30能够对加载作动器施加的载荷进行分配，从而避免集中应力，保证测定试验的准确性、可靠性。

所述ⅰ号水平纵向反力框10或ⅱ号水平纵向反力框11能够根据螺纹拉杆12调节二者之间的间距，从而适应不同尺寸的试验用管片18。

试验用管片18内侧采用钢板、碳纤维布或复合材料衬砌19进行加固，加固后的拼装管片作为试验构件。将水平纵向加载组件通过轨道15移出竖向加载组件、水平横向加载组件所在空间，在试验构件上安装好竖向加载分配梁20、水平纵向分配梁22、水平横向分配梁30，并吊装至水平纵向加载组件内，之后将安装好的试验构件随水平纵向加载组件一同移入竖向加载组件、水平横向加载组件所在空间就位。四个竖向加载作动器4可按模数沿竖向加载主梁2长度方向调整安装位置，竖向加载主梁2可按模数沿竖向加载立柱3上下调整安装高度，方便对不同尺寸的试验构件进行加载试验，试验构件与竖向加载主梁2的间距可自由调整，竖向加载作动器4加载点分别作用在对应的垫板23上。四个水平横向加载作动器9与水平横向加载立柱7通过螺栓连接，可按模数沿高度方向调整安装位置，水平横向加载作动器9作用于延长横梁28和延长支柱29上，水平横向撑杆8可以上下移动以对准分配梁上合适的加载位置。

四个水平纵向加载作动器14通过螺栓安装在ⅱ号水平纵向反力框11上，可按模数调整安装高度，ⅱ号水平纵向反力框11按照设备基础16上的反力孔17调整安装位置，并可沿加载方向移动，水平纵向加载作动器14作用在水平纵向延长梁26上。

将位移计和应变片安装在试验构件的待测位置，并与数据采集仪上对应的测点相连，精确校准控制作动器与控制数据采集仪的电脑的时间，竖向作动器设置为同步控制，检验位移计和应变片的读数，确认所有测点读数都正常后开始进行加载。

三个方向的作动器都以力控制的形式加载，开始加载前将竖向作动器同步控制，分别对竖向、水平横向和水平纵向各作动器施加10kn的荷载，使得作动器、管片构件和试验装置之间紧密接触。增大横向作动器的加载力，并同步增加竖向荷载，控制加载时间并持荷。完成上级加载工况的持荷后，进行下一级加载，当管片构件达到极限状态时，停止加载。分别卸去三个方向加载作动器的荷载，试验结束。

试验数据的采集包括应变数据和位移数据，应变数据包括管片混凝土内弧面、外弧面和侧面的应变，上排钢筋和下排钢筋的应变，加固补强材料的应变；位移数据包括管片跨中的挠度，两片试验用管片18接头处的张开量和挠度。试验中需记录管片的初裂荷载、极限承载力、裂缝为0.2mm时的荷载、管片跨中挠度以及管片的变形。从而得到荷载——挠度曲线、荷载——接缝张开量变化关系、加固补强材料的应力、应变变化、破坏形态及过程，以描述加固补强后盾构隧道管片及接头的力学性能，评价加固效果。

本实用新型可以从竖向、水平横向和水平纵向三个方向对管片构件进行加载，且既能实现同步加载，又可进行异步加载，模拟更为真实的盾构管片受力情况。

本实用新型有效试验空间大，水平横向和纵向加载范围可分别由水平横向撑杆和梯形螺纹拉杆进行调节，配合不同形式的分配梁辅具，适应多种拼接形式管片结构的加载，应用范围广。

本实用新型三个方向的加载作动器有效加载量程均较大，能够实现对各种工况下加固补强管片的加载。

本实用新型三个方向的作动器采用伺服控制，具备力控制、位移控制及力、位移控制的平滑转换功能，可实现正弦波、方波、三角波、梯形波等波形加载，并分别对每个方向的加载过程进行控制和负荷保持，保证加载过程的有效性。