盾构管片环三维受荷模型试验设备及其加载装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种盾构管片环三维受荷模型试验设备及其加载装置，加载装置包括反力支架，反力支架上设置有一个或两个以上沿模型管片轴向布置的加载机构，各加载机构均包括多个沿周向间隔布置的用于向对应模型管片进行径向加载的弹簧加载单元，各弹簧加载单元均包括安装套筒及设置于安装套筒中的加载弹簧，加载弹簧上设置有指针，安装套筒上设置有与所述指针配合使用的沿安装套筒轴向布置的刻度。本实用新型专利技术实现了管片环周向土体地基反力的模拟，除此之外，能够模拟受局部超载作用管片的受力和变形，并且能够直接读出荷载大小及管片的变形量，提高试验精度的同时使得试验更加的便捷、易操作性强。

Three-Dimensional Loading Model Test Equipment for Shield Segment Ring and Its Loading Device

The utility model relates to a shield segment ring three-dimensional loading model test equipment and its loading device. The loading device includes a reaction bracket, on which there is one or more loading mechanisms arranged along the axial direction of the model segment. Each loading mechanism includes a plurality of spring loading units arranged along the circumferential interval for the radial loading of the corresponding model segment, and each spring. The loading unit includes the installation sleeve and the loading spring arranged in the installation sleeve. The loading spring is provided with a pointer, and the installation sleeve is provided with a scale along the axis of the installation sleeve which is used in conjunction with the pointer. The utility model realizes the simulation of the reaction force of the circular soil foundation of the segment, besides, it can simulate the stress and deformation of the segment under the local overload, and can read the load and the deformation of the segment directly, so as to improve the test accuracy and make the test more convenient and easy to operate.

【技术实现步骤摘要】
盾构管片环三维受荷模型试验设备及其加载装置
本技术涉及城市地铁、公路隧道等采用盾构法施工的管片衬砌结构隧道工程领域，尤其涉及一种能够对盾构管片环进行三维受荷模型试验设备及其加载装置。
技术介绍
近年来，随着经济的发展和技术的进步，盾构隧道在城市地铁、公路隧道、跨江海隧道等领域中得到了广泛的应用。盾构隧道管片衬砌结构是通过管片接头将管片拼接成环，再通过环间接头将单个管片环连接成管状结构而构成的隧道主体。管片环在土体中处于三维受荷状态，是盾构隧道的主要支护结构，其管片环在土体中的结构力学性能及变形特性的研究就显得极为重要。现阶段，管片的横纵向结构力学性能及变形特性的研究中，经常使用模型试验的方法来进行。比如说中国专利CN202886178U公开了“一种盾构管片环形模型试验的加载装置”，该加载装置包括设置于模型管片中心位置的光滑圆环，试验时，多根绳子的一端分别连接管片，另一端穿过光滑圆环和滑轮，绳子的末端安装砝码，通过叠加砝码实现对荷载大小的控制，多个绳子实现管片的环向受力。现有的这种加载方式存在以下问题，模型管片的变形量需要借助位移计再进行测量，设备的结构复杂程度较大，设备成本较高；另外通过绳子对管片施加的是环形拉力而非环向压力，这与管片在地层中受到的实际地层抗力有极大的偏差，且背景专利仅能实现对管片模型施加均布荷载而不能模拟局部超载对隧道管片的作用。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种盾构管片环三维受荷模型试验设备，以解决现有技术中对管片变形需借助额外的位移计而导致设备结构复杂且成本较高的问题；本技术的目的还在于提供一种该盾构管片环三维受荷模型试验设备中使用的加载装置，以解决现有技术不能模拟局部超载对隧道管片的作用。为解决上述技术问题，本技术中加载装置的技术方案如下：一种盾构管片环三维受荷模型试验设备的加载装置，包括反力支架，反力支架上设置有一个或两个以上沿模型管片轴向布置的加载机构，各加载机构均包括多个沿周向间隔布置的用于向对应模型管片进行径向加载的弹簧加载单元，各弹簧加载单元均包括安装套筒及设置于安装套筒中的加载弹簧，加载弹簧上设置有指针，安装套筒上设置有与所述指针配合使用的沿安装套筒轴向布置的刻度。所述安装套筒由透明材料制成，所述刻度设置于所述安装套筒的外周面上。加载弹簧的底部串连有土压力盒。安装套筒内加载弹簧的上部和底部分别装配有用于导向的垫片，垫片与所述安装套筒止转配合以限制加载弹簧转动，弹簧加载单元还包括与所述垫片顶推配合的顶推螺杆，所述顶推螺杆旋装于所述反力支架上。顶推螺杆的外端外凸于所述反力支架用于扭矩输入。本技术中盾构管片环三维受荷模型试验设备的技术方案为：一种盾构管片环三维受荷模型试验设备，包括管片固定座和加载装置，加载装置包括反力支架，反力支架上设置有一个或两个以上沿模型管片轴向布置的加载机构，各加载机构均包括多个沿周向间隔布置的用于向对应模型管片的外周面进行径向压力加载的弹簧加载单元，各弹簧加载单元均包括安装套筒及设置于安装套筒中的加载弹簧，加载弹簧上设置有指针，安装套筒上设置有与所述指针配合使用的沿安装套筒轴向布置的刻度。所述反力支架为环形结构，弹簧加载单元位于模型管片的外侧沿周向设置，环形反力支架上于各弹簧加载单元的外围均设有镂空观察孔。管片固定座包括用于对相应模型隧道的两端进行夹持固定的夹持座。所述安装套筒由透明材料制成，所述刻度设置于所述安装套筒的外周面上。安装套筒内加载弹簧的上部和底部分别装配有用于导向的垫片，垫片与所述安装套筒止转配合以限制加载弹簧转动，弹簧加载单元还包括与所述垫片顶推配合的顶推螺杆，所述顶推螺杆旋装于所述反力支架上。本技术的有益效果为：本技术中的弹簧加载单元中利用加载弹簧来传递径向加载力，在模型管片产生变形时，可以避免对反力支架造成影响，当然最为重要的是，指针配合刻度，可以确定弹簧的变形量，即为模型管片受荷的变形量，使得加载弹簧还具有位移计的作用，因此使用本弹簧加载单元可以省去位移计的设置，简化产品结构，降低设备成本。进一步的，本技术中可以通过调节加载弹簧的压缩量或者更换不同弹性系数的加载弹簧来实现对模型管片荷载的灵活控制，通过环形反力架结合弹簧加载单元实现对模型管片的三维空间加载，这种加载方式更为真实的模拟了实际工程中盾构管片环衬砌结构的受力状态，且能够模拟局部超载对隧道管片的作用从而使模型试验的结果更加准确。附图说明图1是本技术中一种盾构管片环三维受荷模型试验设备的一个实施例的结构示意图；图2是是图1中反力支架、弹簧加载单元与模型管片的配合示意图；图3是图1中弹簧加载单元的结构示意图；图4是图3的仰视图。具体实施方式一种盾构管片环三维受荷模型试验设备的实施例如图1~4所示：包括管片固定座和加载装置，管片固定座包括用于对相应模型隧道的两端进行夹持固定的夹持座2，模型隧道由多个模型管片1拼成。加载装置包括固定于管片固定座上的反力支架4，反力支架4为环形结构，反力支架上设置有多个沿模型管片轴向布置的加载机构，各加载机构均包括多个沿周向间隔布置的用于向对应模型管片进行径向加载的弹簧加载单元3，反力支架4上于各弹簧加载单元的外围均设有镂空观察孔16，也就是说本反力支架为镂空结构，只是在弹簧加载单元处起反力架作用，其它地方镂空以便全程对试验工况进行观察与测量。弹簧加载单元包括设置于反力支架上的安装套筒5，安装套筒中设置有加载弹簧7，安装套筒5由透明材料制成，本实施例中透明材料为有机玻璃，安装套筒的两侧设置有沿安装套筒周向布置的刻度12，弹簧上设置有用于与对应刻度配合使用的指针10。安装套筒的内壁上沿轴向导向移动装配有垫片8和安装片11，垫片和安装片均为高强铝合金材料制成，垫片和安装片均与安装套筒通过沿安装套筒轴向延伸的止转槽13止转配合，安装片11上设置有土压力盒6，试验时土压力盒6与模型管片1的外周面接触，安装套筒5的内端设有土压力盒出线口14，导线15穿过该土压力盒出线口实现土压力盒6与采集仪（图中未示出）的连接。弹簧加载单元还包括与垫片8顶推配合的顶推螺杆9，顶推螺杆旋装于反力支架上，顶推螺杆的外端外凸于反力支架而用于扭矩输入。试验时，通过旋转顶推螺杆来对加载弹簧施压，加载弹簧将力通过安装片传给土压力盒，土压力盒的测定值即为作用于模型管片上的地基反力；旋转顶推螺杆，推动加载弹簧压缩，反作用于模型管片上，可以精确改变模型管片的外力，同时实现分级加载或局部超载的加载；通过指针与安装套筒上的刻度，可以实现无需位移计即可测量模型管片的变形量，即减少了设备的投入，又简化了采集系统的复杂程度；垫片的设置目的可以避免应力集中的出现。在本技术的其它实施例中：还可以通过更换不同弹性系数的加载弹簧来实现对模型管片的荷载的灵活控制；安装套筒上的刻度也可以只有一个；安装套筒也可以不由透明材料制成，此时在安装套筒上设置有沿上下方向延伸的长孔，加载弹簧上设置的指针从该长孔中穿出，从而实现方便操作人员观察加载弹簧的变形量；也可以不通过顶推螺杆来实现对加载弹簧施力，比如说通过气压缸对加载弹簧施力；根据被试验的模型管片的多少，加载机构的个数还可以进行适应性的选择，比如说一个、两个或更多；每个加载机构中弹簧加载单元的个数也可以是三本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种盾构管片环三维受荷模型试验设备的加载装置，其特征在于：包括反力支架，反力支架上设置有一个或两个以上沿模型管片轴向布置的加载机构，各加载机构均包括多个沿周向间隔布置的用于向对应模型管片进行径向加载的弹簧加载单元，各弹簧加载单元均包括安装套筒及设置于安装套筒中的加载弹簧，加载弹簧上设置有指针，安装套筒上设置有与所述指针配合使用的沿安装套筒轴向布置的刻度。

【技术特征摘要】
1.一种盾构管片环三维受荷模型试验设备的加载装置，其特征在于：包括反力支架，反力支架上设置有一个或两个以上沿模型管片轴向布置的加载机构，各加载机构均包括多个沿周向间隔布置的用于向对应模型管片进行径向加载的弹簧加载单元，各弹簧加载单元均包括安装套筒及设置于安装套筒中的加载弹簧，加载弹簧上设置有指针，安装套筒上设置有与所述指针配合使用的沿安装套筒轴向布置的刻度。2.根据权利要求1所述的加载装置，其特征在于：所述安装套筒由透明材料制成，所述刻度设置于所述安装套筒的外周面上。3.根据权利要求1所述的加载装置，其特征在于：加载弹簧的底部串连有土压力盒。4.根据权利要求1~3任意一项所述的加载装置，其特征在于：安装套筒内加载弹簧的上部和底部分别装配有用于导向的垫片，垫片与所述安装套筒止转配合以限制加载弹簧转动，弹簧加载单元还包括与所述垫片顶推配合的顶推螺杆，所述顶推螺杆旋装于所述反力支架上。5.根据权利要求4所述的加载装置，其特征在于：顶推螺杆的外端外凸于所述反力支架用于扭矩输入。6.一种盾构管片环三维受荷模型试验设备，包括管片固定座和加载装置，其特征在于：加载装置包括反力支架，反力支架上设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明宇，赵世永，王松，孙立光，庞磊，崔鑫磊，靳军伟，曾力，马世举，魏艳卿，王瑜，柴文豹，马鹏辉，
申请(专利权)人：郑州大学，中铁十五局集团有限公司，中铁十五局集团城市轨道交通工程有限公司，
类型：新型
国别省市：河南,41