[发明专利]一种站立式三环原型异形盾构管片力学加载装置

摘要

本发明为一种站立式三环原型异形盾构管片力学加载装置，包括全钢加载反力架、加载系统、控制系统和试验用盾构管片。全钢加载反力架竖直站立放置，将拼装成环的三环管片竖直站立于全钢加载反力架内。管片顶板和两侧采用环向千斤顶加载，环向千斤顶固定于全钢加载反力架预留孔内。考虑地层抗力条件下分别计算各分段管片的实际所受水土压力值，将荷载通过环向千斤顶沿管片外弧面径向施加于分段管片的外弧面弧长中点。管片底板采用液囊使管片受力自平衡。通过纵向拉杆系统模拟盾构掘进过程中作用于管片上的顶推力。控制系统包括千斤顶油压控制系统和液囊水压控制系统。本发明可真实地模拟管片在不同地层条件下的力学行为特征，为异形盾构管片的设计和异形盾构隧道的施工提供依据，试验结果更符合客观事实。

主权项

一种站立式三环原型异形盾构管片力学加载装置，包括全钢加载反力架、纵向拉杆系统、环向千斤顶、千斤顶油压控制系统、液囊水压控制系统和试验用管片，其特征在于：所述全钢加载反力架由上中段（1.1）、下中段（1.4）、左侧段（1.2）和右侧段（1.3）通过螺栓连接而成环状结构，竖直站立放置，所述全钢加载反力架通过斜撑和紧固件固定于场地上；所述环状结构的全钢加载反力架内弧面顶部及两侧开有若干个预留孔（1.5），所述预留孔（1.5）内设置环向千斤顶（7），所述环状结构的全钢加载反力架内弧面底部设有屉盒（2），屉盒（2）底部设有滚珠以形成滚动支承；所述试验用管片为三环异形盾构管片，包括前半环（3.1）、中全环（3.2）和后半环（3.3），由若干个管片环组成环状结构，所述三环异形盾构管片通过拼装机拼装成环状结构，并运送至全钢加载反力架内固定位置，三环异形盾构管片呈竖直站立状位于全钢加载反力架内，三环异形盾构管片底部设有液囊（4），且液囊（4）置于屉盒（2）内；所述纵向拉杆系统由第一夹板（5.1）、垫板（5.2）、第二夹板（5.3）、第一拉杆（5.5）和第二拉杆（5.6）组成，第一夹板（5.1）和第二夹板（5.3）分别位于第一拉杆（5.5）和第二拉杆（5.6）的两端，第一夹板（5.1）与第二夹板（5.3）之间设有垫板（5.2），纵向千斤顶（5.4）位于第一夹板（5.1）和垫板（5.2）之间，管片位于第二夹板（5.3）和垫板（5.2）之间，纵向千斤顶（5.4）的反力通过第一拉杆（5.5）和第二拉杆（5.6）施加于管片上；若干组纵向拉杆系统均匀分布管片环上以模拟盾构掘进过程中作用于管片上的顶推力；将三环异形盾构管片分成若干计算段管片，分别计算各计算段管片的所受水土压力值，将荷载通过环向千斤顶（7）沿管片外弧面径向施加于分段管片的外弧面弧长中点，中全环（3.2）各加载点设置两个环向千斤顶（7），前半环（3.1）和后半环（3.3）各设置一个环向千斤顶（7），三环管片所受地层抗力经力学简化计算，以一对平衡力的形式叠加设置在管片水平对称轴位置加载点的环向千斤顶上；所述千斤顶油压控制系统基于闭环控制方法，由若干个千斤顶油压控制单元组成，将环向千斤顶（7）和纵向千斤顶（5.4）进行人为分组，形成若干组分组千斤顶（8），由分组千斤顶（8）、电磁阀（9）、压力传感器（10）、电磁比例减压阀（11）、电磁换向阀（12）和泵站（13）依次连接组成一个油压控制单元，每一个油压控制单元单独设定压力，当电磁阀（9）得电时，通过压力传感器（10）测量分组千斤顶（8）的压力，并对测量的压力值和设定的压力值进行比较，通过控制电磁换向阀（12）的通断和电磁比例减压阀（11）的开度来调整泵站（13）的供、回油，完成分组千斤顶的行程动作使之达到需要的压力值，当设定值大于测量值时，电磁比例减压阀（11）的比例增大，电磁换向阀（12）右边得电，分组千斤顶压力增大；当设定值小于测量值时，电磁比例减压阀（11）的比例减小，电磁换向阀（12）左边得电，分组千斤顶压力减小；所述液囊水压控制系统由输水管道（14）、水泵（15）、水压力传感器（16）、PID控制器（17）、变频器（18）和液囊（4）组成，在连接液囊（4）的输水管道（14）上设置水压力传感器（16），水压力传感器（16）的输出端连接PID控制器（17），PID控制器（17）的输出端连接变频器（18），变频器（18）的输出端连接水泵（15），水泵（15）连接输水管道（14），将水压力传感器（15）获得的水压力信号输入PID控制器（17）与试验所需设定水压力值进行PID运算，通过控制变频器（18）的输出电压和频率实现对水泵（15）供水量的指定，最终使液囊水压值稳定在设定值附近，实现恒压供水。