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原文传递一种盾构双层衬砌原型试验内水压加载系统及设计方法

专利名称：	一种盾构双层衬砌原型试验内水压加载系统及设计方法
摘要：	本申请涉及土木工程、隧道工程技术领域，提供了一种盾构隧道原型试验内水压加载系统与设计方法，用于在原型试验中进行等效内水压加载，加载系统为拼装式结构，由反力架1中的上下两环工字环梁3、高强螺栓4、2n组加劲肋5、n组立柱6以及2n个同步千斤顶2组成，其中n为反力架一环上布置的千斤顶数量，依据试件尺寸和分析计算确定。加载系统的设计方法包括以下步骤，(1)确定加载系统初始尺寸；(2)确定千斤顶数量；(3)反力架截面强度验算；(4)反力架截面稳定性验算；(5)连接处验算。与现有加载系统相比，本发明具有可模拟较大内水压力、能在衬砌内部各点同步加载、易安装拆卸以及可重复使用等优点。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	上海;31
申请人：	同济大学
发明人：	张冬梅;周文鼎;卜祥洪;赖浩然
专利状态：	有效
申请日期：	2021-11-26T00:00:00+0800
发布日期：	2022-03-01T00:00:00+0800
申请号：	CN202111425274.1
公开号：	CN114112708A
代理机构：	上海科律专利代理事务所(特殊普通合伙)
代理人：	叶凤
分类号：	G01N3/12;G01N3/02;G;G01;G01N;G01N3;G01N3/12;G01N3/02
申请人地址：	200092 上海市杨浦区四平路1239号
主权项：	1.一种盾构隧道原型试验内水压加载系统，用于在原型整环试验中对隧道衬砌进行等效内水压加载，其中加载系统包括反力架(1)中的工字环梁(3)、高强螺栓(4)、2n组加劲肋(5)、n组立柱(6)和2n个同步千斤顶(2)，其特征在于，其中n为反力架一环上布置的千斤顶数量，依据试件尺寸和分析计算确定；所述的反力架(1)整体为环形工字焊接型钢结构，为了加载时衬砌受力均匀，设置了上下两环工字环梁(3)，每环工字环梁(3)由三段工字梁圆弧(31)拼装而成，段与段之间使用多排高强螺栓(4)连接，工字环梁为主要承载结构，每隔360/n°设置一组加劲肋(5)，每组加劲肋径向和横向各设置两道，加劲肋(5)与环梁上千斤顶(2)位置相对应，可有效增强工字环梁在千斤顶压力下的稳定性；立柱(6)主要承载重力，每隔720/n°设置一个立柱，立柱为加劲肋的延伸，主要承担竖向重力，并使反力架立于加载平台上，同时进一步增强了反力架的稳定性，上下环立柱通过螺栓连接，方便拼装；加载时，2n个同步千斤顶(2)安装在反力架工字环梁外侧的2n个千斤顶支座(7)上。拼装式反力架结构具有组装、拆卸和运输便利以及制作效率高等优点。 2.一种盾构隧道原型试验内水压加载系统的设计方法，其特征在于，包括以下5个步骤：步骤(1)：确定加载系统初始尺寸，根据试件尺寸、加载平台尺寸以及试验用千斤顶尺寸和量程，首先确定反力架(1)的外径，满足 1)加载系统外侧与双层衬砌内衬内侧能留有至少10cm的间距，以便于加载系统的吊装； 2)千斤顶(2)伸长至1/2量程时，保证千斤顶已与双层衬砌内表面接触；根据反力架(1)的外径初步确定工字环梁(3)的内径、加劲肋(5)及其延伸的立柱(6)的尺寸；步骤(2)：确定千斤顶的数量，将衬砌视为均质圆环，利用结构力学的方法分别计算均匀内水压p和n组同步千斤顶顶力Pw作用下圆环的内力，根据衬砌轴力相等计算内水压力与相应的千斤顶顶力的换算关系，千斤顶数量应满足： 1)所需的单个千斤顶的最大顶力小于试验用千斤顶的量程； 2)每环千斤顶数量不得少于18个，防止产生过大的附加弯矩，影响内水压的模拟效果。步骤(3)：反力架截面强度验算，通过千斤顶(2)的最大顶力换算工字环梁(3)各截面最大内力，复核截面强度是否满足要求；步骤(4)：反力架截面稳定性验算，对反力架整体稳定性以及翼缘板和腹板的局部稳定性进行验算；步骤(5)：连接处验算，反力架(1)为拼装式结构，连接处的安全性需要进行验算，需要对高强螺栓(4)的承载力进行复核。 3.根据权利要求2所述的加载系统设计方法，其特征在于，2n个同步内压千斤顶(2)均匀布置在上下两环工字环梁上，加载时根据衬砌轴力相等计算等效内水压力，所述的步骤(2)中衬砌内力由结构力学方法进行计算(以24组千斤顶为例)，如下式所示：式中，Np、Mp为衬砌在内水压p下的轴力和弯矩；NPw、MPw为衬砌在n组集中力Pw下的轴力和弯矩；RH为衬砌环半径；内水压与相应的千斤顶顶力的换算关系由下式计算： Pw＝pRH/3.7979 式中，Pw1为单个千斤顶顶力，b为衬砌环轴向高度。 4.根据权利要求2所述的加载系统设计方法，其特征在于，所述的步骤(3)中进行反力架(1)截面强度复核时，根据千斤顶(2)的最大顶力计算截面最大压(拉)应力σN,max，最大剪应力σT,max，利用下式复核截面强度式中，[σ]为工字梁材料屈服强度。 5.根据权利要求2所述的加载系统设计方法，其特征在于，所述的步骤(5)中进行连接处验算时，螺栓群在弯矩作用下，每个螺栓实际受剪，围绕螺栓群的形心旋转；假设螺栓群的形心在螺栓连接板的正中央，则受到弯矩、剪力和轴力共同作用时，螺栓群最不利位置的承载力复核计算公式为：式中，—高强螺栓的受剪承载力设计值 N—螺栓群所受轴力 M—螺栓群所受弯矩 V—螺栓群所受剪力 x1—距离螺栓群形心到外边缘最远的螺栓的距离 xi—各排螺栓到螺栓群形心的距离。
所属类别：	发明专利