专利名称：多级、主控加载小量程隧道卧式平面模型试验装置系统的制作方法
技术领域：
本发明属于试验装置领域，涉及隧道及地下建筑工程的相似模型试验，尤其是在
考虑平面应变条件下土体与隧道结构相互作用及土体变异对隧道结构受力影响等问题的 模型试验研究。
背景技术：
相似模型试验作为一种对隧道及地下建筑结构受力分析问题研究的重要技术手 段一直在国内外被广泛重视与应用，模型试验装置系统的设计与制作优良与否将直接影响 模型试验结果的科学性、可靠性和实用性。国内外学者对模型试验方法的研究及模型试验 装置的设计研究都有长期、深入的开展，但是目前对于二维平面卧式模型试验装置系统的 研究成果还相对较少，主要集中在立式平面模型箱体系统的研究与设计应用中。由于相似 模型试验的理论基础决定了各种结构尺寸将按规则一定比例的縮小，导致外界施加荷载需 要根据相似理论按比例关系减小，这要求加载装置必须可实现荷载小数量逐级加载，另外， 为了便于试验量测，模型采用平面卧式模型箱体系统，加载需提供侧向加载。根据特殊的加 载方式、小量级荷载及高灵敏度自控等具体要求，需对现有传统的千斤顶进行筛选，现有传 统的手动液压千斤顶不能侧向加载，传统的螺旋式机械千斤顶量程过大、灵敏度低，传统的 分离式液压千斤顶量程过大、控制难度大，因此，需独立研究发明新的模型试验装置系统， 实现常规模型试验中小量程、多级、主控加载功能，同时，能在平面卧式模型系统中实现侧 向加载。 另外，在理论模型中假定理想状态，即模型构件系统之间没有摩擦。实际模型试验 中，系统构件接触面之间的摩擦影响不可避免，特别是在通过承载板方式传递荷载中易发 生摩擦消耗与荷载松弛，如何通过技术手段处理使得摩擦尽可能的降低到最小程度也是需 要解决的一个技术问题。
发明内容
为了克服上述在模型试验中遇到的技术问题，本发明提供了一种隧道卧式平面模 型试验装置系统，可以实现平面侧向小量程、多级、主控加载方式，同时能尽可能的减小摩 擦影响。 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种实现多级、主控加载小量程隧 道卧式平面模型试验装置系统，包括实现直接施加并传递荷载的加载内框、提供试验反力 支撑的反力架外框、以及螺栓机械啮合顶进并配合高灵敏度拉压传感器量测组合加载装 置，反力架外框与加载内框通过加载装置连接成整体箱体系统。 进一步，加载内框包括木板、钢板、减摩处理的钢珠以及自锁螺丝钉，加载内框采 用木板与钢板叠合结构，钢珠和自锁螺丝钉布置在木板上；反力架外框包括型钢、有机玻璃 盖板、井字形方钢管和底部承载板，井字形方钢管压在有机玻璃盖板上，底部承载板位于整 个系统底部；加载装置包括加载螺栓、压力传感器、加载作用螺母、自锁作用螺母和防内移作用螺母，螺栓和加载作用螺母、自锁作用螺母和防内移作用螺母配合安装，螺栓的一端嵌 入高灵敏度拉压传感器。 所述内框木板左右端部加工成榫头形状。 所述内框木板上下端部埋有自锁螺丝钉并嵌有钢珠。 所述型钢采用的材料为槽钢。 所述各构件之间均采用活动联接，如螺栓联接。 可采用空间压力传感器或者压力传感器或者位移计实现加载量测控制。 针对平面卧式箱体侧向实现小量程、多级、主控加载功能的技术问题，本发明采用
简单而又传统的精细螺距螺栓、高强度螺母组合通过齿轮机械啮合顶进提供荷载，并同时
将螺栓的一端嵌入高灵敏度拉压传感器，通过传感器测实时监测螺栓顶进施加荷载值，实
现模型加载小量程、多级、主控功能，本发明还能根据不同土体的压縮性能，通过施加荷载
承载板所产生的位移情况测定荷载大小，并与传感器测得的荷载进行对比修正。另外，模型
加载内框A中布置了模型空间压力传感器可获取实际作用于结构中的荷载大小，分析外部
施加荷载的传递路径及影响范围。 针对模型试验装置构件的系统摩擦问题，本发明分别采用了两种技术手段，对于 承载板在位移荷载施加过程中的接触端部摩擦以及相互阻挡问题，采用将承载板加工成中 国传统木结构技术中的榫头型式，相互之间可咬合但不接触来消除左右端部摩擦影响；对 于承载板在有机玻璃板、底部承载板压力之下产生摩擦，采用在承载板上下端部钻孔埋入 自锁螺丝钉并嵌入钢珠，将承载板端滑动摩擦减小为钢珠滚动摩擦，实现构件之间的摩擦 力降低消除。 为了使模型试验箱体即装即拆，构件全部采用螺栓拼接，模型装置拆装便捷、快 速、省力，并可实现模型装置的加工、重组的多次重复使用。 所述的模型试验装置各种结构的承载能力、变形特性、几何尺寸及构件选择均通 过相关理论计算、数值分析手段进行设计确认，从而使结构设计更加可靠、经济、科学。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下优点 1.改变了传统千斤顶无法实现小量程、多级、主控加载问题，使得试验得以精确的
进行，并且整个加载装置组装原理简单、操作简易，模型制作费用更经济，同时，通过改变加
载螺栓长度可有效解决传统千斤顶行程不够导致的加载失效等技术问题； 2.有效的降低了模型试验系统各构件之间的摩擦，使得试验加载量测中可基本忽
略摩擦影响，使得试验结果更精确、节能，便于对试验结果进行分析与研究； 3.采用螺栓连接试验装置各个构件，使得本发明模型装置小巧实用，装拆方便快 速，试验占地空间小，并能适应不同尺寸的模型试验； 4.整个模型试验装置具有经济性能好、装置有效性能高等特点。
图1为本发明一种实现多级、主控加载小量程隧道卧式平面模型试验装置系统的 实施例的平面俯视图； 图2为图1所示实现多级、主控加载小量程隧道卧式平面模型试验装置系统的侧 面示意 图3为图1所示模型加载内框A的平面俯视图； 图4为图3所示模型加载内框A的侧面示意图； 图5为图3所示模型加载内框木板1端部榫槽连接示意图； 图6为图3所示模型钢珠_自攻螺丝钉减摩示意图 图7为图1所示提供试验反力支撑的反力架外框B的平面俯视图； 图8为图7所示提供试验反力支撑的反力架外框B的侧面示意图； 图9为图1所示螺栓机械啮合顶进并配合高灵敏度拉压传感器量测组合加载装置
C的平面俯视图； 图10为图9所示螺栓机械啮合顶进并配合高灵敏度拉压传感器量测组合加载装 置C的侧面示意具体实施例方式
以下结合附图对本发明作进一步的说明。 如图l-2所示，为本发明的总体结构平面俯视图及总体立面示意图，包括实现直 接施加并传递荷载的模型加载内框A、提供试验反力支撑的反力架外框B、以及螺栓机械啮 合顶进并配合高灵敏度拉压传感器量测组合加载装置C。 其中加载内框A包括了木板1、钢板2以及采用减摩处理的钢珠4、自锁螺丝钉3， 反力架外框B包括了型钢5、有机玻璃盖板6、井字形方钢管7、底部承载板8，加载装置C包 括了加载螺栓9、高强度加载作用螺母10、自锁作用螺母11、防内移作用螺母12、压力传感 器13。 ( — )加载内框A: 如图3-6所示，为本发明的加载内框A整体及其局部结构的结构示意图。加载内 框A四边具有相同构造结构，主要结构由靠近箱体内侧的木板1与靠近箱体外侧的钢板2 构成，两者之间采用螺栓连接，钢板2中部还焊接一短螺栓便于整体拼装时与加载装置C连 接成一体；在木板1竖直方向顶部与底部开挖一定数量的球形槽孔上布置钢珠4 ;四边加载 内框板在试验前通过在木板1的四个角端各钻有一个限位孔，并插入限位插销至底部承载 板8从而限制四块木板1之间的错动4。 如图5所示，为了减小加载过程中加载内框与其他构件之间产生的摩擦损耗，采 用了在内框木板左右两端榫头加工处理，使得相邻木板之间在加载过程中相互咬合，但不 相互阻挡，减小了左右端部的摩擦影响。 如图6所示，为了减小承载板在有机玻璃板6、底部承载板8压力之下产生的摩擦， 在木板上下端部采用了自锁螺丝钉3、钢珠4组合，在承载板上下端部钻孔埋入自锁螺丝钉 并嵌入钢珠，调节自锁螺丝钉3插入深度使得钢珠在一个水平面上，实现整体承载木板与 其余结构产生滚动摩擦而不是滑动摩擦，有效的降低构件之间的摩擦影响。
(二)反力架外框B: 如图7-8所示，为本发明的反力架外框B的结构示意图。反力架外框B包括两部分 反力支撑体系其中一部分是提供竖向隆起应力的反力支撑，由有机玻璃盖板6、井字形方 钢管7、底部承载板8组成，有机玻璃盖板6直接与模型试验材料(土体或隧道模型结构) 接触，井字形方钢管7压在有机玻璃盖板6上，底部承载板8支撑全部模型材料及箱体重量并传递重量于地面上；另一部分反力支撑由型钢5提供，四边型钢具有相同结构构造，采用 的材料为槽钢。反力架各构件之间的连接采用螺栓连接。 在实验过程中，当加载装置C对内框A施加荷载的同时，当内框A对模型材料(土 体或隧道结构)施加荷载的同时，模型材料在竖向方向上产生一个向上的隆起力，则需要 提供顶部的反力支撑使得模型材料不致上隆，此时，有机玻璃板6起到承担模型土体竖向 隆起的反力的作用。同时，作为一对相互作用力，具有与内框A所受荷载相同大小的力作用 在反力架外框C中的型钢当中，型钢5起到承担反力的作用。
(三)加载装置C: 如图9-10所示，为本发明的加载装置C的结构示意图，加载装置C将反力架外框 B与加载内框A连接成一个整体箱体系统，加载装置C采用传感器13与高强度加载螺栓9、 加载作用螺母10、自锁作用螺母11和防内移作用螺母12组合通过齿轮机械啮合顶进提供 荷载，同时将螺栓9的一端嵌入高灵敏度拉压传感器ll，通过传感器测实时监测螺栓顶进 施加荷载值，实现模型加载小量程、多级、主控功能。 通过旋转加载螺母IO，利用螺栓顶进向前施加顶力，当荷载施加到预定等级时，将 加载螺母11跟进至螺母10后，形成加载锁定装置。 在加载的过程中，通过机械工具旋转螺母标记角度并测读传感器读数，由于螺母 与螺栓之间通过无间断螺纹啮合产生机械顶力实现小量程、多级加载功能，同时实现试验 荷载主控功能。 本发明中模型试验装置构件之间均采用螺栓连接，模型小巧实用，拆装便捷快速 省力。井字形方钢管7与型钢5之间，型钢5之间，底部承载板8与型钢5之间也均采用采 用螺栓14拼装，从而使本发明装置拆装方便、迅速，并可节约试验场地，提高工作效率和实 用性。 另外，加载内框四边结构构造均相同，外框反力架四边结构构造也相同，外正四边 形框体中套有内正四边形框体，两框体边长尺寸不受限制，可以适应任何大小及尺寸下的
模型试验研究。只需要调节加载装置C中加载螺栓的长度即可做到连接两个不同尺寸的内 框结构与外框结构，以满足各种实验条件。 进一步，可以通过以下三种途径实现加载量测控制，确保试验按照预定的加载方 案进行，提高试验的精确度和可操作性(l)在试验系统加载内框A内放置试验模型及土 体，同时布设压力传感器测点，通过模型空间压力传感器可测定内部空间实际压力分布。从 而可以分析外部施加荷载的传递路径及影响范围。(2)加载装置C中的压力传感器ll，通 过压力传感器与数据采集系统的连接，当螺栓实施顶进荷载的同时，传感器受力并将受力 信号转化为电信号传递到数据采集仪中，同时数据采集仪与电脑软件共同将电信号再转化 成力学参数信号显示于电脑中，从而实现加载量的测读与实时控制功能。(3)根据不同土体 的压縮性能，通过布置在承载板荷载点附近的位移计测量施加荷载承载板所产生的位移情 况，进而测定荷载大小。 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本实 用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说 明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上 述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，对于本实用新型做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内,
权利要求
一种实现多级、主控加载小量程隧道卧式平面模型试验装置系统，其特征在于还包括实现直接施加并传递荷载的加载内框、提供试验反力支撑的反力架外框、以及螺栓机械啮合顶进并配合高灵敏度拉压传感器量测组合加载装置，反力架外框与加载内框通过加载装置连接成整体箱体系统。
2. 如权利要求1所述的系统，其特征在于所述加载内框包括木板、钢板、减摩处理的 钢珠以及自锁螺丝钉，加载内框采用木板与钢板叠合结构，钢珠和自锁螺丝钉布置在木板 上；反力架外框包括型钢、有机玻璃盖板、井字形方钢管和底部承载板，井字形方钢管压在 有机玻璃盖板上，底部承载板位于整个系统底部；加载装置包括加载螺栓、压力传感器、加 载作用螺母、自锁作用螺母和防内移作用螺母，螺栓和加载作用螺母、自锁作用螺母和防内 移作用螺母配合安装，螺栓的一端嵌入高灵敏度拉压传感器。
3. 如权利要求1所述的系统，其特征在于所述内框木板左右端部为榫头形状。
4. 如权利要求1所述的系统，其特征在于所述内框木板上下端部埋有所述自锁螺丝 钉，并嵌有所述钢珠。
5. 如权利要求1所述的系统，其特征在于所述型钢采用的材料为槽钢。
6. 如权利要求1所述的系统，其特征在于所述各构件之间均采用活动联接。
7. 如权利要求1所述的系统，其特征在于采用空间压力传感器或者压力传感器或者 位移计实现加载量测控制。
全文摘要
一种实现多级、主控加载小量程隧道卧式平面模型试验装置系统，包括实现直接施加并传递荷载的加载内框、提供试验反力支撑的反力架外框、以及螺栓机械啮合顶进并配合高灵敏度拉压传感器量测组合加载装置，反力架外框与加载内框通过加载装置连接成整体箱体系统；加载内框采用木板与钢板叠合结构，钢珠和自锁螺丝钉布置在木板上；反力架外框中井字形方钢管压在有机玻璃盖板上，底部承载板位于整个系统底部；加载装置中螺栓和高强度螺母配合安装，螺栓的一端嵌入高灵敏度拉压传感器。由于采用了上述结构，本发明解决了现有千斤顶不能实现小量程、高精度、侧向加载的技术问题，同时改善了承载内框加载摩擦问题，提高了试验的可操作性与量测精度。
文档编号G01M99/00GK101696913SQ20091019793
公开日2010年4月21日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者张东明, 江帆, 王飞, 胡群芳, 黄宏伟 申请人:同济大学;