一种用于模拟预制综合管廊接头抗震性能的拟静力加载装置及方法

本发明涉及地下结构工程的试验。具体涉及一种模拟预制综合管廊接头抗震性能的拟静力加载装置及方法的设计。

背景技术：

1、随着城市现代化的不断推进，空中蜘蛛网、拉链马路等城市问题逐渐增多，影响市容的同时，也造成了地表资源的浪费，地下综合管廊作为解决这些问题的有效措施在近些年得到了快速发展。

2、目前对于地下综合管廊的研究普遍倾向于试验和数值模拟两个方面进行分析。但主要研究对象还是结构主体部分，接头性能研究相对较少，且试验研究多为单向静力加载。当前世界地震灾害频发，从全球地震活动来看，每年全球6级以上地震约120-150次，平均每月10-12次左右。综合管廊作为长期埋置于地下的长线型结构物，在地震等外因作用下极易引起接头或变形缝位置的受力破坏，出现渗漏水病害，严重时主体受到破坏影响正常使用，引发工程灾害。

3、因此，为了研究综合管廊在地震灾害作用下接头的受力与变形状态，确保管廊在地震作用下仍能有一个良好的使用性能，提出一种模拟预制综合管廊接头抗震性能的拟静力加载装置及方法。该系统结构简单、操作方便，通过管节上方的作动器施加一定的竖向荷载即可限制两个管节的竖向位移，管节两端设置水平钢梁既能限制其纵向位移又能模拟真实条件下相邻管节之间的顶推作用。通过在一端管节与水平钢梁之间放置可拆卸的垫块来限制该管节的水平横向运动，并为观察另一端管节的位移和接头变形提供清晰视野。采用水平横向作动器来推动另一端管节来实现相邻管节接头间的往复运动，并在另一端管节的上、下表面设置滚轴，极大减小了另一端管节水平移动时的摩擦力，提高了加载精度。整体加载装置安全性高，经济效益良好。

技术实现思路

1、本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供了一种模拟预制综合管廊接头抗震性能的拟静力加载装置及方法，该装置主要通过作动器、千斤顶、滚轴等实现管节接头的拟静力加载试验，可进行大比例缩尺的接头力学性能试验研究。

2、本发明的实现由以下技术方案完成：一种模拟预制综合管廊接头抗震性能的拟静力加载装置，其特征在于包括以下部件：管节1-1、管节1-2、橡胶圈2、接头连接件3、反力架4、分配梁5、立柱6、牛腿7、水平钢梁8、支座9、滚轴10、高强螺杆11、螺栓12、地脚螺栓13、穿孔钢板14、垫块15、竖向作动器16、水平横向作动器17、水平纵向千斤顶18、应变片19、拉杆式位移计20、拉线式位移计21、压力传感器22、采集仪23。

3、管廊体系包括管节1-1、管节1-2、橡胶圈2、接头连接件3。

4、加载系统包括反力架4、分配梁5、立柱6、牛腿7、水平钢梁8、支座9-1、支座9-2、滚轴10、高强螺杆11、螺栓12、地脚螺栓13、穿孔钢板14、垫块15、竖向作动器16、水平横向作动器17和水平纵向千斤顶18。

5、采集系统包括应变片19、拉杆式位移计20、拉线式位移计21、压力传感器22、采集仪23。

6、进一步的，管节1-1和管节1-2下方有设多组沿管节纵向放置的滚轴10，滚轴10轴心与管节纵向方向一致。滚轴10放置在顶部设有“u”形槽的支座9上，支座9底部采用地脚螺栓13进行固定。“u”形槽能够限制滚轴10的横向移动，在管节1-2发生水平横向运动时通过滚轴10滚动旋转减小与管节1-2之间的摩阻力。管节1-1和管节1-2连接部位安装橡胶圈2用于防水，管节1-1和管节1-2通过接头连接件3连接形成管廊体系。

7、进一步的，管节1-1上表面放置分配梁5，分配梁5与竖向作动器16连接；管节1-2上表面放置有滚轴10，滚轴10上方放置有倒置的“u”形支座9，支座9与分配梁5连接，分配梁5与竖向作动器16相接。管节1-2可以通过设置在上表面和下表面的滚轴10实现水平横向的移动，减小摩阻力的产生。竖向作动器16通过反力架4施加向下的荷载作用在分配梁5进一步限制管节1-1和管节1-2在竖向的位移。

8、进一步的，管节1-1前端设置有多组水平纵向千斤顶18，通过水平纵向千斤顶18施加纵向荷载模拟相邻管节之间的顶推力。管节1-2尾端布置有多组垂直放置的滚轴10和支座9，支座9通过螺栓12固定在水平钢梁8上，在限制管节1-2发生纵向位移的同时，依靠滚轴10与管节1-2之间发生相对滚动减小管节1-2水平横向运动时的摩阻力。为防止加载过程中管节1-1和管节1-2端部接头部位混凝土在水平纵向千斤顶和滚轴10施力作用下应力集中破坏，可在管节制作过程中在接头受力部位中预埋受力钢板。

9、进一步的，管节1-1与管节1-2四周均设有限位装置，限位装置主要由立柱6、牛腿7和水平钢梁8组成，立柱6通过地脚螺栓13固定在地面，牛腿7通过螺栓12固定在立柱6上，水平钢梁8架立在牛腿7上并通过螺栓12拧紧，水平钢梁8与管节1-1和管节1-2之间间隔有一定距离。管节1-1侧壁与水平钢梁8之间设置有可装卸垫块15限制管节1-1在水平横向的位移，管节1-2侧壁与水平钢梁8之间不设垫块15以便管节1-2可以在水平横向发生往复运动并能清楚观察管节(1-2)的位移和接头变形。

10、进一步的，管节1-2侧壁中间设置有供高强螺杆11穿插的预留孔，高强螺杆11从管节1-2一面侧壁穿插过另一面侧壁，侧壁内外面均设置有穿孔钢板14，穿孔钢板14-侧壁-穿孔钢板14通过拧紧高强螺杆11上的螺母进行固定，防止因往复荷载作用下侧壁与穿孔钢板出现较大空隙影响试验结果。为防止管节1-2预留孔附近混凝土受力破坏，管节1-2制作过程中预留孔可采用钢制圆管浇筑并在孔道周围密集配筋。

11、进一步的，穿插过管节1-2侧壁的高强螺杆11一端与穿孔钢板14固定，另一端与水平横向作动器17相连，通过水平横向作动器17循环加载模拟管节1-1和管节1-2之间的往复错动。

12、进一步的，管节1-1和管节1-2相邻接头的内外表面均粘贴有混凝土应变片19，以此测量接头部位的应变数据。在管节1-1和管节1-2外侧相邻接头部位沿竖直方向布置有不同高度的水平横向拉杆式位移计20用来测量不同位置的接头变形。管节1-1和管节1-2相邻接头的内表面安装有水平、竖直、斜对角方向的三组拉线式位移计21，用来测量相邻接头内表面的变形。管节1-1和管节1-2两端接头部位设置有水平纵向的拉杆式位移计20用来测量拟静力加载过程中管节纵向是否发生张开位移。相邻管节纵向拼装通过在腋角部位穿插接头连接件3并施加预紧力进行连接，在管节腋角预留手孔端面与螺母之间安装压力传感器22用来测量预紧力大小以及后续加载过程中接头连接件3的应力变化。最终监测数据均通过采集仪23进行汇总处理。

1.一种用于模拟预制综合管廊接头抗震性能的拟静力加载装置，其特征在于，包括以下三种系统：管廊体系、加载系统和采集系统；部件包括：管节（1-1）、管节（1-2）、橡胶圈（2）、接头连接件（3）、反力架（4）、分配梁（5）、立柱（6）、牛腿（7）、水平钢梁（8）、支座（9）、滚轴（10）、高强螺杆（11）、螺栓（12）、地脚螺栓（13）、穿孔钢板（14）、垫块（15）、竖向作动器（16）、水平横向作动器（17）、水平纵向千斤顶（18）、应变片（19）、拉杆式位移计（20）、拉线式位移计（21）、压力传感器（22）、采集仪（23）；

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟预制综合管廊接头抗震性能的拟静力加载装置，其特征在于：管节（1-1）和管节（1-2）下方有设多组沿管节纵向放置的滚轴（10），滚轴（10）轴心方向与管节纵向方向一致，滚轴（10）放置在顶部设有“u”形槽的支座（9）上，采用地脚螺栓（13）将支座（9）固定在地面；管节（1-1）和管节（1-2）在安装过程中通过支座（9）上部的滚轴（10）进行微调确保管节安装到位。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟预制综合管廊接头抗震性能的拟静力加载装置，其特征在于：管节（1-1）与管节（1-2）四周均设有限位装置，限位装置由立柱（6）、牛腿（7）和水平钢梁（8）组成，立柱（6）通过地脚螺栓（13）固定在地面，牛腿（7）通过螺栓（12）固定在立柱（6）上，水平钢梁（8）架立在牛腿（7）上并通过螺栓（12）拧紧，水平钢梁（8）与管节（1-1）和管节（1-2）之间间隔有一定距离；管节（1-1）侧壁与水平钢梁（8）之间卡有垫块（15）限制管节（1-1）在水平横向的位移，管节（1-2）侧壁与水平钢梁（8）之间不设垫块（15）以便管节（1-2）在水平横向发生往复运动。

4.根据权利要求1所述的一种用于模拟预制综合管廊接头抗震性能的拟静力加载装置，其特征在于：管节（1-1）前端设置有多组固定在水平钢梁（8）上的水平纵向千斤顶（18），用来对管节（1-1）施加水平纵向荷载；管节（1-2）尾部布置有多组垂直放置的滚轴（10）和支座（9），用来限制管节（1-2）的纵向位移，其中支座（9）通过螺栓（12）固定在水平钢梁（8）上；水平纵向千斤顶（18）施加预定的荷载模拟相邻管节之间的推力，同时依靠水平钢梁（8）限制管节的纵向位移；为了防止加载过程中管节（1-1）和管节（1-2）接头端部位置混凝土在水平纵向千斤顶和滚轴（10）施力作用下应力集中破坏，在管节制作过程中在接头受力部位中预埋钢板分散压力。

5.根据权利要求1所述的一种用于模拟预制综合管廊接头抗震性能的拟静力加载装置，其特征在于：管节（1-1）顶部直接放置分配梁（5），分配梁（5）下表面与管节（1-1）上表面全面接触；分配梁（5）与竖向作动器（16）连接，竖向作动器（16）通过反力架（4）施加向下的荷载以限制管节（1-1）在竖向的位移；管节（1-2）顶部还放置有滚轴（10），滚轴（10）上方放置有倒置的“u”形支座（9），倒置的“u”形支座（9）与分配梁（5）连接，分配梁（5）与竖向作动器（16）相接，竖向作动器（16）通过反力架（4）施加向下的荷载限制管节（1-2）的竖向位移，通过设置在管节（1-2）上表面和下表面的滚轴（10）实现水平横向的移动。

6.根据权利要求1所述的一种用于模拟预制综合管廊接头抗震性能的拟静力加载装置，其特征在于：管节（1-2）的侧壁中间设置有供高强螺杆（11）穿插的预留孔，高强螺杆（11）从管节（1-2）一面侧壁穿插过另一面侧壁，侧壁内外表面均设置有穿孔钢板（14），穿孔钢板（14）-侧壁-穿孔钢板（14）通过拧紧高强螺杆（11）上的螺母进行固定；管节（1-2）制作过程中预留孔采用钢制圆管浇筑并在孔道周围密集配筋；高强螺杆（11）穿过管节（1-2）侧壁的预留孔，在侧壁内外表面分别设置穿孔钢板（14），并通过拧紧高强螺杆（11）上的螺母将穿孔钢板（14）与管节（1-2）侧壁固定；高强螺杆（11）的一端伸出管节（1-2）侧壁外并与水平横向作动器（17）固定连接，通过水平横向作动器（17）对管节（1-2）施加水平往复横向位移模拟管节（1-1）和管节（1-2）之间的往复错动；限制管节（1-1）的水平横向移动，随后通过水平横向作动器（17）对管节（1-2）施加水平往复横向位移模拟管节（1-1）和管节（1-2）之间的往复错动。

7.根据权利要求1所述的一种用于模拟预制综合管廊接头抗震性能的拟静力加载装置，其特征在于：管节（1-1）和管节（1-2）相邻接头的内外表面以及内部钢筋均粘贴有应变片（19），以此测量接头部位的应变数据；在管节（1-1）和管节（1-2）外侧相邻接头部位沿竖直方向布置有不同高度的水平横向拉杆式位移计（20）用来测量接头外表面的变形；管节（1-1）和管节（1-2）相邻接头的内表面安装有水平、竖直、斜对角方向的三组拉线式位移计（21），用来测量相邻接头内表面的变形；管节（1-1）和管节（1-2）两端接头部位设置有水平纵向的拉杆式位移计（20）用来测量拟静力加载过程中管节纵向是否发生张开位移；相邻管节纵向拼装通过在腋角部位穿插接头连接件（3）并施加预紧力进行连接，在管节腋角预留手孔端面与螺母之间安装压力传感器（22）测量预紧力大小以及后续加载过程中接头连接件（3）的应力变化；最终监测数据均通过采集仪（23）进行汇总处理。

8.根据权利要求1所述的一种用于模拟预制综合管廊接头抗震性能的拟静力加载方法，其特征在于，具体包括以下步骤：