一种夹芯板式盾构隧道管片防撞吸能装置及其制备方法与流程

1.本发明提供了一种夹芯板式盾构隧道管片防撞吸能装置，还提供了该装置的制备方法，属于隧道结构领域。


背景技术：

2.随着我国机械化程度和制造业水平的不断提高，盾构施工技术因其具有对地层扰动小、环境影响小、施工速度快等优势，越来越多地被应用到城市地下铁道和高速铁路隧道等地下工程设施的修建当中。由于盾构隧道是通过接头固定螺栓将预制衬砌管片拼接形成的一种隧道结构型式，相对于矿山法修建的复合式衬砌结构，其整体刚度相对较小，结构稳定性相对较差，抗撞击能力相对较弱。
3.国内外铁路和公路隧道大多通过设置防撞墙、防撞墩等非隧道本体结构来应对火车或汽车车辆撞击问题。对于整体质量大、运行速度高的列车编组，通常采用在管片衬砌内部模筑二次衬砌的方式加以应对，但是盾构隧道双层衬砌结构造价较高、施工周期较长、经济性较差，使其很难保证在盾构隧道中的大规模应用。
4.专利201810012124x公开了一种盾构隧道防撞吸能管片装置，该装置是在管片内安装弹簧阻尼器，然后将弧形钢板固定在弹簧阻尼器上，像盾牌一样来起防撞作用。其缺点在于结构复杂，管片是空心的，削弱了管片的结构力学性能；而且如果撞击力不严格垂直于弧形钢板，则可能使阻尼器受弯而起不到缓冲效果，使阻尼器迅速破坏。


技术实现要素：

5.技术问题：为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种夹芯板式盾构隧道管片防撞吸能装置。
6.技术方案：本发明提供一种夹芯板式盾构隧道管片防撞吸能装置，包括泡沫芯层以及设于泡沫芯层上下表面的上蒙皮和下蒙皮；所述上蒙皮与泡沫芯层接触面上设有第一加强筋，所述下蒙皮与泡沫芯层接触面上设有第二加强筋；所述泡沫芯层上表面设有与第一加强筋形状配合的第一凹槽，所述泡沫芯层下表面设有与第二加强筋形状配合的第二凹槽5；第一加强筋嵌于第一凹槽内，第二加强筋嵌于第二凹槽5内。
7.作为改进，所述上蒙皮与第一加强筋一体成型；所述下蒙皮与第二加强筋一体成型。
8.作为另一种改进，所述第一加强筋的截面为倒置的梯形，其长边嵌于第一凹槽内，短边与上蒙皮相连；所述第二加强筋的截面为倒置的梯形，其长边嵌于第二凹槽5内，短边与下蒙皮相连；所述第一加强筋的截面尺寸大于第二加强筋的截面尺寸。上蒙皮的加强筋比下蒙皮的加强筋截面尺寸更大，间距更小，这是因为上蒙皮直接承受撞击作用，因此要做的更强，以利于将撞击力分散到泡沫芯层之中。加强筋的截面为倒置的梯形增强了蒙皮和芯层的界面强度，上蒙皮的加强筋比下蒙皮的加强筋截面尺寸更大，间距更小，这是因为上蒙皮直接承受撞击作用，因此要做的更强，以利于将撞击力分散到泡沫芯层之中。
9.作为另一种改进，所述上蒙皮的厚度大于下蒙皮的厚度。
10.作为另一种改进，所述芯层为聚氨酯泡沫芯层；所述上蒙皮和下蒙皮分别独立地为 gfrp蒙皮、超高分子量聚乙烯蒙皮或凯夫拉蒙皮。芯层采用的材料包括但不限于柔性聚氨酯泡沫体，具有很好的弹性。当受到的撞击力较小时，其形变较小，可以迅速恢复，不至于损坏或更换。
11.作为另一种改进，所述第一加强筋和第二加强筋均为纵横交错的加强筋；所述第一加强筋和第二加强筋均为frp加强筋。
12.本发明还提供了夹芯板式盾构隧道管片防撞吸能装置的制备方法，包括以下步骤：
13.(1)在泡沫芯层上下表面刻制纵横交错的浅槽，浅槽间隔20mm，宽度为2mm，深度为2mm；沿泡沫芯层厚度方向打有若干通孔，通孔的间隔20mm，直径为3mm；
14.(2)根据加强筋的尺寸在泡沫芯层表面拓宽凹槽，再将条状纤维织物布置在凹槽内，作为加强筋的增强相；
15.(3)在玻璃平板模上涂抹脱模剂，待脱模剂干燥成膜后依次在玻璃平板上铺放下面板纤维布、泡沫芯层、上面板纤维布、脱模布、隔离膜、导流网，再布置注胶管与抽气管，组成预成型系统；
16.(4)采用真空袋膜将预成型系统封装，并使用密封胶带将真空袋膜与玻璃模具粘结成密封系统；将抽气管与真空泵连接，抽除封闭体系内的空气至真空，将树脂通过注胶管的三通注入封闭系统，树脂在负压作用下吸入预成型系统，浸润纤维布并填满所有的空隙；
17.(5)树脂固化后，切割，即得成品。
18.有益效果：本发明提供的夹芯板式盾构隧道管片防撞吸能装置可代替钢板和阻尼器，直接用螺栓或者胶固定在管片内壁作为防撞吸能装置。
19.该装置相对于现有技术的优势在于：
20.(1)结构简单，易于更换，被撞坏之后只需要将原来的取下，重新用螺栓或者胶安装一片新的防撞片就行。
21.(2)防护效果好，由于芯层既可以抗压又可以抗剪，因此夹芯板可以承担垂直于或者不严格垂直于板面的撞击作用。夹芯板仅仅是安装在管片外表面，基本不影响管片的原有结构。
22.(3)可设计性强，根据防撞性能的要求来设计夹芯板的厚度尺寸和加强筋分布。
23.该装置的制备方法采用vari工艺，将铺放好的纤维增强材料预成型体密封在真空模腔内，并在真空负压的作用下将低粘度的树脂注入模腔，树脂在流动的过程中完成对增强材料预成型体的浸润，同时填补模腔内的所有空隙，树脂固化后即可得到frp构件。vari工艺的制备过程简单，成本较低。在vari工艺中面板与面芯间的胶层共同固化，因此采用vari工艺制备的泡沫夹芯结构其面芯结合性能更优。另外，该工艺能保证树脂均匀浸透纤维织物确保无干点，尤其适合大尺寸夹芯构件的制备。基于以上优势，本文采用vari工艺制备传统夹芯板和加筋夹芯板。
附图说明
24.图1为本发明夹芯板式盾构隧道管片防撞吸能装置的结构示意图。
25.图2为泡沫芯层的结构示意图。
26.图3为泡沫芯层的俯视(仰视)图。
27.图4为上蒙皮的结构示意图。
28.图5为下蒙皮的结构示意图。
29.图6为落锤撞击夹芯板时的加速度变化图。
30.图7为落锤撞击混凝土实心结构时的加速度变化图。
具体实施方式
31.下面对本发明作出进一步说明。
32.实施例1
33.夹芯板式盾构隧道管片防撞吸能装置，见图1至5，包括泡沫芯层1以及设于泡沫芯层1上下表面的上蒙皮2和下蒙皮3；
34.所述上蒙皮2与泡沫芯层1接触面上设有第一加强筋6，所述上蒙皮2与第一加强筋 6一体成型；所述下蒙皮3与泡沫芯层1接触面上设有第二加强筋7，所述下蒙皮3与第二加强筋7一体成型；所述泡沫芯层1上表面设有与第一加强筋6形状配合的第一凹槽4，所述泡沫芯层1下表面设有与第二加强筋7形状配合的第二凹槽5；第一加强筋6 嵌于第一凹槽4内，第二加强筋7嵌于第二凹槽5内。所述第一加强筋6的截面为倒置的梯形，其长边嵌于第一凹槽4内，短边与上蒙皮2相连；所述第二加强筋7的截面为倒置的梯形，其长边嵌于第二凹槽5内，短边与下蒙皮3相连；所述第一加强筋6的截面尺寸大于第二加强筋7的截面尺寸。所述上蒙皮2的厚度大于下蒙皮3的厚度。所述第一加强筋6和第二加强筋7均为纵横交错的加强筋；所述第一加强筋6和第二加强筋 7均为frp加强筋。
35.所述芯层为聚氨酯泡沫芯层1；所述上蒙皮2和下蒙皮3分别独立地为gfrp蒙皮、超高分子量聚乙烯蒙皮或凯夫拉蒙皮。
36.上述夹芯板式盾构隧道管片防撞吸能装置的制备方法，包括以下步骤：
37.(1)在泡沫芯层上下表面刻制纵横交错的浅槽，浅槽间隔20mm，宽度为2mm，深度为2mm；沿泡沫芯层厚度方向打有若干通孔，通孔的间隔20mm，直径为3mm；当采用真空辅助树脂导入(vacuum assisted resin infusion,简称vari)工艺制备泡沫夹芯板时，浅槽和通孔一方面可以保证液态树脂均匀快速的流动，使树脂完全浸润纤维布，以达到保证成品质量的目的。另一方面，凹槽增大了上蒙皮、下蒙皮与芯层的粘结面积，凹槽内的树脂固化后可以作为面芯结合的机械咬合键，达到提升面芯结合强度的目的。
38.(2)根据加强筋的尺寸在泡沫芯层表面拓宽凹槽，再将条状纤维织物布置在凹槽内，作为加强筋的增强相；
39.(3)在玻璃平板模上涂抹脱模剂，待脱模剂干燥成膜后依次在玻璃平板上铺放下面板纤维布、泡沫芯层、上面板纤维布、脱模布、隔离膜、导流网，再布置注胶管与抽气管，组成预成型系统；
40.(4)采用真空袋膜将预成型系统封装，并使用密封胶带将真空袋膜与玻璃模具粘结成密封系统；将抽气管与真空泵连接，抽除封闭体系内的空气至真空，将树脂通过注胶管的三通注入封闭系统，树脂在负压作用下吸入预成型系统，浸润纤维布并填满所有的空隙；
41.(5)树脂固化后，切割，即得成品。
42.本实施例中，选用常州科乐复材有限公司生产的单向玻璃纤维布作为上蒙皮、下蒙皮和加强筋的增强相，单层厚度为0.2mm，面板的铺层方式为[90
°
/0
°
]n，加强筋的铺层方向为0
°
。制得的上蒙皮和下蒙皮的树脂材料选用华东理工大学华昌聚合物公司生产的乙烯基环氧树脂770v，并配有相应的固化剂和促凝剂。泡沫、面板与加强筋的材料参数如表1所示。
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表1面板、加强筋和泡沫芯子的材料参数
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测试夹芯板式盾构隧道管片防撞吸能装置性能：采用落锤试验机进行试验，落锤直径为20mm，落锤的整体质量为2.5kg，落锤高度为0.6m，得到的夹芯板和混凝土实心结构受撞击时落锤的加速度-时间曲线分别如图6和图7所示。
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从图中可以看出，夹芯板式吸能装置对落锤冲击具有明显的缓冲作用。撞击之后，夹芯板的表观并未发生破坏，可见其具有较好的抗冲击能力。因此，该结构具有较好的防撞吸能防护效果。
[0047]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。