一种盾构隧道密封条接触本构测试装置和测试方法

1.本发明涉及材料性能测试及本构构建领域的测试方法和装置，尤其是涉及一种盾构隧道密封条接触本构测试装置和测试方法。


背景技术：

2.随着城市轨道交通建设的加快发展，其运营时引起的振动问题也引起了广泛关注。而作为当今城市轨道地下建设主流形式的盾构隧道，其建设方式不同于传统隧道的“逐步浇筑”，由大量管片拼接而成，这也造成振动波在盾构隧道中的传播规律明显不同于传统浇筑方式的隧道。盾构隧道振动相关研究已表明盾构隧道管片间接触具有明显的阻尼特性，但现有测定盾构隧道密封条接触本构装置及方法仅能获得密封条接触刚度(应力应变特性)，不能获得接触接触的阻尼特性。
3.不同于传统方式浇筑的隧道，盾构隧道中存在有大量由管片拼接造成的接缝和管片间的接触面，这也导致振动波在盾构隧道中的传播规律明显不同于传统浇筑方式的隧道。管片间接缝(两管片的接触面)通常由两部分组成：“水泥-水泥”以及“密封条-密封条”，振动在这两部分的传播特征是不同的，但现有关于密封条间接触的研究，仅研究了密封条接触的应力-应变特性，对振动传播的关键影响因素之一——阻尼缺少相关测试方法及装置，


技术实现要素：

4.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可模拟盾构隧道管片密封条工作状态的测试装置，及使用该装置获得密封条间接触的本构关系的测试方法。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一方面，提供一种盾构隧道管片密封条接触本构测试装置，包括：
6.支撑架，位于整个装置的最底部；
7.加压夹持机构，设置在所述支撑架上部；
8.两个水泥块，并排布置的设置在所述加压夹持机构上，分别是第一水泥块和第二水泥块，两个水泥块相邻侧壁上设有两个相对布置的密封条；
9.所述加压夹持机构用于向所述密封条提供预紧力；
10.锤击振动机构，用于向两个所述水泥块施加自上而下地锤击振动；
11.薄膜振动加速度传感器，设置在所述水泥块与密封条之间；
12.薄膜应力传感器，设置在两个所述密封条之间的接触面上。
13.作为本发明的一种优选实施方式：所述加压夹持机构包括：
14.直线滑轨，与所述支撑架顶部固定连接；
15.两个夹持臂，滑动设置在所述直线滑轨上，两个夹持臂在所述直线滑轨上能够相向移动；距离调节机构，用于调节两个夹持臂之间的夹持距离；
16.两块所述水泥块夹设在两个夹持臂之间。
17.作为本发明的一种优选实施方式：所述直线滑轨沿水泥长度方向依次设置有三条，每个所述直线滑轨上均设置有两个夹持臂，设置在中间的直线滑轨为第一直线滑轨，所述第一直线滑轨上的夹持臂为第一夹持臂；设置在两侧直线滑轨为第二直线滑轨，所述第二直线滑轨上的夹持臂为第二夹持臂，所述距离调节机构设置在第一夹持臂上，所述第二夹持臂与第一夹持臂之间通过连接件实现同步移动。
18.作为本发明的一种优选实施方式：所述距离调节机构包括：
19.螺杆，与两个所述第一夹持臂底部设置的螺纹孔螺纹连接，且两个所述第一夹持臂的螺纹孔中的内螺纹方向相反；
20.转盘，设置在所述第一夹持臂的一侧，与所述螺杆的一端固定连接，用于旋转螺杆。
21.作为本发明的一种优选实施方式：所述第二夹持臂底部设置有凹槽，所述第二直线轨道的顶部固定设置有滚轮，用于减小夹持臂靠近时的摩擦力，所述第二夹持臂的凹槽与第二直线轨道顶部设置的滚轮间隙配合。
22.作为本发明的一种优选实施方式：所述锤击振动机构包括：
23.底座，其上侧设置有一固定柱；
24.悬臂梁，顶部横向设置有悬臂，所述悬臂上设置有横向滑槽，且所述悬臂的一端固定连接有竖直设置的限位套筒，所述限位套筒底部开口，所述底部开口与固定柱外径尺寸相匹配，且所述限位套筒的侧面沿高度方向等距设置有限位孔；所述固定柱插入限位套筒中，将所述悬臂梁固定在所述固定柱上，并通过螺栓与限位孔调节所述悬臂梁的高度；
25.支撑台，设置在所述底座的一侧，且位于所述支撑架的下方；
26.锤击件，与所述悬臂梁的滑槽滑动连接，用于对两个所述水泥块锤击，包括：固定架，滑动设置在所述悬臂梁上；
27.主动轮，设置在所述固定架的上侧，与外机驱动连接；
28.从动轮，设置在所述固定支架下侧，与所述主动轮通过传送带传动连接，所述从动轮上缠设有钢索绳；
29.击锤座，上端与所述钢索绳的自由端固定连接，下端固定设置有振动击锤。
30.作为本发明的一种优选实施方式：所述振动击锤上部为圆柱形铁块，下部为半球形突起，所述半球形突起为弹性橡胶半球。
31.作为本发明的一种优选实施方式：所述支撑架包括：
32.圆柱形支撑柱44，设置在所述第二直线导轨的下方，用于支撑所述加压夹持机构
33.横向连接条，设置在所述直线导轨与圆柱形支撑柱44之间，；
34.所述第一直线导轨固定设置在所述横向连接条的中部，所述第二直线导轨与圆柱形支撑柱44、横向连接条焊接。
35.另一方面，提供一种盾构隧道管片密封条接触本构测试装置的测试方法，包括以下步骤：
36.步骤1，确认水泥块的尺寸，将两个密封条分别置于两个水泥块，并通过注浆、黏贴将水泥块和密封条连接，在密封条与水泥块的接触面上设置所述薄膜振动加速度传感器，在两个密封条之间的接触面上设置所述薄膜应力传感器；
37.步骤2，移动水泥块使两个密封条贴紧后，将水泥块整体置于加压夹持机构上，通
过加压夹持机构夹持水泥块并对两个水泥块进行加压，并观察应力传感器读数，当应力传感器读数等于0或接近于0时记录两水泥块的间距；
38.步骤3，继续通过加压夹持机构对两个对水泥块施加压力，并间隔停止距离调节机构的工作，记录水泥块的间距和此时的应力传感器读数，同时启动振锤击振动机构，重复锤击水泥块，记录振动加速度传感器的数据；
39.步骤4，重复步骤3，直至两水泥块相接，或密封条被完全破坏，完成测试；
40.步骤5，根据记录的数据，得到距离变化量与应力传感器记录的应力大小关系，以及振动加速度衰减幅度与距离变化量关系；并在终端通过实验数据得到接触阻尼系数。
41.本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
42.1.本发明所述测试装置及方法可以模拟密封条工作状况，在获得密封条接触刚度(应力应变特性)的同时，还可获得密封条接触的阻尼特性，克服了现有装置和技术无法获得准确的盾构隧道密封条接触阻尼特性的问题，有利于数值计算软件中更好地模拟盾构隧道中密封条接触的特性，获得更准确的盾构隧道振动计算结果，可为数值计算软件模拟振动在盾构隧道及相关结构中传播提供阻尼特性的获得方法。
43.2.通过设置夹持臂，以及三个夹持臂的同步移动，保证水泥块夹持时，密封条受力均匀。
44.3.通过在滑动轨道上设置滚轮，减少两侧夹持臂移动时的阻力，使水泥块受力均匀。
45.4.通过设置锤击振动机构，对锤击件的水平竖直的位置进行调整，且通过输入往复驱动力驱动主动轮上下移动，从而带动振动击锤对水泥块不断进行锤击。
46.5.将振动击锤的锤击下部设置为弹性橡胶半球，减少所述击锤的磨损，延长击锤的寿命。
附图说明
47.图1是本发明结构示意图；图2是本发明中锤击件结构示意图；图3是本发明中振动源支架结构示意图；图4是本发明中加压夹持机构结构示意图；图5是本发明中支撑架结构示意图。
[0048][0049][0050][0051][0052][0053]
1为锤击件、11为转轮、12为固定架、13为传动带、14为击锤座、15为振动击锤、2 为锤击振动机构、21为悬臂梁、22为底座、23为支撑台、3为加压夹持机构、31为夹持臂、 32为转盘、33为螺杆、34为滑动杆、35为连接件、4为支撑架、41为滚轮、42为直线滑轨、 43为横向连接条、44为圆柱形支撑柱、51为密封条、52为水泥块。
具体实施方式
[0054]
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
[0055]
如图1所示为一种盾构隧道管片密封条接触本构测试装置，包括：
[0056]
支撑架4，位于整个装置的最底部；
[0057]
加压夹持机构3，设置在所述支撑架4上部；
[0058]
两个水泥块52，并排布置的设置在所述加压夹持机构3上，分别是第一水泥块和第二水泥块，两个水泥块相邻侧壁上设有两个相对布置的密封条；
[0059]
所述加压夹持机构3用于向所述密封条51提供预紧力；
[0060]
锤击振动机构2，用于向两个所述水泥块52施加自上而下地锤击振动；
[0061]
薄膜振动加速度传感器，设置在所述水泥块52与密封条51之间；
[0062]
薄膜应力传感器，设置在两个所述密封条51之间的接触面上。
[0063]
所述加压夹持机构3包括：
[0064]
直线滑轨42，与所述支撑架4顶部固定连接；
[0065]
两个夹持臂31，滑动设置在所述直线滑轨42上，两个夹持臂31在所述直线滑轨42上能够相向移动；
[0066]
距离调节机构，用于调节两个夹持臂31之间的夹持距离；
[0067]
两块所述水泥块夹设在两个夹持臂31之间。
[0068]
所述直线滑轨42沿水泥长度方向依次设置有三条，每个所述直线滑轨42上均设置有两个夹持臂31，设置在中间的直线滑轨42为第一直线滑轨42，所述第一直线滑轨42上的夹持臂31为第一夹持臂；设置在两侧直线滑轨42为第二直线滑轨42，所述第二直线滑轨42上的夹持臂31为第二夹持臂，所述距离调节机构设置在第一夹持臂上，所述第二夹持臂与第一夹持臂之间通过连接件35实现同步移动。
[0069]
所述距离调节机构包括：
[0070]
螺杆33，与两个所述第一夹持臂底部设置的螺纹孔螺纹连接，且两个所述第一夹持臂的螺纹孔中的内螺纹方向相反；
[0071]
转盘32，设置在所述第一夹持臂的一侧，与所述螺杆33的一端固定连接，用于旋转螺杆33。
[0072]
所述第二夹持臂底部设置有凹槽，所述第二直线轨道的顶部固定设置有滚轮4，用于减小夹持臂31靠近时的摩擦力，所述第二夹持臂的凹槽与第二直线轨道顶部设置的滚轮4间隙配合。
[0073]
所述锤击振动机构2包括：
[0074]
底座22，其上侧设置有一固定柱；
[0075]
悬臂梁21，顶部横向设置有悬臂，所述悬臂上设置有横向滑槽，且所述悬臂的一端固定连接有竖直设置的限位套筒，所述限位套筒底部开口，所述底部开口与固定柱外径尺寸相匹配，且所述限位套筒的侧面沿高度方向等距设置有限位孔；所述固定柱插入限位套筒中，将所述悬臂梁21固定在所述固定柱上，并通过螺栓与限位孔调节所述悬臂梁21的高度；
[0076]
支撑台23，设置在所述底座22的一侧，且位于所述支撑架的下方；
[0077]
锤击件，与所述悬臂梁21的滑槽滑动连接，用于对两个所述水泥块锤击，包括：固定架，滑动设置在所述悬臂梁21上；
[0078]
主动轮，设置在所述固定架的上侧，与外机驱动连接；
[0079]
从动轮，设置在所述固定支架下侧，与所述主动轮通过传送带传动连接，所述从动轮上缠设有钢索绳；
[0080]
击锤座14，上端与所述钢索绳的自由端固定连接，下端固定设置有振动击锤15。
[0081]
所述振动击锤15上部为圆柱形铁块，下部为半球形突起，所述半球形突起为弹性橡胶半球。
[0082]
所述支撑架包括：
[0083]
圆柱形支撑柱44，设置在所述第二直线导轨的下方，用于支撑所述加压夹持机构
[0084]
横向连接条43，设置在所述直线导轨与圆柱形支撑柱44之间，；
[0085]
所述第一直线导轨固定设置在所述横向连接条43的中部，所述第二直线导轨与圆柱形支撑柱44、横向连接条43焊接。
[0086]
本实施案例盾构隧道管片密封条接触本构测试装置及方法，如图1所示，特指由锤击件 1、锤击振动机构2、管片梯度加压装置3、支撑架4、密封条51和水泥块52组成的兼有测试盾构隧道密封条间接触刚度和接触阻尼特性的测试装置。
[0087]
锤击件1由两个转轮11，异形固定架12，传送带13，击锤支架14和振动击锤15组成。转轮11通过一固定轴与异形固定架12相固定，两转轮11通过传送带13相连接，其中，位于上侧的转轮11为主动轮，位于下侧的转轮11为从动轮，在外力驱动(电力驱动或人力驱动)下，通过传送带13主动轮可带动从动轮转动。从动轮通过一高强度钢索绳与击锤支架 14相连，钢索绳一端固定在从动轮上，另一侧固定在击锤支架14上表面，主动轮受往复驱动力时，从动轮同时转动，钢索绳自由端长度上下变化，同时击锤支架14跟随钢索绳自由端上下移动。振动击锤15为一圆柱体铁块，上部有圆柱形凹槽，下部有半球形突起。半球形突起由高分子弹性橡胶组成，防止击锤15与测试水泥块52接触时破坏水泥块。击锤支架14下侧突起与所述振动击锤15顶部凹槽通过螺纹旋接。振动击锤15为可更换为不同重量的击锤，产生不同的振动效果。
[0088]
锤击振动机构2由“l”型悬臂梁21，振动源支架底座22和异形支撑23组成。“l”型悬臂梁21悬臂端有长条形镂空，锤击件1通过异形固定架12两侧滚轮置于长条形镂空中，通过此手段，锤击件1可在所述“l”型悬臂梁21悬臂端上前后自由移动。“l”型悬臂梁21 下端为一长方体，内部有圆柱形镂空，侧表面有一定数量的圆形镂空并覆盖有梯形加强层突起。振动源支架底座22，底部为台体，上表面焊接有圆柱形突起。锤击振动机构22底座的圆柱形突起可插入“l”型悬臂梁21圆柱形镂空，再将螺栓插入侧表面圆形镂空中，可固定“l”型悬臂梁21位置。振动源支架底座22靠近“l”型悬臂梁悬臂端21设有异形支撑23，可根据击锤位置调整异形支撑23位置，防止所述振动源支架失稳倾倒。
[0089]
加压夹持机构3由六个夹持臂31，转盘32，螺杆33和刚性连接臂滑动杆34组成。中间处夹持臂31下方焊接有“工”字形突起，两侧四个夹持臂31下方焊接有“口”字形长条凹槽，“口”字形凹槽开口垂直于两侧夹持臂下表面，中间的两个第一夹持臂分别与两侧的第二夹持臂通过连接件25固定连接，使夹持臂31同步移动。中间处夹持臂31由一螺杆连接33，
长螺杆33外侧焊接有一转盘32，中间处两侧夹持臂31内部均有与螺杆33螺纹对应的螺旋形凹槽，转动转盘32，双弯曲刚性连接臂间距可缩短或延长。两侧双弯曲夹持臂31中间空腔处设有刚性连接臂滑动杆34，限制两侧双弯曲夹持臂31横向位移。
[0090]
支撑架4由直线滑轨42、横向连接条43和圆柱形支撑柱44组成。直线滑轨42顶部焊接有与所述夹持臂31下侧宽度相同的“口”字形长条凹槽。中间位置直线滑轨42顶部焊接有横截面为“门”字形所的长条铁轨，内部与中间处两个夹持臂31下侧“工”字形突起相扣，可限制加压夹持机构3与支撑架4间的横向位移。直线滑轨42下部与横向连接条43和圆柱形支撑柱44焊接，横向连接条43连接三个直线滑轨42，限制加压夹持机构3及直线滑轨42 横向变形，圆柱形支撑柱44与两侧直线滑轨42下侧焊接，为管片梯度加压装置3提供竖向支撑。
[0091]
直线滑轨42顶部凹槽与夹持臂31下侧宽凹槽空间中放置一定数量的滚轮41，滚轮41 可减小两侧双弯曲夹持臂在靠近时的摩擦阻力，并给加压夹持机构3提供竖向支撑。
[0092]
测试样品有两个待检测密封条51及两块水泥块52组成，密封条51根据科研及工程需求选用，水泥块52侧面设有与密封条51轮廓相适应的凹槽，便于密封条与水泥块结合及模拟现实工程需要。
[0093]
本发明具体实施的测试方法如下：
[0094]
第一步：根据科研需求或工程实际情况确定密封条51和水泥块52。将密封条51分别置于两个水泥块52相应凹槽处，并通过注浆、黏贴等手段将密封条51与水泥块52连接起来，并在密封条51与水泥块52接触面上分别黏贴一定数量的薄膜振动加速度传感器，在密封条接触处黏贴一定数量的薄膜应力传感器。传感器数量及间距根据密封条尺寸选择。
[0095]
第二步：使两密封条51表面紧贴，并将水泥块52整体置于所述夹持臂31上，调整锤击振动机构2高度，转动螺杆外的转盘32，使夹持臂31夹住水泥块，观察应力传感器读数，使应力传感器读数等于0或接近于0，记录此时两水泥块52的间距。
[0096]
第三步：转动螺杆外转盘32，使夹持臂31继续对水泥块52施加压力，随时观察两水泥块52间距离传感器数据，转盘32每转动一周，停止转动转盘32，记录水泥块52间距和此时应力传感器读数，施加往复驱动力，并释放振动击锤14，并利用锤击件1结合科研或工程需要，使振动击锤14按一定频率锤击水泥块52，观察并记录两侧薄膜振动加速度传感器上读数。
[0097]
第四步：重复第三步中步骤，直至两水泥块52相接或密封条51被彻底破坏，完成现场测试。
[0098]
第五步：根据之前记录数据，可获得距离变化量与应力传感器记录的应力应变关系，以及振动加速度衰减幅度与距离变化量关系。并在数值计算软件中设置具有相同尺寸及其他物理参数水泥块和密封条，改变水泥块间距，确保应力应变与实际测试结果相近后，在数值计算软件中施加相同振动源，不断调整密封条接触阻尼系数，使数值计算软件前后振动加速度变化幅度与实际测试结果相同，最终得到接触阻尼系数。
[0099]
振动击锤14可更换为不同重量击锤，获得不同的锤击效果，产生不同的振动冲击。
[0100]
第三步中击锤锤击频率可根据工作状况需要设置。
[0101]
除密封条间接触外，显然地，此装置还可测试并建立其他具有相似结构的接触的本构模型。
[0102]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。