一种盾构管片连接螺栓受力状态的检测方法技术

本发明专利技术公开一种盾构管片连接螺栓受力状态的检测方法，涉及隧道工程现场监测与施工技术的交叉领域。包括：在盾构管片拼装时，用装有应变传感器组件的连接螺栓将各盾构管片连接在一起，使所述连接螺栓成为盾构管片接缝处的现场应力检测装置；在盾构施工或运营期间，利用所述连接螺栓内的应变传感器组件实时测量螺栓的多个应变值；根据所述实时测量的多个应变值分析螺栓的受力状态，以便现场监测盾构管片接缝处的力学性能。本发明专利技术方法能够准确、定量、科学的评价管片连接螺栓的力学行为、直观地反映出连接螺栓的受力变化，自动化程度高，操作简单，附属设备少，适用于隧道建设或科研数据的采集。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于隧道工程现场监测与施工技术的交叉领域，涉及盾构管片接缝螺栓受力的现场监测与接缝性能的评估。
技术介绍
近二十年来，我国城市轨道交通得到了空前的发展，目前仍处在大规模的建设时期，其中盾构法是地铁隧道主要采用的施工方法。在盾构隧道中，管片接缝由于具有独特而复杂的结构导致其受力的分析异常复杂，盾构隧道管片连接螺栓是连接衬砌管片之间的唯一部件和最重要的约束，螺栓受力问题是管片设计考虑的关键因素。由于我国大规模开展城市地铁建设的时间不长，盾构管片接缝长期受力问题还没有引起足够的重视。近年来，地层沉降导致我国东部多个城市盾构隧道在地铁运营中逐渐出现了管片接缝渗漏水现象，严重的已影响了地铁列车的安全行驶。盾构隧道管片接缝密封性能的失效与管片接缝受力密切相关，而盾构管片连接螺栓的受力分析是评估接缝性能的重要一环。目前，难以对盾构管片接缝的力学行为开展有效评估的原因在于缺乏对接缝螺栓受力的全面和深入了解，而且螺栓内力的监测也没有纳入现有盾构管片健康监测的主要内容。因此，迫切需要一种能够直接监测盾构管片连接螺栓内力的方法及装置。
技术实现思路
鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于解决涉及盾构法施工的隧道工程中盾构管片接缝力学行为的评价方法及监测装置。通过本专利技术装置的现场实时监测，直接测得接缝处连接螺栓所受压力，能够定量、科学评价盾构管片接缝的受力变化，提出了一种盾构管片接缝受力的评估方法及螺栓内力的监测装置。为实现本专利技术的目的，本专利技术提供一种盾构管片连接螺栓受力状态的检测方法，包括以下步骤：在盾构管片拼装时，用装有应变传感器组件的连接螺栓将各盾构管片连接在一起，使所述连接螺栓成为盾构管片接缝处的现场应力检测装置；在盾构施工或运营期间，利用所述连接螺栓内的应变传感器组件实时测量螺栓的多个应变值；根据所述实时测量的多个应变值分析螺栓的受力状态，以便现场监测盾构管片接缝处的接缝性能。其中，所述连接螺栓内的应变传感器组件包括：与螺栓轴线平行的第一应变传感器；与第一应变传感器平行的第二应变传感器；与螺栓轴线成43°-47°角的第三应变传感器；与螺栓轴线成88°-92°角的第四应变传感器。优选地，所述应变传感器为光纤光栅应变传感器。优选地，所述应变传感器量程±1000μm。优选地，所述应变传感器组件采用预埋的方式安装在连接螺栓内部区。特别是，所述的多个应变值包括：第一应变传感器在盾构隧道施工或运营期间实时测量的应变值ε1；第二应变传感器在盾构隧道施工或运营期间实时测量的应变值ε2；第三应变传感器在盾构隧道施工或运营期间实时测量的应变值ε3；第四应变传感器在盾构隧道施工或运营期间实时测量的应变值ε4。其中，所述的根据实时测量的多个应变值分析螺栓的受力状态包括：利用所述多个应变值，计算螺栓多个截面的内力；根据所述多个截面的内力，分析螺栓的受力状态。其中，所述的利用多个应变值计算螺栓多个截面的内力包括：根据所述应变值ε1，ε2，ε3，ε4计算螺栓中心截面内力，所述螺栓中心截面内力包括拉力FN；剪力FS；弯矩M的，其计算公式为：FN=πd24(1-μ2)(ϵ1+ϵ2+μϵ4)FS=3Gπd232(ϵ1+ϵ2+ϵ4-2ϵ3)M=Eπd364(ϵ1-ϵ2)]]>根据所计算的螺栓中心截面内力，计算螺栓指定截面内力。尤其是，当所述连接螺栓为直螺栓时，计算螺栓指定截面内力的公式为：FN(x)＝FNFS(x)＝FSM(x)＝M+FSx其中，x为计算截面距离螺栓中心截面的距离，向右为正；FN(x)为螺栓指定截面所受拉力,向右为正；FS(x)为螺栓指定截面所受剪力，向下为正；M(x)为螺栓指定截面上的弯矩，逆时针为正。尤其是，当所述连接螺栓为弯螺栓时，计算螺栓指定截面内力的公式为：FN(θ)＝FS×sinθ+FN×cosθFS(θ)＝FS×cosθ-FN×sinθM(θ)＝M-FS×r×sinθ+FN×r×(1-cosθ)其中，θ为指定截面距离中心截面的角度，顺时针为正；r为螺栓轴线的曲率半径；FN(θ)为螺栓指定截面拉力，向右为正；FS(θ)为螺栓指定截面剪力，向下为正；M(θ)为螺栓指定截面上的弯矩，逆时针为正。为实现本专利技术的目的，本专利技术提供的一种盾构管片连接螺栓受力状态的检测方法还包括，根据所述实时测量的多个应变值计算螺栓内部应力，以便现场监测所述连接螺栓的性能。其中，所述的利用多个应变值计算螺栓内部应力包括：根据所述应变值ε1，ε2，ε3，ε4计算螺栓中心截面纵向应力值σx、螺栓横向应力值σy、螺栓最大弯曲应力σM和螺栓剪应力值τxy，其计算公式为：σx=E1-μ2(ϵ1+ϵ2+μϵ4)σy=E1-μ2(μϵ1+μϵ2+ϵ4)τxy=G2(ϵ1+ϵ2+ϵ4-2ϵ3)σM=E2(ϵ1-ϵ2)]]>其中，E为螺栓的弹性模量；μ为螺栓材料的泊松比；G为螺栓材料的弹性剪切模量。其中，所述的利用得到螺栓内部应力，计算螺栓多个截面的内力还包括：根据计算得到的螺栓中心截面纵向应力值σx、螺栓横向应力值σy、螺栓最大弯曲应力σM和螺栓剪应力值τxy计算螺栓中心截面的内力包括拉力FN；剪力FS；弯矩M的，其计算公式为：FN=σx×πd24FS=τxy×3πd216M=σM×πd332]]>其中，d为螺栓直径，π为圆周率。特别是，当所述连接螺栓为直螺栓时，计算螺栓指定截面内力的公式为：FN(x)＝FNFS(x)＝FSM(x)＝M+FSx其中，x为计算截面距离螺栓中心截面的距离，向右为正；FN(x)为螺栓指定截面所受拉力,向右为正；FS(x)为螺栓指定截面所受剪力，向下为正；M(x)为螺栓指定截面上的弯矩，逆时针为正。特别是，当所述连接螺栓为弯螺栓时，计算螺栓指定截面内力的公式为：FN(θ)＝FS×sinθ+FN×cosθFS(θ)＝FS×cosθ-FN×sinθM(θ)＝M-FS×r×sinθ+FN×r×(1-cosθ)其中，θ为指定截面距离中心截面的角度，顺时针为正；r为螺栓轴线的曲率半径；FN(θ)为螺栓指定截面拉力，向右为正；FS(θ)为螺栓指定截面剪力，向下为正；M(θ)为螺栓指定截面上的弯矩，逆时针为正。为实现本专利技术的目的，本专利技术另一方面提供一种应用于盾构管片受力状态检测的连接螺栓，所述连接螺栓装有包括：与螺栓轴线平行的第一应变传感器；与第一应变传感器平行的第二应变传感器；与螺栓轴线成43°-47°角的第三应变传感器；与螺栓轴线成88°-92°角的第四应变传感器的应变传感器组件。优选地，所述应变传感器为光纤光栅应变传感器。优选地，所述应变传感器量程±1000μm。优选地，所述应变传感器组件采用预埋的方式安装在连接螺栓内部区。为实现本专利技术的目的，本专利技术在一方面提供上述连接螺栓的安装方法，所述应变传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种盾构管片连接螺栓受力状态的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：在盾构管片拼装时，用装有应变传感器组件的连接螺栓将各盾构管片连接在一起，使所述连接螺栓成为盾构管片接缝处的现场应力检测装置；在盾构施工或运营期间，利用所述连接螺栓内的应变传感器组件实时测量螺栓的多个应变值；根据所述实时测量的多个应变值分析螺栓的受力状态，以便现场监测盾构管片接缝处的力学性能。

【技术特征摘要】
1.一种盾构管片连接螺栓受力状态的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：在盾构管片拼装时，用装有应变传感器组件的连接螺栓将各盾构管片连接在一起，使所述连接螺栓成为盾构管片接缝处的现场应力检测装置；在盾构施工或运营期间，利用所述连接螺栓内的应变传感器组件实时测量螺栓的多个应变值；根据所述实时测量的多个应变值分析螺栓的受力状态，以便现场监测盾构管片接缝处的力学性能。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述连接螺栓内的应变传感器组件包括：与螺栓轴线平行的第一应变传感器；与第一应变传感器平行的第二应变传感器；与螺栓轴线成43°-47°角的第三应变传感器；与螺栓轴线成88°-92°角的第四应变传感器。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的多个应变值包括：第一应变传感器在盾构隧道施工或运营期间实时测量的应变值ε1；第二应变传感器在盾构隧道施工或运营期间实时测量的应变值ε2；第三应变传感器在盾构隧道施工或运营期间实时测量的应变值ε3；第四应变传感器在盾构隧道施工或运营期间实时测量的应变值ε4。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据实时测量的多个应变值分析螺栓的受力状态包括：利用所述多个应变值，计算螺栓多个截面的内力；根据所述多个截面的内力，分析螺栓的受力状态。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括根据所述实时测量的多个应变值计算螺栓内部应力，以便监测所述连接螺栓的力学性能。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的利用多个应变值计算螺栓内部应力包括：根据所述应变值ε1，ε2，ε3，ε4计算螺栓中心截面纵向应力值σx、横向应力值σy、最大弯曲应力σM和剪应力值τxy，其计算公式为：σx=E1-μ2(ϵ1+ϵ2+μϵ4)]]>σy=E1-μ2(μϵ1+μϵ2+ϵ4)]]>τxy=G2(ϵ1+ϵ2+ϵ4-2ϵ3)]]>σM=E2(ϵ1-ϵ2)]]>其中，E为螺栓的弹性模量；μ为螺栓材料的泊松比；G为螺栓材料的弹性剪切模量。7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的利用得到螺栓内部应力，计算螺栓中心截面的内力还包...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾晓辉，李涛，韩雪峰，孟凡勇，吴彪，周凯，陈登伟，李旭，
申请(专利权)人：中铁建设投资集团有限公司，北京交通大学，
类型：发明
国别省市：广东;44