一种拱形结构围压环境下的静力试验系统及试验方法与流程

1.本发明涉及土木工程试验技术，具体涉及一种拱形结构围压环境下的静力试验系统及试验方法。


背景技术：

2.随着矿井、隧道、洞室等地下工程在复杂地质条件下的建设，支护结构面临的承载问题越来越突出。拱形结构由于其良好的承载能力，在支护结构中的应用广泛。拱形结构的承压能力对地下工程的安全性具有重要影响。静力承压试验是支护结构承压性能确定的重要方式，其可确定拱结构的力学性能、揭示其失效行为，对支护结构的安全意义重大。目前，虽然已存在大量拱形结构的静力承压试验装置，但并没有统一的试验系统标准。现有的试验系统多采用多个液压作动器或千斤顶来进行试验加载(如cn105486586b、cn104990720a)，存在如下问题：1)需要较多的试验装置，占用较大的试验场地；2)多个液压作动器或千斤顶的加载方式也对协同加载的精度提出较高要求；3)需要对试验件进行穿孔、打磨等预处理，试验时间也大幅上升。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提出一种拱形结构围压环境下的静力试验系统及方法。
4.实现本发明目的的技术解决方案为：一种拱形结构在围压环境下的静力承压试验系统，包括试验件、底板、围压模拟装置和试验加载装置，其中：
5.所述围压模拟装置包括囊罩、密闭囊、侧板、三角立柱、气泵和控制阀，所述密闭囊为一个或多个，置于试验件表面，密闭囊置于囊罩中；囊罩两端与侧板连接，侧板通过三角立柱固定；密闭囊通过气泵施加压力，各密闭囊的气压由控制阀独立控制施加；
6.所述试验加载装置包括弧形压盘、液压作动器、横梁、滑轨、立柱、安装座、横梁固定座，所述弧形压盘置于试验件表面，四根立柱分两组，分别焊接在底板两侧，同侧立柱的顶端通过一根滑轨连接；横梁置于滑轨上方，横梁底端焊有两个滑块，横梁与滑轨间通过滑块连接，滑块嵌入滑槽中自由滑动；液压作动器通过安装座连接至横梁底侧的横梁固定座，安装座与横梁固定座之间通过一根销钉连接，液压作动器可绕横梁固定座转动。
7.进一步的，所述囊罩两端通过螺栓与两侧的侧板连接，侧板直接固定在三角立柱上，三角立柱与底板通过螺栓连接。
8.进一步的，所述滑轨与立柱的连接方式为焊接或螺栓连接。
9.进一步的，所述压盘下表面的外形与试验件表面保持一致。
10.进一步的，所述安装座通过螺栓连接至横梁底侧中心处的横梁固定座。
11.一种拱形结构在围压环境下的静力承压试验方法，基于所述的拱形结构在围压环境下的静力承压试验系统，实现拱形结构在围压环境下的静力承压试验。
12.本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)结合工程实际，装置结构小巧、原理清晰，转换操作简单，有效地解决了传统加载装置结构复杂、占用场地大、安装繁琐的问题。2)
基于试验件安装方式的调节性，可实现各类尺寸拱形结构的静压试验。3)围压环境模拟方案，改变了传统的集中力加载模式，使得围压模拟更加均匀，通过独立的气泵控制阀控制，实现各加载区域压力的变化，保证了各区域围压载荷加载的精度。4)加载方案省去了试验件的预处理步骤，直接采用结构尺寸相同的弧形压盘加载，保证了压缩载荷的均匀性。5)变角度加载方案，可轻松实现压缩载荷加载角度变化，结合围压模拟系统的载荷变化，可满足各类围压环境下、多角度静压试验，提高了试验模拟的真实性。
附图说明
13.图1为本发明的系统试验步骤流程图；
14.图2为本发明的系统实现结构示意图；
15.图3为本发明的系统实现结构正视图；
16.图4为本发明的横梁与滑轨连接截面示意图；
17.图5为本发明的横梁与液压作动器连接示意图；
18.图6为本发明的横梁位置与加载角度关系图；
19.图7为本发明的变角度加载系统结构示意图；
20.图中：1-拱结构试验件；2-底板；3-囊罩；4-密闭囊；5-弧形压盘；6-侧板；7-三角立柱；8-液压作动器；9-横梁；10-滑轨；11-立柱；12-气泵；13-控制阀；14-滑块；15-滑槽；16-安装座；17-横梁固定座。
具体实施方式
21.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
22.一种拱形结构在围压环境下的静力承压试验系统包含围压模拟装置和试验加载装置。如附图2所示，围压模拟装置包括3-囊罩、4-密闭囊、6-侧板、7-三角立柱、12-气泵、13-控制阀；试验加载装置包括5-弧形压盘、8-液压作动器；9-横梁、10-滑轨、11-立柱、14-滑块、15-滑槽、16-安装座、17-横梁固定座。
23.围压模拟装置由囊罩3、密闭囊4、侧板6、三角立柱7、气泵12、控制阀13组成。拱结构试验件1平放至底板2后，密闭囊4置于试验件1表面，密闭囊4置于囊罩3中；囊罩3两端与侧板6连接，侧板6通过三角立柱7固定；密闭囊4通过气泵12施加压力，各密闭囊4的气压由控制阀13独立，可实现每个密闭囊4独立施加气压。
24.试验件1表面的围压环境通过密闭囊载荷模拟，根据表面围压载荷的不同，可将围压划分至若干压力区域，每个区域采用独立的密闭囊4施加压力载荷，密闭囊4中的压力通过气泵12和控制阀13施加。密闭囊4外侧通过囊罩3包裹，为保证加载时囊罩3位置不发生变化，囊罩3两端通过螺栓与两侧的侧板6连接，侧板6则直接固定在三角立柱7上，三角立柱7与底板2通过螺栓连接。囊罩3与侧板6、三角立柱7与底板2采用螺栓连接的方式时为了保证试验件尺寸、加载角度的发生变化时能快速装卸。
25.试验加载装置由弧形压盘5、液压作动器8、横梁9、滑轨10、立柱11、安装座16、横梁固定座17组成。弧形压盘5置于试验件1表面，压盘5下表面的外形与试验件1表面保持一致。
四根立柱11分两组，分别焊接在底板2两侧，同侧立柱的顶端通过一根滑轨10连接，滑轨10与立柱11的连接方式为焊接或螺栓连接；横梁9置于滑轨10上方，横梁9底端焊有两个滑块14，横梁9与滑轨10间通过滑块14连接，滑块14嵌入滑槽15中，可自由滑动，如附图4所示。液压作动器8的安装座16通过螺栓连接至横梁底侧中心处的横梁固定座17，安装座16与横梁固定座17之间通过一根销钉连接，以保证液压作动器8可绕横梁固定座17转动，如附图5所示。
26.滑轨10与立柱11上端连接固定，立柱11下端与底板2连接固定，组成自平衡系统。试验压缩载荷通过液压作动器8推动弧形压盘5在试验件1表面压缩实现。弧形压盘5的加载面与试验件1外表面的结构形式一致，保证了压缩区域载荷的均匀性，省去了试验件的预处理步骤。通过横梁9在滑轨10位置的变化，可实现液压作动器8加载角度的变化。如附图6所示，横梁9位置l与加载角度θ间的关系为：l＝h tanθ。当加载角度变化时，密闭囊4与囊罩3的安装位置也发生相应变化。
27.试验系统的试验方法主要分为试验件的安装、压缩加载系统的安装、围压模拟系统的安装和静力加载的实施几个部分，试验系统试验步骤流程图如附图1所示，具体步骤如下：
28.步骤一、试验件的安装：试验件放置在底板上；根据试验件尺寸，调节试验件1两侧囊罩3与三角立柱7的位置，以保证试验件与底板2、横梁9的同轴度；
29.步骤二、压缩加载系统的安装：将横梁9沿着滑轨10滑至底板中轴线正上方，保证液压作动器8、试验件中轴线、底板中轴线重合。将弧形压盘5安装至液压作动器上，保证压盘与液压作动器轴线垂直，若进行正压试验，则将弧形压盘5放置在试验件1正上方；若进行角度压缩试验，将横梁9沿着滑轨10滑至与底板中轴线相距l距离，保证液压作动器与试验件中轴线相差试验要求的θ角度，之后将弧形压盘5放置在试验件相应加载角度的压缩区域上。安装时，保证弧形压盘下表面与试验件上表面完全重合。
30.步骤三、围压模拟系统的安装：根据试验件表面的围压大小，将试验件表面划分为若干区域，并根据每个区域的尺寸，制作相应的密闭囊4和囊罩3；将密闭囊4与囊罩3放置于试验件表面，并将囊罩3与两侧侧板6通过螺栓连接，固定各囊罩位置；将侧板6与三角立柱7相连，固定侧板位置；通过气泵12向各密闭囊4注入气体，独立控制每个密闭囊的压力大小，实现围压环境的模拟。
31.步骤四、静力加载的实施：在试验件内部及表面分别安装测力传感器、探伤传感器、应变片等设备后，通过液压作动器上的弧形压盘进行缓慢加载直至试验件破坏。
32.本发明提出的一种拱形结构在围压环境下的静力承压试验系统，试验原理清晰、装置结构小巧、转换操作简单、试验步骤简便，能有效解决传统加载装置结构复杂、占用场地大、安装繁琐的问题。同时，囊罩、三角立柱连接位置的可调节性，可实现各类尺寸拱形结构的静压试验。
33.实施例1
34.试验件正压试验时，由弧形压盘在拱顶正上方加载，试验示意图如附图3所示，试验骤如下：
35.步骤一、试验件1放置在底板2上，通过调节试验件1两侧囊罩3与三角立柱7的位置，保证试验件1与底板2、横梁9的同轴度；
36.步骤二、将横梁9沿着滑轨10滑至底板中轴线正上方，保证液压作动器8、试验件中轴线、底板中轴线重合；
37.步骤三、将弧形压盘5放置在试验件1正上方，保证压盘下表面与试验件上表面完全重合；
38.步骤四、除压盘区域外，根据试验件表面的围压大小，将表面划分为若干区域；根据每个围压区域的尺寸，制作相应尺寸的密闭囊4和囊罩3；将密闭囊4与囊罩3放置于试验件表面；
39.步骤五、将囊罩4与两侧侧板6通过螺栓连接，固定各囊罩位置；将侧板6与三角立柱7相连，固定侧板位置；
40.步骤六、通过气泵12向各密闭囊4注入气体，独立控制每个密闭囊4的压力大小，实现围压环境的模拟；
41.步骤七、在试验件内部及表面分别安装测力传感器、探伤传感器、应变片等设备后，通过液压作动器上的弧形压盘进行缓慢加载直至试验件破坏。
42.基于本发明提出的围压模拟系统，改变了传统的集中力加载模式，使得围压模拟更加均匀，并通过独立的气泵控制，实现各加载区域压力的变化，保证了各区域围压载荷加载的精度。通过弧形压盘的加载方式，可保证试验加载载荷的均匀性，省去了试验件的预处理步骤。
43.实施例2
44.试验件角度压缩试验时，由弧形压盘在拱顶偏转相应角度进行加载，试验示意图如附图7所示，试验骤如下：
45.步骤一、试验件1放置在底板2上，通过调节试验件两侧囊罩3与三角立柱7的位置，保证试验件1与底板2、横梁9的同轴度；
46.步骤二、将横梁9沿着滑轨10滑至与底板中轴线相距l距离，保证液压作动器8与试验件中轴线相差试验要求的θ角度；
47.步骤三、将弧形压盘5安装在液压作动器8上，将弧形压盘5放置在试验件压缩区域上，保证压盘下表面与试验件上表面完全重合；
48.步骤四、除压盘区域外，根据试验件表面的围压大小，将表面划分为若干区域；根据每个围压区域的尺寸，制作相应尺寸的密闭囊4和囊罩3；将密闭囊4与囊罩3放置于试验件表面；
49.步骤五、将囊罩3与两侧侧板6通过螺栓连接，固定各囊罩位置；将侧板6与三角立柱7相连，固定侧板位置；
50.步骤六、通过气泵12向各密闭囊注入气体，独立控制每个密闭囊4的压力大小，实现围压环境的模拟；
51.步骤七、在试验件内部及表面分别安装测力传感器、探伤传感器、应变片等设备后，通过液压作动器上的弧形压盘进行缓慢加载直至试验件破坏。
52.基于本发明提出的变角度加载安装方式，可轻松实现压缩载荷加载角度变化；结合围压模拟系统的载荷变化，可满足各类围压环境下、多角度静压试验，提高了试验模拟的真实性。
53.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例
中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
54.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，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，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。