一种对比隧道测力锁脚锚管测试性能的装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种对比隧道测力锁脚锚管测试性能的装置。本实用新型安装方便、易于操作，能快速对埋设光纤光栅测力锁脚锚管的测试性能进行验证，可用于多种管式、杆式等相似测力装置测试性能的检测。本实用新型采用的技术方案包括：埋设光纤光栅的测力锁脚锚管、粘贴电阻应变片的测力锁脚锚管以及对比时用的加载圆环和支撑架。
【专利说明】
一种对比隧道测力锁脚锚管测试性能的装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种对比隧道测力锁脚锚管测试性能的装置。
【背景技术】
[0002] 进入21世纪以来，我国社会经济和科学技术水平的不断进步，随着"一带一路"和 "海上丝绸之路"两大经济带战略的提出，桥梁、隧道、大坝、公路等重大交通工程的建设取 得了迅猛的发展。就隧道建设而言，不仅其数量和规模有所扩大，其开挖断面也在不断增 大，遇到的难题也越来越多。对于复杂地质条件下的隧道建设，其面临的问题不断增多。如 在软弱围岩隧道开挖过程中，由于围岩自稳能力差，若隧道支护方法选取不当，往往会引起 隧道结构变形失稳甚至塌方，因此合理的支护结构体系是隧道建设和运营安全的重要保 障。锁脚锚管作为软弱围岩隧道建设中的一种支护手段，由于其结构简单、易于操作、经济 实用，在控制隧道初期支护下沉变形和结构稳定性方面起到了至关重要的作用，因此锁脚 锚管被广泛应用于软弱围岩隧道工程建设中。但有关锁脚锚管受力特性和作用机理的研究 还比较少，大多数还是通过工程经验类比和数值模拟的方法进行分析，这样做必然会对隧 道建设埋下一定的安全隐患，造成国家资源的浪费，因此对锁脚锚管力学特性和受力机理 的研究势在必行。
[0003] 现有的锁脚锚管受力特性的监测手段，比如粘贴电阻应变片的测力锁脚锚管，当 其应用于施工现场进行长期监测时存在着诸多缺点，具体表现为:在潮湿多变的施工环境 中测试数据难以保持长期稳定，易受电磁干扰，测试数据不连贯，误差大，难以实现长期监 测。
[0004] 然而将光纤光栅传感技术应用于隧道锁脚锚管受力特性测试之前，很难去判断其 测试试验的可行性以及测试数据的准确性，可见寻求一种对比方法来对其进行验证的重要 性。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的目的是提供一种对比隧道测力锁脚锚管测试性能的装置，其利用本 装置及其测试方法有效地验证了埋设光纤光栅测力锁脚锚管在测试过程中更加稳定，且测 试数据更加准确和可靠，为埋设光纤光栅测力锁脚锚管应用于施工现场测量提供了很好的 依据。
[0006] 为解决现有技术存在的问题，本实用新型的技术方案为:一种对比隧道测力锁脚 锚管测试性能的装置，其特征在于:包括测力锁脚锚管，所述的测力锁脚锚管的两端分别放 置于支撑架之上，所述的测力锁脚锚管的管身上套设有加载圆环，加载圆环的正下方悬挂 破码。
[0007] 所述的支撑架底部采用两根矩形钢管垂直焊接成"T"型，其上方垂直焊接有圆柱 形钢管一，圆柱形钢管一的顶部垂直焊接圆柱形钢管二，圆柱形钢管二上方垂直焊接两根 圆柱形钢棒，两根圆柱形钢棒之间的距离与测力锁脚锚管的外径相同。
[0008] 所述的加载圆环的顶端设置有孔，孔内设置有螺栓，加载圆环的底端外侧连接有 螺母。
[0009] 所述的测力锁脚锚管包括两种，分别为埋设光纤光栅的测力锁脚锚管和粘贴电阻 应变片的测力锁脚锚管。
[0010] 与现有技术相比，本实用新型的优点如下：
[0011] 1、本实用新型基于两端铰支简支梁受集中荷载作用时的受力特点，有针对性的提 出了 一种对比测力锁脚锚管测试性能的方法。
[0012] 2、本实用新型安装方法简单、易于操作、经济实用，可被广泛应用于对比布设光纤 光栅的管式或杆式等相似结构的测试性能。
[0013] 3、本实用新型通过将测力锁脚锚管两端铰支，并在其管身一点处施加集中荷载， 来模拟简支梁受集中荷载作用时的受力情况。该方法能快速、有效地检验埋设光纤光栅锁 脚锚管测力装置应用到实际工程中的可行性，以及测试结果的准确性。
[0014] 4、本实用新型的测试结果为之后光纤光栅锁脚锚管测力装置应用于实际工程提 供很好的理论依据和支撑。
【附图说明】
[0015] 图1本实用新型装置的结构示意图；
[0016] 图2本实用新型支撑架结构示意图；
[0017]图3本实用新型加载圆环的结构不意图；
[0018]图4本实用新型埋设光纤光栅锁脚锚管测力装置示意图；
[0019]图5本实用新型埋设光纤光栅锁脚锚管测力装置断面图；
[0020]图6本实用新型粘贴电阻应变片锁脚锚管测力装置示意图；
[0021 ]图7本实用新型带补偿1/4桥路连接电阻应变测试仪示意图；
[0022]图8本实用新型对比试验中测力锁脚锚管受集中荷载作用时的受力示意图；
[0023]图9本实用新型对比试验中测力锁脚锚管受力弯矩图；
[0024] 附图标记说明：1 一锁脚锚管本体，2-圆孔一，3-长槽，4一圆孔二，5-光缆，6- 裸光纤，7-光纤光栅解调仪，8-电阻应变片，9 一导线，10-电阻应变测试仪，11 一支撑架， 12-加载圆环，13-砝码，14一螺母，15-螺栓，16-矩形钢管，17-圆柱形钢管一，18-圆 柱形钢管二，19 一圆柱形钢棒，20-测力锁脚锚管。
【具体实施方式】
[0025] 下面通过实施例结合附图对本设计做详细描述：
[0026] 参见图1 一图3: -种对比隧道测力锁脚锚管测试性能的装置，其特征在于:包括测 力锁脚锚管20,所述的测力锁脚锚管20的两端分别放置于支撑架11之上，所述的测力锁脚 锚管20的管身上套设有加载圆环12,加载圆环12的正下方通过连线悬挂砝码13。
[0027]参见图2:所述的支撑架11底部采用两根矩形钢管16垂直焊接成"T"型，其上方垂 直焊接有圆柱形钢管一 17,圆柱形钢管一 17的顶部垂直焊接圆柱形钢管二18,圆柱形钢管 二18上方垂直焊接两根圆柱形钢棒19,两根短圆形钢棒19之间的距离与测力锁脚锚管20的 外径相同。
[0028]参见图3:所述的加载圆环12的顶端设置有孔，孔内设置有螺栓15,加载圆环12的 底端外侧连接有螺母14。
[0029]所述的测力锁脚锚管20包括两种，分别为埋设光纤光栅的测力锁脚锚管和粘贴电 阻应变片的测力锁脚锚管。
[0030]参见图4 一图5:埋设光纤光栅的测力锁脚锚管的结构包括锁脚锚管本体1，所述的 锁脚锚管1的一端设置有锥头，所述的锁脚锚管1的管身上沿管长度方向设置有相对称的4 个长槽3,4个长槽3的轴线相平行，每个长槽3的两端设置有圆孔一 2和圆孔二4,每个长槽内 通过圆孔一 2和圆孔二4穿设有裸光纤6,所述的裸光纤6的两端伸出于锁脚锚管1外，长槽内 的裸光纤上设置有若干个光栅，长槽外的裸光纤6进行铠装形成光缆5,所述的光缆5与光纤 光栅解调仪7连接，各相邻光栅之间的间隔距离根据锁脚锚管各测试断面的位置设置，长槽 内的裸光纤6上依次涂有航天胶和防水胶，长槽内的裸光纤6上套设有松套管。
[0031]光纤通讯技术发展起来的光纤光栅传感技术，除了具有抗电磁干扰能力强、防水 防潮能力强、灵敏度和稳定性高的优点外，还具有信息采集和传输于一体的特点，可以实现 分布式测量。
[0032] 参见图6,图7:粘贴电阻应变片的测力锁脚锚管:包括锁脚锚管本体1，所述的锁脚 锚管本体1的一端设置有锥头，所述的锁脚锚管本体1的管身测试断面处上、下、左、右四个 位置分别粘贴电阻应变片8,电阻应变片8焊接导线9,导线9的另一端按照带温度补偿的1/4 桥路接法连接有电阻应变测试仪10。
[0033] 本实用新型通过将测力锁脚锚管置于测试装置上，并进行逐级加载，来对比分析 两种测力锁脚锚管的测试性能。
[0034]本实用新型具体实施方法为：
[0035] (1)首先，准备一根埋设光纤光栅的测力锁脚锚管，一根粘贴电阻应变片的测力锁 脚锚管，电阻应变片的粘贴位置与光纤栅区的布设位置保持相同，而且两根锁脚锚管采用 同一规格、型号、批次的热乳无缝钢管;然后，制作一副用于支撑测力锁脚锚管的支撑架，来 模拟简支梁两端的铰支座，制作一个带有螺栓螺帽的加载圆环，为测力锁脚锚管施加集中 荷载时所用。所述的支撑架采用矩形钢管、圆形钢管一、圆形钢管二共同焊接而成，将两根 等长的矩形钢管垂直焊接作为整个支撑架的底座，并在底座上垂直焊接圆形钢管一，圆形 钢管一上焊接圆形钢管二，圆形钢管二上垂直焊接两根圆柱形钢棒，用于限制测力锁脚锚 管转动。所述的带有螺栓螺帽的加载圆环的直径稍大于测力锁脚锚管的直径，加载圆环的 正上方钻孔并攻丝，并对螺栓头进行打磨削尖，圆环正下方焊接螺帽，用于悬挂加载时所用 的砝码。
[0036] (2)安装测试系统。首先，选取一块平整的场地，并将支撑架摆放好，两个支撑架必 须处于同一条水平线上，不能摇晃;然后，将带有螺栓螺帽的加载圆环套于测力锁脚锚管管 身，并将测力锁脚锚管放置于支撑架之上，保证测力锁脚锚管管身正下方位置与支撑架顶 端的圆柱形钢管一垂直相切;最后，分别将测力锁脚锚管连接至测试仪器，并连接至电脑。 在用电测法对测力锁脚锚管进行加载测试时，通过在测力锁脚锚管管身不同截面处粘贴电 阻应变片，并利用电阻应变测试仪采用电阻应变片带温度补偿的1/4桥接法来测试锁脚锚 管各测点处的应变值，采用与测力锁脚锚管同一批次、型号的一小段锁脚锚管粘贴电阻应 变片来作为温度补偿装置;在用光测法对测力锁脚锚管进行加载测试时，通过在锁脚锚管 管身刻槽埋设裸光纤光栅，利用光纤光栅解调仪连接光纤光栅温度传感器来补偿测力锁脚 锚管各测点处荷载作用引起的波长变化，并将其转换成各测点处的应变量。
[0037] (3)对测力锁脚锚管进行加载。首先，对埋设光纤光栅的测力锁脚锚管进行加载测 试，将加载圆环滑动到预先设定的加载位置，并旋转圆环使螺栓头对准测力锁脚锚管管身 正上方。然后在加载圆环下方的螺帽上悬挂砝码，对埋设光纤光栅的测力锁脚锚管进行逐 级加载，并通过光纤光栅解调仪采集其波长的变化量。最后按上述加载方法对粘贴电阻应 变片的测力锁脚锚管进行加载测试。
[0038] (4)对测力锁脚锚管的测试数据与理论值进行对比分析。置于支撑架上的测力锁 脚锚管可以看作简支梁受集中荷载F作用，其受力图、弯矩图分别如图8和图9所示。
[0039] 对于梁AC段:其弯矩为
[0040] 对于梁BC段:其弯矩为' .1 .
[0041] 对于锚管管身各点的应力彳
其中y为锁脚锚管管身各测点距中性轴的距 离。
[0042] 其中
实中D为测力锁脚锚管的外径，d为内径。
[0043] 继而可求得对应各测点的应变# = | E.
[0044] 由于测力锁脚锚管管身最左侧、最右侧测点处的y值均为0,最上侧、最下侧测点处 的y值相等，即测力锁脚锚管最左侧、最右侧测点处的理论应变值ε左=￡右=〇,最上侧、最下 侧测点处的理论应变信
【主权项】
1. 一种对比隧道测力锁脚锚管测试性能的装置，其特征在于:包括测力锁脚锚管(20)， 所述的测力锁脚锚管(20)的两端分别放置于支撑架（11)之上，所述的测力锁脚锚管(20)的 管身上套设有加载圆环（12)，加载圆环（12)的正下方悬挂砝码（13)。2. 根据权利要求1所述的一种对比隧道测力锁脚锚管测试性能的装置，其特征在于:所 述的支撑架（11)底部采用两根矩形钢管（16)垂直焊接成"T"型，其上方垂直焊接有圆柱形 钢管一（17)，圆柱形钢管一（17)的顶部垂直焊接圆柱形钢管二（18)，圆柱形钢管二（18)上 方垂直焊接两根圆柱形钢棒（19)，两根圆柱形钢棒（19)之间的距离与测力锁脚锚管(20)的 外径相同。3. 根据权利要求1或2所述的一种对比隧道测力锁脚锚管测试性能的装置，其特征在 于:所述的加载圆环（12)的顶端设置有孔，孔内设置有螺栓(15)，加载圆环(12)的底端外侧 连接有螺母(14)。4. 根据权利要求3所述的一种对比隧道测力锁脚锚管测试性能的装置，其特征在于:所 述的测力锁脚锚管(20)包括两种，分别为埋设光纤光栅的测力锁脚锚管和粘贴电阻应变片 的测力锁脚锚管。
【文档编号】G01L1/22GK205655948SQ201620452171
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2016年5月18日 公开号201620452171.2, CN 201620452171, CN 205655948 U, CN 205655948U, CN-U-205655948, CN201620452171, CN201620452171.2, CN205655948 U, CN205655948U
【发明人】罗彦斌, 陈建勋, 李栋, 刁鹏升, 翟宇辉
【申请人】长安大学