装配式衬砌管片连接螺栓疲劳损伤模型试验平台及方法与流程

本发明涉及高速铁路隧道装配式衬砌技术领域，尤其涉及一种装配式衬砌管片连接螺栓疲劳损伤模型试验平台及方法。

背景技术：

随着我国高速铁路技术的继续向前发展，更高速度的高速列车的制造，高速列车进入隧道产生的空气动力学效应将会将更加剧烈，这种效应不仅会对乘客的耳膜产生不适，而且还会对在隧道内的工作人员带来安全隐患，同时也会对隧道内的衬砌结构和设备产生气动波动压力影响。尤其当高速铁路隧道采用装配式衬砌结构时，装配式衬砌表面出现两种情况，一是表面凹凸不平、二是由于采取的是管片拼装的形式，装配式衬砌隧道出现很多拼装缝，特别是在拼装管理不到位的情况下，可能会出现管片错台现象。上述情况都会导致高速列车进入隧道产生的空气动力学效应更加复杂。由于气动荷载对管片的长期的(按目前高速铁路隧道衬砌100年寿命计算)拉压作用，导致管片连接部件的螺栓极容易出现疲劳损伤而失效，并最终导致整个衬砌结构失稳而产生极大的安全隐患，危及列车行车安全及旅客生命安全。因此，高速铁路隧道如果采取装配式衬砌，就要考虑气动效应对衬砌结构的疲劳损伤的影响。在装配式衬砌结构中，由于拼装管片整体上的强度及刚度远大于螺栓的强度及刚度，因此，在受到高速列车进入装配式衬砌隧道产生的气动荷载作用下，首先应考虑管片连接螺栓的疲劳损伤及失效问题。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种装配式衬砌管片连接螺栓疲劳损伤模型试验平台及方法，以克服现有技术的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种装配式衬砌管片连接螺栓疲劳损伤模型试验平台，包括：脉冲发生电路、泵站、电磁换向阀、油缸和试件安装平台支架；

所述脉冲发生电路的输出端与电磁阀换向阀的动作信号输入端连接，所述泵站与电磁换向阀输入端连接，所述电磁换向阀输出端与油缸连接，所述油缸与管片试件相连，所述试件安装平台支架用于固定管片试件，限制管片试件在水平和竖直方向上的位移。

优选地，所述试件安装平台支架用于固定相邻两块管片试件，所述两块管片试件之间通过螺栓连接；

所述油缸用于对相邻两块管片试件施加交变拉压荷载，即模拟气动荷载；

所述脉冲发生电路输出周期性方波驱动电磁换向阀换向。

优选地，所述试验平台还包括：压力表、电机、油箱和溢流阀，所述溢流阀的输入端与泵站连接，所述溢流阀的输出端与油箱连接，所述油缸对管片试件的最大荷载由所述溢流阀调定。

一种使用所述的平台的试验方法，包括以下步骤：

s1、安装试验装配式衬砌管片，将相邻的管片试件通过螺栓连接并进行试件安装质量检测，各项尺寸偏差和使用性能应达到相关标准规定的合格要求指标；

s2、若试件合格，将管片试件固定在试件安装平台支架上，确保油缸活塞杆与管片试件直接触；

s3、通过控制泵站的输出油液量来控制油缸活塞杆的伸缩速度由低到高，驱动油缸活塞杆对管片试件施加拉压荷载，使得相邻管片试件之间的连接螺栓受力，同时记录时间；

s4、进行多组实验，每组试验循环多次，达到预设循环次数后，停机检查管片试件连接螺栓的状况，并做好记录。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种装配式衬砌管片连接螺栓疲劳损伤模型试验平台及方法，通过脉冲发生电路输出周期性方波来驱动电磁换向阀换向，改变进入油缸的油液流动方向，实现油缸活塞杆伸出或收回，从而对管片进行拉压作用模拟气动荷载，进而研究“拉-压”循环气动荷载作用下隧道装配式衬砌螺栓结构受力变化特点以及其疲劳损伤机理，实现对基于气动荷载谱下的装配式衬砌结构整体与螺栓疲劳损伤寿命进行预测。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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他的附图。

图1a为本发明实施例提供的一种装配式衬砌管片连接螺栓疲劳损伤模型试验平台示意图(一侧管片下设置油缸)；

图1b为本发明实施例提供的一种装配式衬砌管片连接螺栓疲劳损伤模型试验平台示意图(两侧管片下设置油缸)；

图2为本发明实施例提供的一种装配式衬砌管片连接螺栓疲劳损伤模型试验平台液压系统与控制电路示意图。

附图标记：

1-拉压油缸；2-电磁换向阀；3-压力表；4-溢流阀；5-泵站；6-电机；7-油箱；8-脉冲电路；9-管片；10-螺栓；11-试件安装平台支架；12-拉进油口；13-推进油口；14-活塞杆。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，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，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供一种装配式衬砌管片连接螺栓疲劳损伤模型试验平台，如图1a、图1b和图2所示，包括：油缸1、电磁换向阀2、压力表3、溢流阀4、泵站5、电机6、油箱7、脉冲发生电路8、和试件安装平台支架11(试件安装平台支架11用于固定管片试件，限制试件在水平和竖直方向上的位移)。脉冲发生电路8的输出端与电磁阀换向阀2的动作信号输入端连接，泵站5与电磁换向阀2输入端连接，电磁换向阀2输出端与油缸1连接，油缸1与管片试件相连。溢流阀4的输入端与泵站5连接，其输出端与油箱7连接，压力表3接入电磁换向阀2的输入管路，电机6与泵站5连接。

如图1a和图1b所示，安装平台支架用于固定相邻两块管片试件，两块管片之间通过螺栓连接；油缸1与管片9相接触，用于对相邻两块管片9施加交变拉压荷载。油缸活塞杆14的伸缩速度由泵站5的输出油液流量确定，对管片9的最大荷载由溢流阀4调定，通常对应于管片9所承受的最大气动载荷。需要指出的是，图1a只在一侧管片设置了油缸1装置，左侧管片被完全固定，右侧管片可以在油缸活塞杆作用下产生竖向位移。根据实际模型试验需要，可在一侧或两侧管片均设置油缸装置来分别控制管片所受压力，如图1b即为在两侧管片均设置油缸装置，左右侧管片均可以产生竖向位移。

当油缸活塞杆14伸出时对管片9施加向上的推压力，模拟气动正压荷载；当油缸活塞杆14收回时对管片9施加向下的拉力，模拟负压气动荷载。如图2所示，通过脉冲发生电路8输出周期性方波驱动电磁换向阀2换向，改变进入油缸1的油液流动方向，实现活塞杆14伸出或收回，对管片9进行拉压作用，拉压气动荷载设计值为±6kpa。目前，按照已有的研究成果：350km/h高速列车进入隧道产生的最大正压不超过4kpa，最大负压不超过5kpa。如果考虑更高速度，如400km/h、420km/h、480km/h、500km/h等，则可先进行数值模拟计算得到最大的正压峰值、负压峰值，在此计算峰值的基础上乘以一个安全系数约1.3～1.5倍，得到试验的最大量程范围，频率不小于2hz。

本发明实施例提供一种使用装配式衬砌管片连接螺栓疲劳损伤模型试验平台的试验方法以供参考，本领域相关人员可轻易实现对该试验步骤的重复或根据实际需要进行改进。气动荷载作用下装配式衬砌管片连接螺栓疲劳损伤模型试验步骤如下：

s1、安装试验装配式衬砌管片，将相邻的管片通过螺栓连接(管片+螺栓+管片)，并进行安装质量检测，各项尺寸偏差和使用性能应达到相关标准规定的合格要求指标。

s2、若试件合格，将试件固定在试件安装平台支架上，确保活塞杆与管片直接接触。

s3、通过控制泵站的输出油液量来控制油缸活塞杆的伸缩速度由低到高，驱动油缸活塞杆对管片施加拉压荷载(不能直接作用在螺栓上，应由管片受到气动荷载拉动螺栓受力)，使得相邻管片之间的连接螺栓受力，同时记录时间(以便于通过脉冲发生电路输出频率来计算荷载循环次数)。若试验中出现异常声音，应立即停止试验。未查出原因并解决前，试验不得继续进行。

s4、试验每循环20万次后，应停机检查管片连接螺栓的状况，并做好记录，以便能及时发现管片连接螺栓出现故障的时间和此刻模拟“拉-压”荷载的循环次数。

s5、试验循环200万次后，停机检查螺栓及管片的状况，并做好记录。

另外还需注意，试验实施前，应对各类计数装置进行标定，对数据采集系统进行初步调试使系统的仪器、设备处于正常状态，确保各类传感器接线正确，联结牢靠。试验安全防护措施必须到位。试验后，及时检查测试数据。

综上所述，本发明提供的新型试验装置可以协助研究“拉-压”循环气动荷载作用下隧道装配式衬砌螺栓结构受力变化特点，揭示其疲劳损伤机理，从而建立描述隧道装配式衬砌结构的累积损伤模型及非线性疲劳损伤演化方程，对基于气动荷载谱下的装配式衬砌结构整体与螺栓疲劳损伤寿命进行预测，最终建立高速铁路隧道装配式衬砌结构可靠性设计方法，为我国高速铁路隧道装配式衬砌结构全寿命综合耐久性设计提供科学依据。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。