一种土工离心机内组合材料管廊模型制作工艺制造技术

本发明专利技术属于岩土工程实验技术领域，公开了一种土工离心机内组合材料管廊模型制作工艺，选用弹性模量大于实体管节所用混凝土的材料A制作为片体；选用弹性模量小于实体管节所用混凝土的材料B制作为主体；通过确定和修正主体和片体的尺寸，使主体与片体的对中性轴抗弯刚度之和等于缩尺管节的截面抗弯等效刚度；将片体贴合于与主体制作成缩尺管节；多个缩尺管节连接为模型管廊，并在缩尺管节的连接处安装橡胶垫。本发明专利技术通过刚度等效原理，所制作管廊模型的截面抗弯等效刚度与原型管廊的截面抗弯刚度之比为1/N

【技术实现步骤摘要】
一种土工离心机内组合材料管廊模型制作工艺
本专利技术属于岩土工程实验
，具体的说，是涉及一种在刚度等效的条件下管廊缩尺模型的制作方法，适合应用于离心机内狭小空间。
技术介绍
离心机模型试验的基本原理是将由原型结构或构件按一定比例制作成缩尺模型，置于由离心机主轴高速转动产生的高离心应力场中，加大缩尺模型受到的体力，使缩尺模型受到体力与面力扩大一定倍数，并表现出与原型结构或构件相似的变形过程。其中扩大倍数N与转速rpm的换算关系为：N＝1.11×10-5×R×(rpm)2/g(1)式中：N——模型受力扩大倍数；R——土工离心机旋转半径(cm)；rpm——土工离心机转速(r/min)；g——重力加速度(m/s2)。表1土工离心机模型试验相似关系通过离心机对缩尺模型施加转速，使缩尺模型所受外力与实际情况等效。为了使缩尺模型应变状态与实际情况相似，需要保证缩尺模型与原型管廊/隧道抗弯刚度之比为1/n。但是，难以找到一种易于加工、具有一定强度且弹性模量与原型结构混凝土弹性模量完全相同的材料。
技术实现思路
本专利技术着力于解决在离心机内缩尺条件下模型的刚度等效问题，提供了一种土工离心机内组合材料管廊模型制作工艺，可以实现在离心机试验中缩尺模型与原型管廊变形情况达到尽可能的相似。为了解决上述技术问题，本专利技术通过以下的技术方案予以实现：一种土工离心机内组合材料管廊模型制作工艺，该管廊模型由多个缩尺管节连接构成，所述缩尺管节按照如下步骤制作：(1)根据原型管廊的实体管节尺寸，得到实体管节的截面抗弯刚度，并得到所述缩尺管节的外框尺寸；(2)根据实体管节的截面抗弯刚度和模型受力扩大倍数，得到所述缩尺管节的截面抗弯等效刚度；(3)选用弹性模量大于所述实体管节所用混凝土的材料A，将材料A制作为长宽尺寸与所述缩尺管节上表面和/或下表面的长宽尺寸相同的一个或两个片体，通过修正所述片体的厚度，使所述片体的对中性轴抗弯刚度达到所述缩尺管节的截面抗弯等效刚度的80％至95％；(4)选用弹性模量小于所述实体管节所用混凝土的材料B，将材料B制作为主体，所述主体的长宽尺寸与所述缩尺管节的外框长宽尺寸相同，所述主体的高度等于所述缩尺管节的外框高度与所述片体的厚度之差；(5)通过修正所述主体的内框尺寸，使所述主体与所述片体的对中性轴抗弯刚度之和等于所述缩尺管节的截面抗弯等效刚度；(6)将步骤(3)得到的所述片体与步骤(4)得到的所述主体上表面和/或下表面贴合固接，制作成所述缩尺管节。进一步地，所述材料A为不锈钢、铁、锌、锡中的一种。进一步地，所述材料B为光敏树脂、塑料、环氧树脂中的一种。进一步地，步骤(5)中：当通过修正所述主体内框尺寸，无法使所述主体与所述片体的对中性轴抗弯刚度之和等于所述缩尺管节的截面抗弯等效刚度时，则先确定所述主体满足强度要求的内框尺寸，然后通过修正所述片体的长度，使所述片体的对中性轴抗弯刚度等于所述缩尺管节的截面抗弯等效刚度与所述主体的对中性轴抗弯刚度之差。进一步地，步骤(6)中：将步骤(3)得到的一个所述片体贴合固接于步骤(4)得到的所述主体上表面或下表面。进一步地，步骤(6)中：将步骤(2)得到的两个所述片体分别贴合固接于步骤(3)得到的所述主体的上表面和下表面。进一步地，将步骤(6)得到的多个所述缩尺管节连接为模型管廊，并在所述缩尺管节的连接处安装橡胶垫，所述橡胶垫用于模拟所述实体管廊的止水垫。本专利技术的有益效果是：(一)本专利技术通过刚度等效原理，所制作管廊模型的截面抗弯等效刚度与原型管廊的截面抗弯刚度之比为1/N4,在土工离心机试验中与实际情况有相似的形变场，为土工离心机内探究模型变形试验提供了一种可靠得模型制作方法；(二)本专利技术通过将两种刚度不同的材料组合制作缩尺管节，加工过程简单可控，能够快捷高效制作管廊模型；(三)本专利技术通过选取两种刚度不同的材料组合制作缩尺管节，材料选择范围大，不同材料能够适应不同土质、水质条件，能够与土工离心机环境良好耦合。附图说明图1为本实施例中原型管廊的实体管节结构示意图；图2为本实施例中管廊模型的缩尺管节主视图；图3为本实施例中管廊模型的缩尺管节侧视图；上述图中：1-主体；2-片体。具体实施方式为能进一步了解本专利技术的
技术实现思路
、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：本实施例提供了一种土工离心机内组合材料管廊模型制作工艺，通过刚度等效原理计算确定缩尺后的管廊模型截面尺寸，进而采用两种材料组合制作；其主要解决在土工离心机试验中，原型管廊尺寸过大无法直接试验，普通缩尺模型不易加工，难以实现与原型管廊刚度等效、变形相似的问题。管廊模型由多个缩尺管节连接构成，每个缩尺管节大体为长方体框形结构，缩尺管节由材料A和材料B组合制作，材料A选用弹性模量大于实体管节所用混凝土的材料，具体可采用不锈钢、铁、锌、锡等；材料B选用弹性模量小于实体管节所用混凝土的材料，具体可采用光敏树脂、塑料、环氧树脂等。材料A制作为一个或两个片体2，材料B制作为主体1，将片体2贴合固接在主体1的上表面和/或下表面，制作成缩尺管节，并使缩尺管廊模型的截面抗弯等效刚度与原型管廊的截面抗弯刚度相似比为1/N4。根据刚度等效原理，得公式：(E1I1+E2I2)×1/N4＝ECIC(2)式(2)中：E1——片体2所用材料A的弹性模量(kPa)，E2——主体1所用材料B的弹性模量(kPa)，EC——实体管节所选混凝土的弹性模量(kPa)，I1——片体2的对中性轴惯性矩(m4)，I2——主体1的对中性轴惯性矩(m4)，IC——实体管节的截面惯性矩(m4)，N——模型受力扩大倍数。本实施例提供了一种土工离心机内组合材料管廊模型制作工艺，其具体步骤如下：如图1所示，确定原型管廊的实体管节尺寸，选取实体管节的外框长6.75m，高3.5m，宽2m，壁厚0.25m；实体管节内框的每仓尺寸为3m*3m，设置倒角。实体管节选用混凝土标号为C50，其弹性模量EC＝35.5GPa。根据惯性矩公式，计算实体管节的截面惯性矩Ic＝1.112e13mm4，截面抗弯刚度EcIc＝3.9476e14kPa×mm4。根据土工离心机模型试验设定转速rpm，通过换算关系公式(1)，得到模型受力扩大倍数N＝100。将实体管节的外框尺寸缩小N＝100倍，使得缩尺管节在土工离心机试验过程中所受荷载与实体管节所受荷载等效。确定缩尺管节的外部尺寸为：长6.75cm，宽2cm，高3.5cm。根据EcIc＝3.9476e14kPa×mm4和N＝100，通过式(2)计算与实体管节刚度等效的缩尺管节的截面抗弯等效刚度(E1I1+E2I2)为394.76kPa×mm4。在本实施例中，选用弹性模量大于实体管节所用混凝土的不锈钢，不锈钢的弹性模量E1为206GP本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种土工离心机内组合材料管廊模型制作工艺，该管廊模型由多个缩尺管节连接构成，其特征在于，所述缩尺管节按照如下步骤制作：/n(1)根据原型管廊的实体管节尺寸，得到实体管节的截面抗弯刚度，并得到所述缩尺管节的外框尺寸；/n(2)根据实体管节的截面抗弯刚度和模型受力扩大倍数，得到所述缩尺管节的截面抗弯等效刚度；/n(3)选用弹性模量大于所述实体管节所用混凝土的材料A，将材料A制作为长宽尺寸与所述缩尺管节上表面和/或下表面的长宽尺寸相同的一个或两个片体，通过修正所述片体的厚度，使所述片体的对中性轴抗弯刚度达到所述缩尺管节的截面抗弯等效刚度的80％至95％；/n(4)选用弹性模量小于所述实体管节所用混凝土的材料B，将材料B制作为主体，所述主体的长宽尺寸与所述缩尺管节的外框长宽尺寸相同，所述主体的高度等于所述缩尺管节的外框高度与所述片体的厚度之差；/n(5)通过修正所述主体的内框尺寸，使所述主体与所述片体的对中性轴抗弯刚度之和等于所述缩尺管节的截面抗弯等效刚度；/n(6)将步骤(3)得到的所述片体与步骤(4)得到的所述主体上表面和/或下表面贴合固接，制作成所述缩尺管节。/n

【技术特征摘要】
1.一种土工离心机内组合材料管廊模型制作工艺，该管廊模型由多个缩尺管节连接构成，其特征在于，所述缩尺管节按照如下步骤制作：
(1)根据原型管廊的实体管节尺寸，得到实体管节的截面抗弯刚度，并得到所述缩尺管节的外框尺寸；
(2)根据实体管节的截面抗弯刚度和模型受力扩大倍数，得到所述缩尺管节的截面抗弯等效刚度；
(3)选用弹性模量大于所述实体管节所用混凝土的材料A，将材料A制作为长宽尺寸与所述缩尺管节上表面和/或下表面的长宽尺寸相同的一个或两个片体，通过修正所述片体的厚度，使所述片体的对中性轴抗弯刚度达到所述缩尺管节的截面抗弯等效刚度的80％至95％；
(4)选用弹性模量小于所述实体管节所用混凝土的材料B，将材料B制作为主体，所述主体的长宽尺寸与所述缩尺管节的外框长宽尺寸相同，所述主体的高度等于所述缩尺管节的外框高度与所述片体的厚度之差；
(5)通过修正所述主体的内框尺寸，使所述主体与所述片体的对中性轴抗弯刚度之和等于所述缩尺管节的截面抗弯等效刚度；
(6)将步骤(3)得到的所述片体与步骤(4)得到的所述主体上表面和/或下表面贴合固接，制作成所述缩尺管节。


2.根据权利要求1所述的一种土工离心机内组合材料管廊模型制作工艺，其特征在于，所述材料A为不锈钢、铁、锌、锡中的一种。

【专利技术属性】
技术研发人员：刁钰，刘石，郑刚，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12