一种获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置及方法

1.本发明涉及沉管隧道试验技术领域，尤其是涉及一种获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置及方法。


背景技术：

2.沉管隧道是建于水中的隧道，沉管隧道主要由若干预制完成的基本结构单元组成，在水域中将其通过浮运、沉放、水下对接贯通形成的隧道，这些预制的基本结构单元为沉管隧道管节，沉管隧道管节之间的连接结构称为接头，可靠的接头是确保沉管隧道的正常运营的关键要素，而止水带为接头的关键部件。目前，沉管隧道施工中均采用水力压接技术，依靠管节水下对接排水后作用在后端封墙上的巨大水压力将管段推向前方，使橡胶止水带产生压缩变形，起到止水作用。
3.沉管隧道试验装置是进行沉管隧道相关试验的重要手段。然而，现有的沉管隧道试验装置无法获取沉管隧道接头纵向受力分析模型，而且无法精确的模拟沉管隧道水力压接过程。


技术实现要素：

4.本发明的第一目的在于提供一种获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置，能够解决现有技术无法获取沉管隧道接头纵向受力分析模型以及无法精确模拟沉管隧道水力压接过程的问题。
5.本发明的第二目的在于提供一种获取沉管隧道接头受力分析模型的试验方法。
6.本发明提供一种获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置，包括两个反力柱、第一反力架主梁、第二反力架主梁、两个第一千斤顶、两个第二千斤顶、两个第一挑梁、两个第二挑梁、两个第一钢绞线以及两个第二钢绞线，两个所述反力柱呈竖直向固定于底部反力墙上，所述第一反力架主梁的两端与两个所述反力柱对应滑动连接，所述第二反力架主梁的两端与两个所述反力柱对应固定连接，且所述第一反力架主梁位于所述第二反力架主梁的上方；两个所述第一挑梁间隔的设置于所述第一反力架主梁上，两个所述第一千斤顶的固定端对应设置于两个所述第一挑梁上，两个所述第二挑梁对应设置于两个所述第一千斤顶的驱动端上；两个所述第一钢绞线的第一端分别与所述底部反力墙锚固连接，两个所述第一钢绞线的第二端对应穿过两个所述第一挑梁的第一端和两个所述第二挑梁的第一端；两个所述第二钢绞线的第一端分别与所述底部反力墙锚固连接，两个所述第二钢绞线的第二端对应穿过两个所述第一挑梁的第二端和两个所述第二挑梁的第二端；所述第一钢绞线和所述第二钢绞线分别通过第一锚具与所述第一挑梁锚固连接，所述第一钢绞线和所述第二钢绞线分别通过第二锚具与所述第二挑梁锚固连接；在所述第二反力架主梁的中部固定有止水带，在所述第一反力架主梁的底部对应所述止水带的位置处安装有止水带加压构件，两个所述第二千斤顶分别安装于所述第二反力架主梁上，且所述止水带位于两个所述第二千斤顶之间。
7.根据本发明提供的一种获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置，两个所述第一挑梁相互平行，且各所述第一挑梁均与所述第一反力架主梁相垂直，两个所述第一挑梁的第一端伸出于所述第一反力架主梁的前侧，两个所述第一挑梁的第二端伸出于所述第一反力架主梁的后侧。
8.根据本发明提供的一种获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置，两个所述第二挑梁相互平行，且所述第二挑梁与所述第一挑梁相平行，两个所述第二挑梁的第一端伸出于所述第一反力架主梁的前侧，两个所述第二挑梁的第二端伸出于所述第一反力架主梁的后侧。
9.根据本发明提供的一种获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置，各所述第一钢绞线的第一端分别穿过所述底部反力墙和第一钢垫板，各所述第二钢绞线的第一端分别穿过所述底部反力墙和第二钢垫板，且各所述第一钢绞线和各所述第二钢绞线分别通过第三锚具与所述底部反力墙锚固连接。
10.根据本发明提供的一种获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置，在各所述第一钢绞线和各所述第二钢绞线上分别设有压力计。
11.根据本发明提供的一种获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置，所述第一千斤顶的固定端设置于所述第一挑梁的正中间，所述第一千斤顶的驱动端设置于所述第二挑梁的正中间。
12.根据本发明提供的一种获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置，两个所述反力柱分别为第一反力柱和第二反力柱，其中一个所述第二千斤顶设置于所述止水带的第一端与所述第一反力柱的中点位置处，另一个所述第二千斤顶设置于所述止水带的第二端与所述第二反力柱的中点位置处。
13.根据本发明提供的一种获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置，所述止水带加压构件为加压块，所述加压块为上小下大的梯形结构体。
14.本发明还提供一种获取沉管隧道接头受力分析模型的试验方法，采用上述的获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置，包括如下步骤：
15.放松各第一锚具和各第二锚具，驱动两个第二千斤顶同步顶出，将第一反力架主梁向上顶起一段距离并静置，测量施加在两个所述第二千斤顶上的重力，所述重力为上部构件重力g；
16.驱动两个所述第二千斤顶同步收缩，使所述第二千斤顶与所述第一反力架主梁相脱离，使止水带加压构件的底面与止水带的上表面相接触；
17.固定各所述第二锚具，驱动两个第一千斤顶同步顶出，使各第一钢绞线和各第二钢绞线产生预压力，通过设置在各所述第一钢绞线以及各所述第二钢绞线上的压力计测量获得总压力fs，所述总压力fs为两个所述第一钢绞线和两个所述第二钢绞线施加在第二挑梁上的总压力；
18.当所述止水带达到预定压力时，固定各所述第一锚具，放松各所述第二锚具，驱动两个所述第一千斤顶同步收缩；
19.按照如下公式计算止水带所受压力：
20.fg＝fs g
21.其中，fg为止水带所受压力。
22.根据本发明提供的一种获取沉管隧道接头受力分析模型的试验方法，还包括获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置的安装方法，包括：
23.调整所述第一反力架主梁的位置，使所述第一反力架主梁的底面距离地面预定距离，并通过定位螺栓将所述第一反力架主梁固定在反力柱上；
24.将所述止水带固定在第二反力架主梁的上表面；
25.将两个所述第二千斤顶吊装至所述第二反力架主梁上；
26.将所述止水带加压构件安装于所述第一反力架主梁的底面上，并使所述止水带加压构件位于所述止水带的正上方；
27.将所述定位螺栓拆卸，将两个所述第二千斤顶向上顶出预定长度，使所述第一反力架主梁通过两个所述第二千斤顶进行支撑；
28.在所述第一反力架主梁上安装两个第一挑梁，在各所述第一挑梁上分别安装所述第一千斤顶，在各所述第一千斤顶上分别安装第二挑梁；
29.将两个第一钢绞线的第一端和两个第二钢绞线的第一端分别与底部反力墙锚固连接，将两个所述第一钢绞线的第二端对应穿过两个所述第一挑梁的第一端和两个所述第二挑梁的第一端，将两个所述第二钢绞线的第二端对应穿过两个所述第一挑梁的第二端和两个所述第二挑梁的第二端，然后将各所述第一钢绞线和各所述第二钢绞线分别通过第一锚具与所述第一挑梁锚固连接，将各所述第一钢绞线和各所述第二钢绞线分别通过第二锚具与所述第二挑梁锚固连接。
30.本发明提供的一种获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置，包括两个反力柱、第一反力架主梁、第二反力架主梁、两个第一千斤顶、两个第二千斤顶、两个第一挑梁、两个第二挑梁、两个第一钢绞线以及两个第二钢绞线，其中将两个反力柱呈竖直向固定于底部反力墙上；将第一反力架主梁的两端分别与两个反力柱对应滑动连接，将第二反力架主梁的两端分别与两个反力柱对应固定连接，使第一反力架主梁位于第二反力架主梁的上方；将两个第一挑梁间隔的设置于第一反力架主梁上，将两个第一千斤顶的固定端对应设置于两个第一挑梁上，将两个第二挑梁对应设置于两个第一千斤顶的驱动端上；将两个第一钢绞线的第一端分别与底部反力墙锚固连接，将两个第一钢绞线的第二端对应穿过两个第一挑梁的第一端和两个第二挑梁的第一端；将两个第二钢绞线的第一端分别与底部反力墙锚固连接，将两个第二钢绞线的第二端对应穿过两个第一挑梁的第二端和两个第二挑梁的第二端；将第一钢绞线和第二钢绞线分别通过第一锚具与第一挑梁锚固连接，将第一钢绞线和第二钢绞线分别通过第二锚具与第二挑梁锚固连接；在第二反力架主梁的中部固定止水带，在第一反力架主梁的底部对应止水带的位置处安装止水带加压构件，将两个第二千斤顶分别安装于第二反力架主梁上，使止水带位于两个第二千斤顶之间。在进行试验时，通过两个第一千斤顶能够对第一钢绞线和第二钢绞线施加预应力，第一钢绞线和第二钢绞线上的预压力能够通过第一挑梁和第二挑梁作用至止水带加压构件上，再通过止水带加压构件向止水带施加压力，从而使止水带发挥水密性的作用，达到模拟实际工况下沉管隧道水力压接过程的目的，简化并精确的等效了沉管隧道的水力压接过程，从而能够获取止水带所受压力与止水带压缩变形位移之间的关系曲线，进而能够获取沉管隧道接头纵向受力分析模型。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本发明获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置的主视图；
33.图2为本发明获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置的侧视图；
34.图3为本发明获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置的轴测图。
35.附图标记说明：
36.1：反力柱；2：第一反力架主梁；3：第二反力架主梁；4：第一千斤顶；5：第二千斤顶；6：第一挑梁；7：第二挑梁；8：第一钢绞线；9：第二钢绞线；10：底部反力墙；11：第一锚具；12：第二锚具；13：止水带；14：止水带加压构件；15：第一钢垫板；16：第二钢垫板；17：第三锚具。
具体实施方式
37.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.如图1至图3所示，本发明实施例的获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置，包括两个反力柱1、第一反力架主梁2、第二反力架主梁3、两个第一千斤顶4、两个第二千斤顶5、两个第一挑梁6、两个第二挑梁7、两个第一钢绞线8以及两个第二钢绞线9，其中两个反力柱1呈竖直向固定于底部反力墙10上，也即，各反力柱1均与底部反力墙10相垂直。
41.其中，第一反力架主梁2的两端分别与两个反力柱1对应滑动连接，第二反力架主梁3的两端分别与两个反力柱1对应固定连接，且第一反力架主梁2位于第二反力架主梁3的上方。也即，第一反力架主梁2能够在第二反力架主梁3的上方沿反力柱1进行上下滑动，从而能够调整第一反力架主梁2的位置。
42.其中，两个第一挑梁6间隔的安装于第一反力架主梁2上，两个第一千斤顶4的固定
端对应安装于两个第一挑梁6上，两个第二挑梁7对应安装于两个第一千斤顶4的驱动端上。也即，通过驱动两个第一千斤顶4，能够调整对应的第一挑梁6与第二挑梁7之间的间距。
43.其中，两个第一钢绞线8位于第一反力架主梁2的前方，两个第二钢绞线9位于第一反力架主梁2的后方，各第一钢绞线8和各第二钢绞线9分别垂直于底部反力墙10。两个第一钢绞线8的第一端分别与底部反力墙10锚固连接，两个第一钢绞线8的第二端对应穿过两个第一挑梁6的第一端和两个第二挑梁7的第一端。两个第二钢绞线9的第一端分别与底部反力墙10锚固连接，两个第二钢绞线9的第二端对应穿过两个第一挑梁6的第二端和两个第二挑梁7的第二端。第一钢绞线8和第二钢绞线9分别通过第一锚具11与第一挑梁6锚固连接，第一钢绞线8和第二钢绞线9分别通过第二锚具12与第二挑梁7锚固连接。
44.其中，在第二反力架主梁3的中部固定有止水带13，在第一反力架主梁2的底部对应止水带13的位置处安装有止水带加压构件14，两个第二千斤顶5分别安装于第二反力架主梁3上，且止水带13位于两个第二千斤顶5之间。通过止水带加压构件14能够向止水带13施加压力，通过调整向第一钢绞线8和第二钢绞线9施加的预应力，能够改变向止水带13施加压力的大小，以实现向止水带13施加预定压力，从而模拟实现沉管隧道水力压接过程。
45.在进行试验时，通过两个第二千斤顶5用于测出第一反力架主梁2以及设置在第一反力架主梁2上的各部件的总重力，通过两个第一千斤顶4用于加载使第一钢绞线8和第二钢绞线9张拉的预应力，然后第一钢绞线8和第二钢绞线9上的预压力能够作用至第一挑梁6和第二挑梁7上，进而通过第一挑梁6和第二挑梁7将两个第一千斤顶4产生的力传递至止水带加压构件14，再通过止水带加压构件14向止水带13施加压力。
46.由此，本发明实施例的获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置，能够通过两个第一千斤顶4向第一钢绞线8和第二钢绞线9施加预应力，并且通过向第一钢绞线8和第二钢绞线9施加预应力的方式，达到向止水带13施加预定压力的目的，从而使止水带13发挥水密性的作用，进而达到模拟实际工况下沉管隧道水力压接过程的目的，从而简化并精确的等效了沉管隧道的水力压接过程，并通过获取止水带13所受压力与止水带13压缩变形位移之间的关系曲线，从而获取沉管隧道接头纵向受力分析模型。
47.具体来说，止水带13可以采用gina止水带。
48.具体来说，第一千斤顶4可以采用100t的千斤顶，第二千斤顶5可以采用200t的千斤顶。
49.在本发明的一些实施例中，第一反力架主梁2和第二反力架主梁3相互平行，第一反力架主梁2与反力柱1相互垂直，第二反力架主梁3与反力柱1相互垂直。两个第一挑梁6相互平行，且各第一挑梁6均与第一反力架主梁2相垂直，两个第一挑梁6的第一端分别伸出于第一反力架主梁2的前侧，两个第一挑梁6的第二端分别伸出于第一反力架主梁2的后侧。两个第一挑梁6的这种设置方式，能够确保向第一钢绞线8和第二钢绞线9施加预应力时，各第一挑梁6受力均匀。
50.在本发明的一些实施例中，两个第二挑梁7相互平行，且第二挑梁7与第一挑梁6相互平行，两个第二挑梁7的第一端分别伸出于第一反力架主梁2的前侧，两个第二挑梁7的第二端分别伸出于第一反力架主梁2的后侧。两个第二挑梁7的这种设置方式，能够确保向第一钢绞线8和第二钢绞线9施加预应力时，各第二挑梁7受力均匀。
51.在本发明的一些实施例中，各第一钢绞线8的第一端分别穿过底部反力墙10和第
一钢垫板15，各第二钢绞线9的第一端分别穿过底部反力墙10和第二钢垫板16，且各第一钢绞线8和各第二钢绞线9分别通过第三锚具17与底部反力墙10锚固连接，从而实现第一钢绞线8与底部反力墙10之间的可靠连接固定以及实现第二钢绞线9与底部反力墙10之间的可靠连接固定。其中第一钢垫板15和第二钢垫板16用于增大力的作用面积，防止应力集中及底部反力墙10因受力过大而破坏。
52.在本发明的一些实施例中，在各第一钢绞线8和各第二钢绞线9上分别设有压力计(图中未示)，用于获取第一钢绞线8和各第二钢绞线9施加的预应力。
53.在本发明的一些实施例中，第一千斤顶4的固定端设置于第一挑梁6的正中间，第一千斤顶4的驱动端设置于第二挑梁7的正中间，从而确保第一挑梁6和第二挑梁7能够受力均匀。
54.在本发明的一些实施例中，两个反力柱1分别为第一反力柱和第二反力柱，将其中一个第二千斤顶5设置于止水带13的第一端与第一反力柱的中点位置处，将另一个第二千斤顶5设置于止水带13的第二端与第二反力柱的中点位置处，从而确保第一反力架主梁2被两个第二千斤顶5顶起时受力均匀。
55.在本发明的一些实施例中，止水带加压构件14为加压块，加压块为上小下大的梯形结构体。止水带加压构件14的这种结构形式，能够确保向止水带13施加压力的过程更加稳定、可靠。
56.本发明实施例的获取沉管隧道接头受力分析模型的试验方法，采用上述实施例的获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置，具体包括如下步骤：
57.放松各第一锚具11和各第二锚具12，驱动两个第二千斤顶5同步顶出，将第一反力架主梁2向上顶起一段距离并静置，测量施加在两个第二千斤顶5上的重力，该重力为上部构件重力g。也即，该重力为第一反力架主梁2以及设置在第一反力架主梁2上的各部件的总重力。
58.驱动两个第二千斤顶5同步收缩，使第二千斤顶5与第一反力架主梁2相脱离，从而使止水带加压构件14的底面与止水带13的上表面相接触。
59.保持各第一锚具11处于放松状态，然后固定各第二锚具12，驱动两个第一千斤顶4同步顶出，使各第一钢绞线8和各第二钢绞线9产生预压力，通过设置在各第一钢绞线8以及各第二钢绞线9上的压力计测量获得总压力fs，该总压力fs为两个第一钢绞线8和两个第二钢绞线9施加在第二挑梁7上的总压力。
60.当止水带13达到预定压力时，固定各第一锚具11，放松各第二锚具12，驱动两个第一千斤顶4同步收缩。
61.按照如下公式计算止水带13所受压力：
62.fg＝fs g
63.其中，fg为止水带13所受压力。
64.获取止水带13所受压力为fg时，止水带13对应的压缩变形位移。
65.也即，通过获取多个不同的止水带13所受压力以及对应不同压力时止水带13的多个不同压缩变形位移，能够绘制出止水带13所受压力与压缩变形位移之间的关系曲线，进而通过对该关系曲线进行计算处理，从而获取沉管隧道接头纵向受力分析模型。而在试验过程中，通过对第一钢绞线8和第二钢绞线9施加预应力，能够达到向止水带13施加预定压
力的目的，从而模拟实现沉管隧道水力压接过程，简化并精确的等效了沉管隧道的水力压接过程。
66.在本发明的一些实施例中，还包括获取沉管隧道接头受力分析模型的试验装置的安装方法，具体包括如下步骤：
67.调整第一反力架主梁2的位置，使第一反力架主梁2的底面距离地面预定距离，并通过定位螺栓将第一反力架主梁2固定在反力柱1上。
68.将止水带13固定在第二反力架主梁3的上表面，防止止水带13在试验过程中产生侧向位移。
69.将两个第二千斤顶5吊装至第二反力架主梁3上。
70.将止水带加压构件14安装于第一反力架主梁2的底面上，并使止水带加压构件14位于止水带13的正上方。
71.将定位螺栓拆卸，将两个第二千斤顶5向上顶出预定长度，使第一反力架主梁2通过两个第二千斤顶5进行支撑。
72.在第一反力架主梁2上安装两个第一挑梁6，在各第一挑梁6上分别安装第一千斤顶4，在各第一千斤顶4上分别安装第二挑梁7。
73.然后将两个第一钢绞线8的第一端和两个第二钢绞线9的第一端分别与底部反力墙10锚固连接，将两个第一钢绞线8的第二端对应穿过两个第一挑梁6的第一端和两个第二挑梁7的第一端，将两个第二钢绞线9的第二端对应穿过两个第一挑梁6的第二端和两个第二挑梁7的第二端，然后将各第一钢绞线8和各第二钢绞线9分别通过第一锚具11与第一挑梁6锚固连接，将各第一钢绞线8和各第二钢绞线9分别通过第二锚具12与第二挑梁7锚固连接，从而完成试验装置的安装。
74.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。