盾构管片接头直剪试验装置的制作方法

本实用新型属于隧道工程技术领域，具体涉及一种盾构管片接头直剪试验装置。

背景技术：

盾构法在目前隧道修建方法中占有重要的地位，特别是在市政及大型水下隧道等工程中。盾构管片作为盾构隧道的衬砌结构，一旦破损就会对工程的施工和运营造成严重影响且修复起来非常困难，所以其受力特性的研究就显得尤为重要；而管片接头作为管片的连接装置和薄弱环节，是重点研究的对象。在这样的背景下，管片接头试验的研究在近些年也愈来愈多，研究的范围也愈来愈广，随着一般性的管片接头加载试验的继续深入，管片接头直剪试验开始成为新的研究点。

现有的接头试验加载装置，用水平推力模拟管片轴力，在管片接头的两侧通过千斤顶向施加竖向荷载，模拟管片接头弯矩，进而测出管片接头的承载能力和抗弯性能。这样的装置一般用于接头抗弯试验，而无法直接适用于接头直剪试验。部分为直剪试验设计的加载装置，虽然针对直剪试验的特性进行了改动，但仍然难以满足理想状态下的试件约束条件。

上述加载装置在直剪试验中存在如下缺陷：

(1)现有的直剪试验加载装置及传统的管片接头弯矩加载装置对于边界条件的模拟，普遍与理想状态不符。由于不能较好地模拟管片两端的约束与管片受力状态，试件或多或少会受到附加弯矩或位移的影响，与预期中“只受轴力和剪力”的受力模型不符，从而会使得实验结果偏差较大；

(2)加载装置通过某一特定方向的千斤顶来施加剪力，只能从一个方向向管片施加剪力，如要施加另一个方向的剪力，则必须先拆卸管片，将管片翻转再重新安装管片，也即不能无间隙地对管片施加交替变化的弯矩。而在地震作用下，管片接头在地震波的作用下接头所受的剪力方向是动态交替变化的，因此，现有试验装置不能进行地震作用下管片接头的抗震(直剪)性能试验。

技术实现要素：

本实用新型涉及一种盾构管片接头直剪试验装置，至少可解决现有技术的部分缺陷。

本实用新型涉及一种盾构管片接头直剪试验装置，包括机架，所述机架上设有管片轴向限位单元、管片竖向限位单元以及剪力加载单元，所述管片竖向限位单元与所述剪力加载单元之间的相对位置关系满足：试验管片被所述管片轴向限位单元轴向限位后，所述管片竖向限位单元与所述剪力加载单元分列于管片接头两侧。

作为实施方式之一，所述管片竖向限位单元包括反力架，所述反力架包括安装于所述机架上的框架座、用于与管片底端抵靠的下承力台以及用于与管片顶端抵靠的上承力台，所述上承力台与所述下承力台均设于所述框架座上。

作为实施方式之一，所述管片轴向限位单元包括第一传力座和第二传力座，所述第一传力座、所述管片竖向限位单元、所述剪力加载单元与所述第二传力座沿水平方向依次排列，所述第二传力座上设有用于与试验管片端部滚动摩擦式接触的多个滚动构件，各滚动构件的轴向均为水平向且垂直于所述第一传力座与所述第二传力座之间的水平排列方向。

作为实施方式之一，所述第一传力座与所述第二传力座之间的水平间距可调。

作为实施方式之一，其中一传力座为固定传力座而另一传力座为活动传力座，该活动传力座连接有轴向力加载单元；

或者，两传力座均为活动传力座，其中一活动传力座连接有轴向力加载单元而另一活动传力座对应配置有行程端限位挡板；

或者，两传力座均为活动传力座，并且两个活动传力座均连接有轴向力加载单元；

所述活动传力座滑设于所述机架上并且滑移方向平行于所述第一传力座与所述第二传力座之间的水平排列方向。

作为实施方式之一，所述轴向力加载单元包括输出轴轴向为水平向的水平驱动液压缸。

作为实施方式之一，所述剪力加载单元包括一组或两组剪力加载机构，

所述剪力加载机构为一组时，其剪力加载方向为竖直向上方向或竖直向下方向；

所述剪力加载机构为两组时，两组剪力加载机构分列于机架上的管片安装位的上下两侧。

作为实施方式之一，每组剪力加载机构包括用于与试验管片接触从而传递剪力的剪切梁以及布置于所述剪切梁的远离管片安装位一侧的剪力输出结构，所述剪切梁滑设于所述机架上并且与所述剪力输出结构连接。

作为实施方式之一，所述剪力加载机构包括输出轴轴向为竖向的竖向驱动液压缸。

本实用新型至少具有如下有益效果：

本实用新型提供的试验装置，通过管片轴向限位单元与管片竖向限位单元配合，能够较好地模拟管片直剪试验所需的管片约束条件，减少或避免试验管片受到附加弯矩等情况，使试验结果更加准确、真实、可靠。

本实用新型进一步具有如下有益效果：

本实用新型提供的试验装置，通过在第二传力座上设置滚动构件，试验管片的对应侧端部与第二传力座之间的相对摩擦阻力较小，该试验管片具备相对于第二传力座发生自由竖向位移的条件，较好地模拟管片端部约束条件，从而使得试验条件更加地接近/模拟管片直剪试验的理想条件状态，提高试验结构的准确性和可靠性。

本实用新型进一步具有如下有益效果：

本实用新型提供的试验装置，采用两组剪力加载机构可实现对试验管片接头正负剪力的动态交替加载，实现盾构管片接头抗震性能等工况的试验，模拟结构准确可靠，为盾构隧道的设计、施工、运营提供更全面、准确、经济、安全、可靠的试验数据。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型实施例提供的盾构管片接头直剪试验装置(采用一组剪力加载机构)的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本实用新型实施例提供的盾构管片接头直剪试验装置(采用两组剪力加载机构)的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的反力架的结构示意图。

具体实施方式

下面对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-图3，本实用新型实施例提供一种盾构管片接头直剪试验装置，包括机架1，所述机架1上设有管片轴向限位单元、管片竖向限位单元以及剪力加载单元，所述管片竖向限位单元与所述剪力加载单元之间的相对位置关系满足：试验管片2被所述管片轴向限位单元轴向限位后，所述管片竖向限位单元与所述剪力加载单元分列于管片接头两侧。

上述管片轴向限位单元的作用在于对试验管片2进行轴向限位；上述管片竖向限位单元的作用在于对试验管片2进行竖直方向上的限位，避免相应位置处的管片发生竖向位移，而剪力加载单元即用于对试验管片2加载剪力。

本实施例中，上述的管片接头优选为是盾构管片纵缝，即盾构管片纵缝所对应的两个管片板件之间的连接位置，则可以理解地，以相邻两个管片板件拼接后的管片结构为上述试验管片2，上述管片竖向限位单元作用于其中一个管片板件上，上述剪力加载单元作用于另一个管片板件上，二者是沿该试验管片2轴向分列于管片接头两侧的。本领域技术人员知悉，试验管片2所受到的轴力/轴向力对应的是实际管片环内两个管片板件之间的挤压力，是垂直于管片纵缝的，例如封顶块与邻接块之间的挤压力；若以直板式的管片板件作为试验用的管片板件(此为常规的试验条件设定)，则管片板件的轴向平行于其长度方向、垂直于其宽度方向。

本实施例提供的试验装置，通过管片轴向限位单元与管片竖向限位单元配合，能够较好地模拟管片直剪试验所需的管片约束条件，减少或避免试验管片2受到附加弯矩等情况，使试验结果更加准确、真实、可靠。

进一步优化上述实施例，如图1-图3，所述管片轴向限位单元包括第一传力座31和第二传力座32，所述第一传力座31、所述管片竖向限位单元、所述剪力加载单元与所述第二传力座32沿水平方向依次排列，所述第二传力座32上设有用于与试验管片2端部滚动摩擦式接触的多个滚动构件321，各滚动构件321的轴向均为水平向且垂直于所述第一传力座31与所述第二传力座32之间的水平排列方向。基于该结构，试验管片2的对应侧端部与第二传力座32之间的相对摩擦阻力较小，该试验管片2具备相对于第二传力座32发生自由竖向位移的条件，较好地模拟管片端部约束条件，从而使得试验条件更加地接近/模拟管片直剪试验的理想条件状态，提高试验结构的准确性和可靠性。

需要说明的是，由于管片竖向限位单元的作用，第一传力座31与试验管片2的对应侧端部之间也可设置为滚动摩擦式接触条件，但更优选为该第一传力座31与试验管片2之间为常规接触摩擦方式，例如该第一传力座31的对应端部(即其靠近第二传力座32的端部)为钢板，通过该第一传力座31与管片竖向限位单元的协同作用，能够更好地达到试验管片2约束状态。

对于上述的滚动构件321，其可采用滚轮，本实施例中，优选为采用辊式结构，例如在第二传力座32的对应端部自上而下设置一排钢辊，相邻两钢辊之间的间距显然是小于试验管片2的厚度的。

进一步优选地，所述第一传力座31与所述第二传力座32之间的水平间距可调，从而该试验装置可适用于多种规格的盾构管片的管片接头直剪试验，因而具有较好的泛用性。二者之间的水平间距可以采用人工调节的方式，例如在机架1上对应设置多个螺栓安装位，通过其中一个传力座底部的螺栓孔与不同的螺栓安装位相对而实现上述间距调节；显然地，更优选的方案在于采用自动调节的方式，便于远程操控，安全性高。其中，可以有如下可行的设计方案：(1)其中一传力座为固定传力座而另一传力座为活动传力座，该活动传力座连接有轴向力加载单元；(2)两传力座均为活动传力座，其中一活动传力座连接有轴向力加载单元而另一活动传力座对应配置有行程端限位挡板；(3)两传力座均为活动传力座，并且两个活动传力座均连接有轴向力加载单元。对于上述的活动传力座，其优选为是滑设于所述机架1上并且滑移方向平行于所述第一传力座31与所述第二传力座32之间的水平排列方向，例如在该活动传力座的底部设置滚轮或行走辊排等(配以相应地轨行约束)。

则，上述的活动传力座不仅在于可以实现上述间距调节功能以适用不同规格的盾构管片，还在于对试验管片2进行接触限位并传递轴向力加载单元的作用力，保证对试验管片2的有效约束。并且，基于上述结构，该试验装置不仅能够进行管片接头直剪试验，还具备了盾构管片轴向承载能力试验的功能。

对于上述的第一传力座31和第二传力座32，均优选为采用如下的结构：如图1和图3，传力座包括基座301和传力台302，该基座301呈l型，传力台302则设于该基座301的l型槽处并且水平伸出至该基座301之外，从而该传力台302的伸出于基座301之外的一端用于与试验管片2的端部接触，并且该传力台302大致为悬空的状态，尤其是设置有滚动构件321的第二传力座32，滚动构件321即设于其悬空的传力台302上，保证试验管片2具备相对于第二传力座32发生自由竖向位移的条件的纯粹性，保证试验条件的准确性。

对于传力台302与基座301之间的连接，可以采用螺栓装配(例如采用高强螺栓固定)等可拆卸连接方式，从而可以根据需要而调节传力台302的规格，以满足不同规格的盾构管片的条件要求。

在其中一个实施例中，上述轴向力加载单元包括输出轴轴向为水平向的水平驱动液压缸5；当然，气缸等直线驱动设备也适用于本实施例中，满足：便于调节加载力大小，按照工况即开、即停而不必进行拆卸管片、重新安装管片等操作即可。

作为本实施例的优选实施方式，如图1、图3和图4，所述管片竖向限位单元包括反力架4，所述反力架4包括安装于所述机架1上的框架座41、用于与管片底端抵靠的下承力台43以及用于与管片顶端抵靠的上承力台42，所述上承力台42与所述下承力台43均设于所述框架座41上。其中，上承力台42与下承力台43之间的间距优选为可调，以便于满足不同规格的盾构管片的试验要求，例如，在框架座41上设置竖向导向杆44，上承力台42对应设置导向孔，竖向导向杆44穿过上承力台42之后通过螺栓限位固定，从而，在上承力台42由自重而下落至与试验管片2顶端接触之后，通过紧固竖向导向杆44上的螺栓即可保证该上承力台42及下承力台43均与试验管片2紧密接触，即保证了对试验管片2对应位置处的竖向限位效果。另外，若以试验管片2的轴向为x向(即两个传力座的水平排列方向)，在可选的实施方式中，还可通过两个竖向导向杆44对试验管片2进行y向限位，此处不作详述。图4中示出的结构中，上承力台42的底面及下承力台43的顶面均为平面。

进一步优化上述试验装置的结构，所述剪力加载单元包括一组或两组剪力加载机构，剪力加载机构用于对试验管片2加载剪力。如图1，所述剪力加载机构为一组时，其剪力加载方向为竖直向上方向或竖直向下方向；如图3，所述剪力加载机构为两组时，两组剪力加载机构分列于机架1上的管片安装位的上下两侧。其中，采用一组剪力加载机构时，一次仅对试验管片2接头承受正剪力或负剪力的试验模拟，可采用传统的拆卸管片、翻转管片再重新安装管片的方式进行另一方向的试验模拟；采用两组剪力加载机构时，则可实现对试验管片2接头正负剪力的动态交替加载，实现盾构管片接头抗震性能等工况的试验，模拟结构准确可靠，为盾构隧道的设计、施工、运营提供更全面、准确、经济、安全、可靠的试验数据。

其中，上方的剪力加载机构可通过龙门架7安装在机架1上并保证位于管片安装位的上方。

进一步优选地，如图1和图3，每组剪力加载机构包括用于与试验管片2接触从而传递剪力的剪切梁62以及布置于所述剪切梁62的远离管片安装位一侧的剪力输出结构，所述剪切梁62滑设于所述机架1上并且与所述剪力输出结构连接。上述剪切梁62的用于与试验管片2直接接触的面优选为是光滑面，保证试验条件的纯粹性。显然地，该剪切梁62的滑移方向平行于竖向，剪力输出结构的输出方向平行于竖向，其用于驱动剪切梁62靠近或远离试验管片2，即实现了剪切梁62的加载与否。通过剪切梁62传递剪力，剪切梁62与试验管片2的面接触方式保证试验条件的准确性。在其中一个实施例中，上述剪力加载机构/剪力输出结构包括输出轴轴向为竖向的竖向驱动液压缸61；当然，气缸等直线驱动设备也适用于本实施例中，满足：便于调节加载力大小，按照工况即开、即停，实现正、负剪力的无间隙交替加载而不必进行拆卸管片、重新安装管片等操作即可。

上述盾构管片接头直剪试验装置的使用方法(也即采用上述盾构管片接头直剪试验装置进行管片接头直剪试验的方法)包括：

(1)通过管片轴向限位单元对试验管片2进行轴向限位；

(2)通过管片竖向限位单元对管片接头一侧的管片板件进行竖向限位；

(3)通过剪力加载单元对管片接头另一侧的管片板件加载剪力，获取管片接头承受对应方向剪力时的性能数据。

在上述第(1)步骤中，具体可包括：水平驱动液压缸5的活塞伸出，对第二传力座32施与水平推力，让第二传力座32上的滚动构件321与试验管片2的对应端接触；推力通过滚动构件321传递给试验管片2，试验管片2进一步发生水平位移且其另一端顶在第一传力座31上。如此，试验管片2在水平方向被两个传力座约束住，并受到来自水平驱动液压缸5的推力，从而实现了对试验管片2轴力承受的模拟；

在上述第(3)步骤中，剪力加载单元包括一组剪力加载机构时，具体可包括：在水平轴力加载完成以后，竖向驱动液压缸61的活塞伸出，顶在剪切梁62上，活塞施加的力通过剪切梁62传递给试验管片2，此时试验管片2的一部分的管片板件被第一传力座31与反力架4共同约束，无法发生位移或转动，试验管片2的另外一部分的管片板件与第二传力座32上的滚动构件321接触，可自由发生竖向位移，从而使得试验管片2的接头位置处于剪力直剪状态(只承受正剪力，不承受弯矩)，实现了对管片接头承受剪力的模拟。

在上述第(3)步骤中，剪力加载单元包括两组剪力加载机构时，具体可包括：

①上方的竖向驱动液压缸61的活塞缩回，下方的竖向驱动液压缸61的活塞伸出，顶在剪切梁62上，活塞施加的力通过剪切梁62传递给试验管片2，实现对试验管片2接头承受正剪力的模拟；直至达到设定的正剪力加载时间，下方的竖向驱动液压缸61的活塞缩回；

②上方的竖向驱动液压缸61的活塞伸出，顶在试验管片2上，活塞施加的力直接传递给试验管片2，实现对管片接头承受负剪力的模拟；直至达到设定的负剪力加载时间，上方的竖向驱动液压缸61的活塞缩回；

③重复进行上述①、②的步骤，并且①、②步骤交替进行，实现对管片接头承受正、负剪力交替加载的模拟，直至试验完成。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。