一种预制装配式地下结构的模型试验方法技术

本发明专利技术公开一种预制装配式地下结构的模型试验方法，包括如下步骤：采用3D打印技术制作预制装配式地下结构的各个构件；将制作好的各个构件拼装组成预制装配式地下结构的模型；对预制装配式地下结构的模型进行光弹测试，并记录等差条纹应力场的变化过程；分析等差条纹应力场图像，根据应力‑光学定律计算主应力差，并基于应力‑光学定律和平面应力理论计算裂纹尖端应力强度因子；对比各个构件在同种划分形式下和不同种划分形式下，不同形式的接头在荷载作用下的等差应力变化和裂纹尖端强度因子大小，选择应力变化较于平缓，强度因子较小的构件的接头形式。本发明专利技术的试验方法，试验成本低、制作简单、模型精确度高，试验手段直观、快捷、方便。

A model test method for prefabricated underground structure

The invention discloses a model test method for prefabricated underground structure, which comprises the following steps: making each component of prefabricated underground structure by using 3D printing technology; assembling each component into a model of prefabricated underground structure; photoelastic testing the model of prefabricated underground structure. The variation process of the stress field of the isochromatic fringe is recorded, the stress field images of the isochromatic fringe are analyzed, the principal stress difference is calculated according to the stress-optics law, and the stress intensity factor at the crack tip is calculated based on the stress-optics law and the plane stress theory. The joints of different types of joints under load have the same stress variation and the crack tip strength factor, and the joints of the components whose stress changes more gently and the strength factor is smaller are selected. The test method of the invention has the advantages of low test cost, simple manufacture, high precision of the model, and intuitive, fast and convenient test means.

【技术实现步骤摘要】
一种预制装配式地下结构的模型试验方法
本专利技术属于地下工程领域
，尤其涉及一种预制装配式地下结构的模型试验方法。
技术介绍
近年来，随着城市建设的发展，许多地下工程项目逐年增多，诸如地下公路交通、地下车库、综合地下商业开发、地下综合管廊、城市地下隧道、地下交通枢纽以及地下防灾工程等。但是，地下结构在设计施工中存在着造价高、施工质量难以保障和环境污染等问题。因此，如何解决工程建设中速度、质量、效益和环保等问题，一直是人们关注和研究的焦点。与传统现浇混凝土相比，预制装配式结构构件在生产过程中可以节省劳动力、减少能源消耗、充分利用工业废料和大幅提高生产效率；在工程建设过程中可以缩短工期，提高建筑质量和性能。因此，将预制拼装技术应用于地下工程是解决传统设计施工问题的有效途径。但是在地下结构中若推广普及这种大型预制化装配式技术，需着重解决预制结构型式的选择、构件的合理划分及接头形式构造。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种预制装配式地下结构的模型试验方法，通过对比分析不同接头在破坏时的应力变化，从而选择性能最好的接头形式。本专利技术提供一种预制装配式地下结构的模型试验方法，包括如下步骤：步骤1：采用3D打印技术制作预制装配式地下结构的各个构件；步骤2：将制作好的各个构件拼装组成预制装配式地下结构的模型；步骤3：对预制装配式地下结构的模型进行光弹测试，并记录等差条纹应力场的变化过程；步骤4：分析等差条纹应力场图像，根据应力-光学定律计算主应力差，并基于应力-光学定律和平面应力理论计算裂纹尖端应力强度因子以及全场应力分布；步骤5：对比各个构件在同种划分形式下和不同种划分形式下，不同形式的接头在荷载作用下的等差应力变化、裂纹尖端强度因子大小和对全场应力分布的分析，选择应力变化较于平缓，强度因子较小的构件的接头形式。在本专利技术的预制装配式地下结构的模型试验方法中，所述步骤1包括：步骤1.1：通过三维制图软件预先设计出各个构件结构及其接头形式；步骤1.2：然后借助ObjectConnex500高精度分层多材料立体成型系统3D打印设备制备各个构件。在本专利技术的预制装配式地下结构的模型试验方法中，所述步骤1.2具体为：采用Polyjet喷射技术，以超薄层的状态将感光聚合材料喷射到构建托盘上，每一层感光聚合物在喷射后立即用紫外线光进行凝固，从而制作出完全凝固的模型直到模型制作完成。在本专利技术的预制装配式地下结构的模型试验方法中，所述步骤1.2中采用光敏材料Veroclear作为3D打印的材料，支撑材料使用SUP706。在本专利技术的预制装配式地下结构的模型试验方法中，所述步骤3包括：步骤3.1：将拼装好的模型放入到伺服压力机加载设备中进行加载试验；步骤3.2：运用高速摄像系统和光弹性测试分析镜记录拼装的模型和构件接头在加载过程中的应力变化，并得到等差条纹应力场的变化。本专利技术通过借助3D打印技术，制造不同结构构件的划分形式和接头，以光弹性试验来观察结构的稳定性和接头力学性能，对比选择最优的结构划分及接头形式的选择。这种方法与传统的结构工程设计手段相比，主要有以下优点：1)造价低廉；2)制作简单；3)模型精确度高；4)试验手段直观、快捷、方便。附图说明图1是榫槽式接头示意图；图2是实施例1中榫头长度、榫头宽度和榫头倾角定义；图3a是矩形框架式结构示意图；图3b是矩形框架式结构的边墙的示意图；图3c是矩形框架式结构的底板的示意图；图3d是矩形框架式结构的底角板的示意图；图3e是矩形框架式结构的顶板的示意图；图4a是矩形框架式结构的底角板平面尺寸图；图4b是矩形框架式结构的底板平面尺寸图；图4c是矩形框架式结构的顶板平面尺寸图；图4d是矩形框架式结构的边墙平面尺寸图；图4e是预制装配式矩形框架平面尺寸图。具体实施方式本专利技术针对目前预制装配式地下结构接头形式的选择，提供了一种3D打印的技术和三维光弹性分析结合的一种模型试验方法，可以通过制造不同类型的装配式结构接头的光弹性模型，借助试验设备捕捉接头裂纹扩展过程中动态光弹性图像，分析预制构件结构接头的动态应力场及断裂参数的演化规律。通过对比分析不同接头在破坏时的应力变化，从而选择性能最好的接头形式。本专利技术提供一种预制装配式地下结构的模型试验方法，包括如下步骤：步骤1：采用3D打印技术制作预制装配式地下结构的各个构件，所述步骤1包括：步骤1.1：通过三维制图软件预先设计出各个构件结构及其接头形式；步骤1.2：然后借助ObjectConnex500高精度分层多材料立体成型系统3D打印设备制备各个构件。具体为：采用Polyjet喷射技术，以超薄层的状态将感光聚合材料喷射到构建托盘上，每一层感光聚合物在喷射后立即用紫外线光进行凝固，从而制作出完全凝固的模型直到模型制作完成。具体实施时，采用光敏材料Veroclear作为3D打印的材料，支撑材料使用SUP706。步骤2：将制作好的各个构件拼装组成预制装配式地下结构的模型；步骤3：对预制装配式地下结构的模型进行光弹测试，并记录等差条纹应力场的变化过程，所述步骤3包括：步骤3.1：将拼装好的模型放入到伺服压力机加载设备中进行加载试验；步骤3.2：运用高速摄像系统和光弹性测试分析镜记录拼装的模型和构件接头在加载过程中的应力变化，并得到等差条纹应力场的变化。步骤4：分析等差条纹应力场图像，根据应力-光学定律计算主应力差，并基于应力-光学定律和平面应力理论计算裂纹尖端应力强度因子和应力场的分布；步骤5：对比各个构件在同种划分形式下和不同种划分形式下，不同形式的接头在荷载作用下的等差应力变化、裂纹尖端强度因子大小和分析全场应力的分布，选择应力变化较于平缓，强度因子较小的构件的接头形式。为了捕捉接头加载过程中的应力场的演化规律，实验将高速摄像系统、光弹性测试分析镜和准静态便携式加载装置相结合，组成了新型数字式光弹性实验系统，对光敏树脂材料模型进行了光弹测试，用高速相机记录了在单轴对径压缩下，装配式结构接头应力变化过程，并得到等差条纹应力场的变化。高速摄像系统由单色光镜、高速相机和图像显示及程序控制PC机组成。为了得到裂纹高速扩展过程中清晰等差条纹，采用单色滤波片显示黑白条纹。高速相机型号为PhotronFASTCAMSA5，最高拍摄速度为1,000,000fps，CMOS传感器为12bit，内存为16G，电子快门速度16.7ms到1μs可调，提供TTL外触发控制信号。加载设备采用伺服压力机。试验采用荷载加载方式。下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。实施例1如图1所示，为一种榫槽式接头示意图。如图2所示，本专利技术采用revit三维制图软件制备不同榫宽a、榫长b、榫头倾角c的构件模型，在相同试验条件下进行对比分析。其中接头构件整体长度150mm，宽度70mm，高度40mm，接头部分以榫宽30mm，榫长20mm，倾角4:1为标准件，通过改变其他变量制备模型。①改变榫宽变量，分别制备榫宽为25mm，20mm接头构件；②改变榫长变量，分别制备榫长为15mm，25mm接头构件；③改变倾角变量，分别制备倾角为5:1,10:3接头构件；制作好模型后进行拼装，使用伺服压力机对拼装好的接头构件进行加载试验，在压力机加载台上放置两个40mm×40mm×40mm的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预制装配式地下结构的模型试验方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：采用3D打印技术制作预制装配式地下结构的各个构件；步骤2：将制作好的各个构件拼装组成预制装配式地下结构的模型；步骤3：对预制装配式地下结构的模型进行光弹测试，并记录等差条纹应力场的变化过程；步骤4：分析等差条纹应力场图像，根据应力‑光学定律计算主应力差，并基于应力‑光学定律和平面应力理论计算裂纹尖端应力强度因子以及全场应力分布；步骤5：对比各个构件在同种划分形式下和不同种划分形式下，不同形式的接头在荷载作用下的等差应力变化、裂纹尖端强度因子大小和对全场应力分布的分析，选择应力变化较于平缓，强度因子较小的构件的接头形式。

【技术特征摘要】
1.一种预制装配式地下结构的模型试验方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：采用3D打印技术制作预制装配式地下结构的各个构件；步骤2：将制作好的各个构件拼装组成预制装配式地下结构的模型；步骤3：对预制装配式地下结构的模型进行光弹测试，并记录等差条纹应力场的变化过程；步骤4：分析等差条纹应力场图像，根据应力-光学定律计算主应力差，并基于应力-光学定律和平面应力理论计算裂纹尖端应力强度因子以及全场应力分布；步骤5：对比各个构件在同种划分形式下和不同种划分形式下，不同形式的接头在荷载作用下的等差应力变化、裂纹尖端强度因子大小和对全场应力分布的分析，选择应力变化较于平缓，强度因子较小的构件的接头形式。2.如权利要求1所述的预制装配式地下结构的模型试验方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤1.1：通过三维制图软件预先设计出各个构件结构及其接头形式；步骤1.2：然后借助O...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾蓬，赵爱成，姬万民，张瑶，吴振东，李磊，任云阳，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21