可模拟盾构隧道管片接头的试验模型及其制作方法.pdf

本发明公开了一种可模拟盾构隧道管片接头的试验模型及其制作方法。该试验模型为一圆管，在其圆周表面上沿环向及纵轴向进行切割，以相应形成环向切缝与纵向切缝。本发明通过对模型进行环向和纵轴向上的切割，在模型表面形成了环向切缝和纵向切缝，由此可以模拟隧道结构上的管片环向接缝和纵向接缝，能真实地反映隧道接缝对隧道刚度的影响。另外，可以使用机器实现切割，不仅代替了原来耗时耗力的人工拼装，且能减小试验误差。

1.  一种可模拟盾构隧道管片接头的试验模型，包括一圆管，其特征在于：所述试验模型表面设有环向切缝和纵向切缝。

2.  根据权利要求1所述的可模拟盾构隧道管片接头的试验模型，其特征在于：所述环向切缝为间隔切缝或者连续切缝，所述纵向切缝为连续切缝或者间隔交替切缝，其中所述连续切缝的切割深度小于圆管壁厚。

3.  一种权利要求1所述的可模拟盾构隧道管片接头的试验模型的制作方法，其特征在于：对试验模型表面沿圆周环向及纵轴向进行切割，以相应形成环向切缝与纵向切缝；
具体步骤为：
(1)将原始隧道尺寸按比例缩小为模型尺寸，采用一圆管作为试验模型；
(2)确定盾构隧道横向及纵向的刚度有效率；
(3)确定环向切缝的切割量，使切割后的纵向刚度与切割前的纵向刚度比值等于纵向刚度有效率；
(4)确定纵向切缝的切割量，使切割后的横向刚度与切割前的横向刚度比值等于横向刚度有效率；
(5)对试验模型进行环向和纵轴向切割。

4.  根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于：所述纵向切缝的切割为连续切割或者间隔交替切割，切割深度由有限元计算方法得到。

5.  根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于：所述纵向切缝的切割为连续切割或者间隔交替切割，切割深度确定步骤如下：
(1)试验模型底部固定；
(2)对试验模型顶部分级加载；
(3)根据每一级载荷测量试验模型上的指定位置变形量；
(4)拟合同一位置上的变形量-荷载曲线，得到斜率a₁，a₂，a₃，......a_n；
(5)切割一预设深度，重复步骤(2)，每一级载荷量与第一次同；
(6)重复步骤(3)；
(7)拟合同一位置上的变形量-荷载曲线，得到斜率b₁，b₂，b₃，......b_n；
(8)令η₁＝a₁/b₁，η₂＝a₂/b₂，......η_n＝a_n/b_n计算η₁，η₂，η₃，......η_n的平均值η，若η不等于横向刚度有效率，加深切割量，从(5)起重复；若η等于横向刚度有效率，切割量确定。

6.  根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于：所述环向切缝为间隔切割，切割角度确定步骤如下：
(1)根据管片数量，确定单个管片对应的角度α；
(2)设一切割角度β，计算垂直于轴线截面的惯性矩，计算切割前后刚度，若切割后与切割前的纵向刚度之比不等于纵向刚度有效率，改变切割角度β重新计算；若相等，切割角度β确定。

可模拟盾构隧道管片接头的试验模型及其制作方法
技术领域
本发明属隧道结构模型试验领域，具体涉及一种可模拟盾构隧道管片接头的试验模型。
本发明还涉及隧道试验模型的制作方法，具体涉及一种可模拟盾构隧道管片接头的试验模型的制作方法。
背景技术
在盾构隧道模型试验中，如何模拟隧道管片结构是一个重要的问题。实际的盾构隧道管片结构是由混凝土管片通过螺栓连接而成的，从而形成了盾构隧道的纵缝与环缝。
传统的模型试验中，模拟盾构隧道结构常用的试验模型有两种：由材质均匀的圆管构成试验模型；或者由小型管片拼装完成，管片之间通过小型螺丝连接。
相应的制作试验模型的方法也有两种：(1)采用均匀的金属管、有机材料管或其它均质材料管来模拟。(2)采用金属材料或者有机材料制作的小型管片来模拟实际管片，采用小螺丝来模拟实际螺栓，通过手工拼装形成隧道模型。
这两种模型和方法的不足之处在于：第一种方法制作的试验模型由于没有模拟实际隧道上管片形成的纵缝和环缝，无法考虑隧道管片接头的影响，或者只能通过刚度折减的方法对材料强度进行折减，因此，模型试验得到的隧道管片的内力和变形规律与原型隧道差别较大。第二种试验模型采用的方法虽然是采用小型管片拼装而成，这种方法可以模拟管片接头的存在，但是隧道的加工、制作、拼装要耗费大量的人力与时间，而且拼装的精度也会受人为因素影响，给试验带来较大误差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可模拟盾构隧道管片接头的试验模型，其不仅可以反映原型隧道的管片结构受力和变形特性，而且不需要人工拼装。
本发明另一个要解决的技术问题是提供一种实现可模拟盾构隧道管片接头的试验模型的制作方法。该方法不需人工拼装，省时省力。
对于本发明的可模拟盾构隧道管片接头的试验模型来说，采用以下技术方案：一种可模拟盾构隧道管片接头的试验模型，包括一圆管，所述试验模型表面设有环向切缝和纵向切缝。本发明环向切缝和纵向切缝，能够真实反映实际的盾构隧道管片结构，而且不用人工拼装，可以减小人工拼装带来的误差。
对于本发明提供的可模拟盾构隧道管片接头的试验模型的制作方法，采用以下技术方案：对试验模型表面沿圆周环向及纵轴向进行切割，以相应形成环向切缝与纵向切缝；
具体步骤为：
(1)以原型尺寸比例缩小为制作尺寸，形成一圆管作为试验模型；
(2)确定盾构隧道横向及纵向的刚度有效率；
(3)确定环向切缝的切割量，使切割后的纵向刚度与切割前的纵向刚度比值等于纵向刚度有效率；
(4)确定纵向切缝的切割量，使切割后的横向刚度与切割前的横向刚度比值等于横向刚度有效率；
(5)对试验模型进行环向和纵轴向切割。
该方法通过对模型进行环向和纵轴向上的切割，在模型表面形成了环向切缝和纵向切缝，由此可以模拟原型上的管片结构，能真实地反映环向接缝和纵向接缝对隧道刚度的影响。另外，可以使用机器实现切割，不仅代替了原来耗时耗力的人工拼装，且能减小试验误差。
附图说明
图1为盾构隧道试验模型根据第一种实施方式切割后的三维示意图。
图2为盾构隧道试验模型根据第二种实施方式切割后的三维示意图。
图3为盾构隧道试验模型根据第三种实施方式切割后的三维示意图。
图4为盾构隧道试验模型根据第四种实施方式切割后的三维示意图。
图5为盾构隧道模型切割后的正视图。
图6为试验模型截面的示意图。
图7为第四种实施方式中隧道环向切缝所在截面的惯性矩的计算图。
具体实施方式
实际的盾构隧道管片通过螺栓连接，由此构成隧道的环缝和纵缝，其中，根据隧道纵缝的不同，隧道纵缝又分为错缝拼装和通缝拼装。在本发明中，为了有效地反映隧道的真实结构，可以在模型表面上进行环向和纵轴向进行切割，相应构成环向切缝和纵向切缝。这种模拟方法比较接近实际情况，在试验中可以模拟环向接头和纵向接头对隧道纵向及横向刚度的影响；而且接头不需要人工拼装，能采用数字机床加工技术按照接头设计要求精确加工。
本发明的切割方式有四种：纵向连续切割、纵向间隔交替切割和环向间隔切割、环向连续切割。纵向连续切割是按照实际纵向接缝所在的位置进行一定深度的划刻，即切割深度小于圆管壁厚的切割，这种切割可以模拟实际工程中通缝拼装隧道，相应形成纵向上的连续切缝，而且在机械上容易实现；纵向间隔交替切割是这样的：沿纵向在第一环上先进行纵缝切割(纵向间隔交替切割在环向切割后，此时圆管已被环缝分成数环)，然后将圆管转一角度，在第二环上进行同样的切割，再将圆管转一角度，依此类推......圆管转过的角度根据实际隧道错缝拼装的角度确定，每环上的纵缝数量是相同的，纵缝数量代表了管片拼装的数量，这样就形成了纵向的间隔交替切缝，纵向间隔交替切缝的切割部分也是一定深度的划刻，这种切缝的交替出现的规律可以按照管片的实际拼装情况确定，此种切割可以模拟实际工程中错缝拼装的隧道，能更有效地反映隧道结构的管片拼装方式，当然，其加工难度比连续切割大。环向连续切割是按照实际环向切缝所在的位置进行一定深度的划刻，即切割深度小于圆管壁厚的切割，相应形成环向的连续切缝，这种切割可以模拟隧道环向切缝的影响，而且在机械上容易实现；环向间隔切割则是沿环向根据切割角度切割，一条环缝上交替出现切割段与不切割段，由此形成环向的间隔切缝，其中不切割部分模拟有螺栓连接的、刚度较大的地方，而切割部分模拟没有螺栓连接刚度较小的地方，这种切割方式能够更加真实地模拟隧道接头的受力和变形特点。
因此，本发明有四种较佳的实施方式：1)环向切缝、纵向切缝都采用连续切割，如图1；2)环向切缝采用间隔切割、纵向切缝采用间隔交替切割，如图2；3)环向切缝采用连续切割，纵向切缝采用间隔交替切割，如图3；4)环向切缝采用间隔切割，纵向切缝采用连续切割，如图4。从建模的合理性、有效性、难易程度等方面考虑，对通缝拼装隧道，选择第一和第四种方案；对于错缝拼装隧道，选择第二和第三种方案。另外，采用第四种方案时，纵向切缝和环向切缝最好避免交叉，即连续切割的纵向切缝从环向切缝的不切割部分穿过，见图4。
附图4至图7所展示的是第四种方案。其中，环向切缝由多段不切割部分1和多段切割部分3交替拼接而成，见图6，切割部分3可以切透。纵向切缝2从不切割部分1的中间穿过，见图4和图5。
接下来，以第四种方案为例具体阐述如何定位环向切缝及纵向切缝的切割。
对盾构隧道管片结构而言，环向切缝的存在会导致隧道结构纵向刚度的减弱；而纵向切缝的存在会导致横向刚度的减弱。不同的盾构隧道类型管片的纵、横刚度的有效率也会有所不同。切割后的模型刚度有效率应保证控制在理论值内。
将原始隧道尺寸按比例缩小为模型尺寸，采用一圆管作为试验模型；确定盾构隧道横向及纵向的刚度有效率；然后确定环向切缝的切割角度与纵向切缝的切割深度。
见图7，先根据管片数量，确定单个管片对应的角度α。针对α与β的角度，可以算出两个角度之间的材料对于x轴的惯性矩：R2-r216[πβ90+sin2α-sin2(α-β)],]]>这样就能得出隧道切割后环向切缝所在环的剩余刚度。若计算所得的剩余刚度等于预设的隧道结构纵向刚度有效率，此时隧道模型的切割方法就满足了实际隧道环向切缝对隧道纵向结构刚度的影响。环向切缝的切割角度β就能确定。
纵向切缝的切割深度由两种方式确定。
第一种方式步骤如下：
(1)试验模型底部固定；
(2)对试验模型顶部加载；
(3)计算顶点竖向位移δ₁；
(4)加载不变，切割一预设深度；
(5)计算顶点竖向位移δ₂；
(6)计算η=δ1δ2,]]>若η不等于横向刚度有效率，加深切割量，重复(5)；若η等于横向刚度有效率，切割量确定。
此种方法可以借助于Ansys有限元分析软件完成。
第二种方式步骤如下：
(1)试验模型固定；
(2)对试验模型顶部分级加载；
(3)根据每一级载荷测量试验模型上的指定位置变形量；
(4)拟合同一位置上的变形量-荷载曲线，得到斜率a₁，a₂，a₃，......a_n；
(5)切割一预设深度，重复步骤(2)，每一级载荷量与第一次同；
(6)重复步骤(3)；
(7)拟合同一位置上的变形量-荷载曲线，得到斜率b₁，b₂，b₃，......b_n；
(8)令η₁＝a₁/b₁，η₂＝a₂/b₂，......η_n＝a_n/b_n计算η₁，η₂，η₃，......η_n的平均值η，若η不等于横向刚度有效率，加深切割量，从(5)起重复；若η等于横向刚度有效率，切割量确定。
当纵向切缝采用连续切割时，应选择试验隧道上几个特定位置(如圆管顶部、水平直径处以及45°位置等)进行变形测量；当环向切缝采用连续切割时，应选择试验模型顶部纵线上的几个特定位置进行变形测量。
对于以上的两种方法，采用后一种方法得到的结果较为精确，若有条件推荐采用该方法。当然，也可以先用第一种方法得到切割的大致范围，再采用第二种方法，这样有利于模型试验中切割深度的控制。