專利名稱：：一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型的水壓模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的室內(nèi)模擬方法，尤其涉及一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型的水壓模擬方法。
背景技術(shù)：
：海底、江底的水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)在外靜水壓力作用下，其承受的水壓的分布形態(tài)為頂部小底部大的"燈泡"形狀，如圖3所示。在施工和運(yùn)營(yíng)期間，隧道承受的水壓變化非常大，加之目前隧道斷面大型化的趨勢(shì)，水下盾構(gòu)隧道在施工期和運(yùn)營(yíng)期承受的非均勻水壓對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的作用不可忽略。通過(guò);f莫擬燈泡形水壓對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的作用和影響，能夠?qū)λ露軜?gòu)隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工給出科學(xué)可靠的試驗(yàn)依據(jù)，以保證隧道的建設(shè)和營(yíng)運(yùn)安全。盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型是對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的一種有用方法，因此也需要研究盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型在水壓作用下的表現(xiàn)。目前尚無(wú)有效方法能夠?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)模型所受到的水壓進(jìn)行模擬的方法，這就制約了水下盾構(gòu)隧道的建設(shè)和應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是提供一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型的水壓模擬方法，該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型在水壓下所受到的燈泡形水壓的模擬，可方便實(shí)現(xiàn)不同斷面結(jié)構(gòu)形式盾構(gòu)隧道在不同水位條件下的研究，為水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)可靠的試驗(yàn)依據(jù)，以保證隧道的建設(shè)和營(yíng)運(yùn)安全。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所釆用的技術(shù)方案是一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型的水壓模擬方法,其作法是A、布置均勻壓力加載裝置將盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)模型水平放置于地面，二條以上的環(huán)箍鋼絞線的一端固定在加力臺(tái)座的豎板上，另一端繞結(jié)構(gòu)模型外表面一周后，固定在加力轉(zhuǎn)軸上，該加力轉(zhuǎn)軸穿過(guò)加力臺(tái)座的頂板和底板，加力轉(zhuǎn)軸的上端連接加力橫梁，環(huán)箍鋼絞線上串接測(cè)力計(jì)。B、布置非均勻壓力加載裝置兩條絞線固定梁之間連接二條以上的長(zhǎng)度為結(jié)構(gòu)模型周長(zhǎng)一半或接近一半的張拉鋼絞線，再將兩條絞線固定梁及張拉鋼絞線全部貼放于結(jié)構(gòu)模型的表面的同一側(cè)，結(jié)構(gòu)模型表面另一側(cè)的二個(gè)加力裝置應(yīng)的絞線固定梁相連，鋼絞線上串接測(cè)力計(jì)。C、測(cè)試儀器的布置將多個(gè)應(yīng)變片貼放于盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)模型內(nèi)、外表面上，位移計(jì)安裝于盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)模型的內(nèi)表面。D、壓力加載轉(zhuǎn)動(dòng)加力橫梁帶動(dòng)加力轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，旋緊環(huán)箍鋼絞線對(duì)結(jié)構(gòu)模型施加壓力；同時(shí)，通過(guò)二個(gè)加力裝置對(duì)張位鋼絞線施以拉力，加力鋼繩沿加力裝置方向向兩側(cè)對(duì)稱張開，呈0°-60°夾角；獲取應(yīng)變片、位移計(jì)的數(shù)據(jù)，送計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。本發(fā)明的工作原理和工作過(guò)程是沿隧道結(jié)構(gòu)模型外表面布設(shè)多組環(huán)箍鋼絞線，通過(guò)加力一黃梁的轉(zhuǎn)動(dòng)將環(huán)箍鋼絞線拉緊，而對(duì)結(jié)構(gòu)模型外表面施加接觸壓力。由于環(huán)箍鋼絞線均勻地分布在結(jié)構(gòu)外表面，因此對(duì)結(jié)構(gòu)模型產(chǎn)生均勻分布的徑向壓力；同時(shí)，沿盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)模型外表面一側(cè)布設(shè)的半圓弧狀的多組張拉鋼絞線，當(dāng)加力裝置對(duì)張拉鋼絞線從結(jié)構(gòu)模型的另一側(cè)施加拉力時(shí)，由張拉鋼絞線的兩端部的拉力與該處的半徑方向夾角最大，作用在結(jié)構(gòu)模型半徑方向上的徑向壓力最小；而從張拉鋼絞線的端部向中間逐步靠近，則其對(duì)結(jié)構(gòu)模型的徑向壓力逐步增大，在張拉鋼絞線的中間部位，張拉鋼絞線對(duì)結(jié)構(gòu)模型的徑向壓力達(dá)到最大值。因此，由環(huán)箍鋼絞線形成的對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)模型的均勻壓力與張拉鋼絞線形成的半圓弧狀張拉鋼絞線中間向兩端遞減的壓力的迭加，就在結(jié)構(gòu)模型上產(chǎn)生了張拉鋼絞線部分壓力大、無(wú)張拉鋼絞線部分壓力小，呈燈泡形變化的壓力分布，這樣的壓力較好地模擬出結(jié)構(gòu)模型在水下所受上小下大的壓力分布情況。通過(guò)環(huán)箍鋼絞線及張拉鋼絞線上串接的測(cè)力計(jì)可以讀出各自施力的大?。唤Y(jié)構(gòu)模型各處所受壓力及相關(guān)力學(xué)參數(shù)，則通過(guò)設(shè)置在結(jié)構(gòu)模型表面的應(yīng)變片、位移計(jì)分別測(cè)出結(jié)構(gòu)模型的內(nèi)力、結(jié)構(gòu)^t型的變形；這些數(shù)據(jù)再送計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，即得到隧道結(jié)構(gòu)模型在水壓作用下的力學(xué)性能參數(shù)值。調(diào)整環(huán)箍鋼鉸線的拉緊度及張拉鋼鉸線的張拉角及張拉力，可以調(diào)整非均勻水壓力的量值，從而模擬出在不同水深處，結(jié)構(gòu)模型所受到的水壓情況。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是一、能對(duì)盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)模型施加燈泡形水壓，較真實(shí)地試驗(yàn)測(cè)出環(huán)境水壓對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)模型的作用和影響，從而對(duì)水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工給出更科學(xué)可靠的試驗(yàn)依據(jù)，以保證隧道的建設(shè)和營(yíng)運(yùn)安全。二、通過(guò)調(diào)整環(huán)箍鋼鉸線的拉緊度及張拉鋼絞線的張拉力張開角的調(diào)整，從而調(diào)整接觸壓力及其變化，進(jìn)而對(duì)于結(jié)構(gòu)模型的加載量值進(jìn)行控制，模擬出在不同水位條件下的水壓對(duì)于結(jié)構(gòu)模型的作用及影響，使本發(fā)明方法適用性強(qiáng)，可用于各種水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)。上述的A步布置均勻壓力加載裝置時(shí)，還在結(jié)構(gòu)模型的外表面設(shè)有錨索定位桿，定位桿的內(nèi)表面上開槽，環(huán)箍鋼絞線穿過(guò)定位桿上的開槽。這樣，可將每條環(huán)箍鋼鉸線定位在定位桿的開槽中，各條環(huán)箍鋼絞線均勻間隔分布，避免在試驗(yàn)時(shí)，環(huán)箍鋼鉸線相互纏繞，影響載荷的施加，導(dǎo)致試驗(yàn)難以進(jìn)行的情形出現(xiàn)。上述的A步環(huán)箍鋼絞線的一端固定在加力臺(tái)座上的具體作法是環(huán)箍鋼絞線通過(guò)螺栓連接在加力臺(tái)座的豎板上。這樣，可通過(guò)螺栓來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)箍鋼絞線的張緊程度進(jìn)行微調(diào)，從而精確控制結(jié)構(gòu)模型所受的均勻壓力的量值下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。圖l是本發(fā)明實(shí)施例均勻水壓加載方法示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例非均勻水壓加載方法示意圖。圖3是是本發(fā)明實(shí)施例模擬的燈泡型水壓的壓力分布示意圖。具體實(shí)施方式實(shí)施例首先需要說(shuō)明的是，為了圖示的簡(jiǎn)明、清楚，圖1、圖2分別繪出的是均勻加載和非均勻加載的情況。而實(shí)際上，本發(fā)明在實(shí)施時(shí)，均勻和非均勻加載同時(shí)進(jìn)行，即圖1、2中的結(jié)構(gòu)模型為同一模型，其它裝置則全部同時(shí)分布設(shè)置迭加在該模型上。也即實(shí)際實(shí)施時(shí)的情形應(yīng)為圖1、圖2的合成。本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式為，一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型的水壓模擬方法，其作法是A、布置均勻壓力加載裝置圖l示出，布置均勻壓力加載裝置的作法是將盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)模型1水平放置于地面，八條環(huán)箍鋼絞線8的一端固定在加力臺(tái)座2的豎板21上，另一端繞結(jié)構(gòu)模型l外表面一周后，固定在加力轉(zhuǎn)軸上3，該加力轉(zhuǎn)軸3穿過(guò)加力臺(tái)座2橫板22,加力轉(zhuǎn)軸3的上端連接有加力橫梁4,每條環(huán)箍鋼絞線8上均串接有測(cè)力計(jì)9。B、布置非均勻壓力加載裝置圖2示出，兩條絞線固定梁5之間連接二條以上的長(zhǎng)度為結(jié)構(gòu)模型1周長(zhǎng)一半或接近一半的張拉鋼絞線6，再將兩條絞線固定梁5及張拉鋼絞線6全部貼放于結(jié)構(gòu)模型1的表面的同一側(cè)，結(jié)構(gòu)模型1表面另一側(cè)的二個(gè)加力裝置7分別通過(guò)加力鋼纜13與對(duì)應(yīng)的絞線固定梁5相連，鋼絞線6上串接測(cè)力計(jì)9;本發(fā)明的加力裝置7可以由定滑輪組和砝碼組成，將精確的砝碼重力轉(zhuǎn)換成張拉鋼鉸線的設(shè)定的水平拉力。C、測(cè)試儀器的布置將72個(gè)應(yīng)變片10盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)模型1內(nèi)、外表面上，位移計(jì)ll安裝于盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)模型l的內(nèi)表面。D、壓力加載轉(zhuǎn)動(dòng)加力橫梁4帶動(dòng)加力轉(zhuǎn)軸3旋轉(zhuǎn)，旋緊環(huán)箍鋼絞線8對(duì)結(jié)構(gòu)模型l施加壓力；同時(shí)，通過(guò)二個(gè)加力裝置7對(duì)張位鋼絞線6施以拉力，加力鋼繩13沿加力裝置方向張開為30°夾角；獲取應(yīng)變片10、位移計(jì)ll的數(shù)據(jù)，送計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。圖1還示出，A步布置均勻壓力加載裝置時(shí)，還在結(jié)構(gòu)模型1的外表面設(shè)有錨索定位桿8b,定位桿8b的內(nèi)表面上開槽，環(huán)箍鋼絞線8穿過(guò)定位桿8b上的開槽。A步環(huán)箍鋼絞線8的一端固定在加力臺(tái)座2上的具體作法是環(huán)箍鋼絞線8通過(guò)螺栓14連接在加力臺(tái)座2的豎板21上。本例中加力鋼繩10沿加力裝置方向張開為30°夾角，則可模擬出水深I(lǐng)O米的水壓對(duì)隧道結(jié)構(gòu)模型的壓力作用。下表為本例方法的張拉鋼鉸線的張開角及張拉力與結(jié)構(gòu)模型所受因張拉力產(chǎn)生的荷載的一組測(cè)試數(shù)據(jù)。其中拱底荷載為張拉鋼鉸線中部處的結(jié)構(gòu)模型的荷載，它也是結(jié)構(gòu)模型所受的最大荷載；兩側(cè)最小荷載為結(jié)構(gòu)模型在張拉鋼鉸線兩端部所受的荷載，它是結(jié)構(gòu)模型兩側(cè)處所受的最小荷載。下表說(shuō)明，通過(guò)本例方法的非均勻加力裝置能夠獲在結(jié)構(gòu)模型上產(chǎn)生從拱底到兩側(cè)逐漸減小的非均勻的壓力。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>圖3為用本例方法模擬的燈泡型水壓的壓力分布示意圖，其中結(jié)構(gòu)模型外的徑向線段為結(jié)構(gòu)模型承受的荷載，徑向線段的長(zhǎng)短表示荷載的大小。由圖可見，張拉鋼鉸線中部處的結(jié)構(gòu)模型的荷載最大，從此處向兩側(cè)逐漸減小，整個(gè)結(jié)構(gòu)模型所承受的壓力呈燈泡狀的分布。權(quán)利要求1、一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型的水壓模擬方法，其作法是A、布置均勻壓力加載裝置將盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)模型(1)水平放置于地面，二條以上的環(huán)箍鋼絞線(8)的一端固定在加力臺(tái)座(2)的豎板(21)上，另一端繞結(jié)構(gòu)模型(1)外表面一周后，固定在加力轉(zhuǎn)軸上(3)，該加力轉(zhuǎn)軸(3)穿過(guò)加力臺(tái)座(2)的頂板(22)和底板(23)，加力轉(zhuǎn)軸(3)的上端連接加力橫梁(4)，環(huán)箍鋼絞線(8)上串接測(cè)力計(jì)(9)；B、布置非均勻壓力加載裝置兩條絞線固定梁(5)之間連接二條以上的長(zhǎng)度為結(jié)構(gòu)模型(1)周長(zhǎng)一半或接近一半的張拉鋼絞線(6)，再將兩條絞線固定梁(5)及張拉鋼絞線(6)全部貼放于結(jié)構(gòu)模型(1)的表面的同一側(cè)，結(jié)構(gòu)模型(1)表面另一側(cè)的二個(gè)加力裝置(7)分別通過(guò)加力鋼纜(13)與對(duì)應(yīng)的絞線固定梁(5)相連，鋼絞線(6)上串接測(cè)力計(jì)(9)；C、測(cè)試儀器的布置將多個(gè)應(yīng)變片(10)貼放于盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)模型(1)內(nèi)、外表面上，位移計(jì)(11)安裝于盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)模型(1)的內(nèi)表面；D、壓力加載轉(zhuǎn)動(dòng)加力橫梁(4)帶動(dòng)加力轉(zhuǎn)軸(3)旋轉(zhuǎn)，旋緊環(huán)箍鋼絞線(8)對(duì)結(jié)構(gòu)模型(1)施加壓力；同時(shí)，通過(guò)二個(gè)加力裝置(7)對(duì)張位鋼絞線(6)施以拉力，加力鋼繩(13)沿加力裝置(7)方向向兩側(cè)對(duì)稱張開，呈0°-60°夾角；獲取應(yīng)變片(10)、位移計(jì)(11)的數(shù)據(jù)，送計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。2、如權(quán)利要求1所述的一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型的水壓模擬方法，其特征在于所述的A步布置均勻壓力加載裝置時(shí)，還在結(jié)構(gòu)模型(1)的外表面設(shè)有錨索定位桿(8b),定位桿(8b)的內(nèi)表面上開槽，環(huán)箍鋼絞線(8)穿過(guò)定位桿(8b)上的開槽。3、如權(quán)利要求1所述的一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型的水壓模擬方法，其特征在于所述的A步環(huán)箍鋼絞線(8)的一端固定在加力臺(tái)座(2)上的具體作法是環(huán)箍鋼絞線(8)通過(guò)螺栓(14)連接在加力臺(tái)座(2)的豎板(21)上。全文摘要一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型的水壓模擬方法，采用二條以上的環(huán)箍鋼絞線箍在水平放置的結(jié)構(gòu)模型的外表面，對(duì)其施加均勻的徑向壓力；同時(shí)，張拉鋼絞線貼于結(jié)構(gòu)模型表面的同一半圓弧側(cè)，并從結(jié)構(gòu)模型表面的另一側(cè)對(duì)張拉鋼鉸線施加拉力，從而對(duì)結(jié)構(gòu)模型的半圓弧側(cè)施加非均勻的徑向壓力；均勻及非均勻徑向壓力迭加，即模擬出盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型所承受的燈泡形水壓。再測(cè)出結(jié)構(gòu)模型相應(yīng)力學(xué)參數(shù)，送計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型在水下所受到的燈泡形水壓的模擬，可實(shí)現(xiàn)各種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)模型在不同水位條件下的力學(xué)試驗(yàn)，為水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)的試驗(yàn)依據(jù)，以保證隧道的建設(shè)和營(yíng)運(yùn)安全。文檔編號(hào)G01L1/00GK101319941SQ20081004561公開日2008年12月10日申請(qǐng)日期2008年7月22日優(yōu)先權(quán)日2008年7月22日發(fā)明者川何,何應(yīng)道,坤封,張志強(qiáng),晏啟祥,雄楊申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)