(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910386345.8(22)申请日 2019.05.09(71)申请人 中国水利水电科学研究院地址 100038 北京市海淀区复兴路甲一号(72)发明人 刘立鹏 汪小刚 傅睿智 王玉杰 赵宇飞 段庆伟 王斌 孙兴松 曹瑞琅 皮进 张强 孙平 姜龙 林兴超 冷合勤 李昌博 陈晨 (74)专利代理机构 北京栈桥知识产权代理事务所(普通合伙) 11670代理人 潘卫锋(51)Int.Cl.G01N 3/12(2006.01)G01N 3/06(2006.01)G01N 15/08(2006.01)G01M 13/00(2019.01)
(54)发明名称一种隧洞衬砌结构模型试验装置及试验方法(57)摘要本发明公开了一种隧洞衬砌结构模型试验装置及试验方法，试验装置包括压力舱、应力加载机构、衬砌层和监测系统。压力舱包括前舱门、舱体和后舱门；衬砌层可由素混凝土、钢筋混凝土或环锚预应力混凝土等浇筑成形，另外在衬砌层与舱体内壁之间可设置围岩模拟层；应力加载机构包括加载腔、压力管、汇压阀和压力水泵；监测系统包括监测仪器和数据采集仪器；试验方法包括衬砌层的制作与安装、应力加载机构与监测系统的安装、不同内外荷载加载步骤以及数据的
采集与处理分析。
权利要求书3页 说明书8页 附图11页CN 110082218 A2019.08.02
CN 110082218
A1.一种隧洞衬砌结构模型试验装置，包括压力舱(1)、衬砌层(2)、应力加载机构(3)和监测系统(4)，其特征在于：所述压力舱(1)整体呈圆筒形，包括前舱门(11)、舱体(12)和后舱门(13)；所述衬砌层(2)安装或浇筑于所述舱体(12)内部，衬砌层(2)筒体两端面与舱体(12)两端面齐平；所述应力加载机构(3)包括加载腔(31)、压力管(32)、汇压阀(33)和压力水泵，所述加载腔(31)外壁与舱体(12)内壁贴合，加载腔(31)内壁与衬砌层(2)外壁贴合，所述压力管(32)与汇压阀(33)埋设于衬砌层(2)内部，所述汇压阀(33)通过舱体(12)对应接头与外部压力水泵连接；所述监测系统(4)包括监测仪器和数据采集仪器，所述监测仪器埋设于衬砌层(2)内部，仪器线缆从舱体(12)引出后与外部数据采集仪器连接。2.根据权利要求1所述的一种隧洞衬砌结构模型试验装置，其特征在于，所述前舱门(11)设有内水压力表(111)、内腔排水阀门(112)、内密封圈(113)、外密封圈(114)、螺栓(115)、螺栓孔(116)和加强肋(117)；所述舱体(12)设有应力加载阀门外接头(121)、应力加载阀门内接头(122)、外腔注水加压阀门(123)、混凝土灌注孔(124)、外腔排气阀门(125)、外腔排水阀门(126)、外水压力表(127)、监测仪器线缆出口(128)、底座(129)和螺栓孔(115)；所述后舱门(13)设有内腔注水加压阀门(131)、内腔排气阀门(132)、内密封圈(113)、外密封圈(114)、螺栓(115)、螺栓孔(116)和加强肋(117)，在所述舱体(12)内壁铺设有长丝土工布(14)。3.根据权利要求1或2所述的一种隧洞衬砌结构模型试验装置，其特征在于，所述监测仪器线缆出口(128)采用双层法兰结构，包括出口接头(1281)、密封垫(1282)、中部法兰板(1283)、密封胶层(1284)与顶部法兰板(1285)，所述的中部法兰板(1283)与顶部法兰板(1285)在相同位置处开设有线缆导出孔(1286)，所述监测仪器的单根线缆分别穿过中部法兰板(1283)与顶部法兰板(1285)上的线缆导出孔(1286)，所述密封垫(1282)安装于出口接头(1281)与中部法兰板(1283)之间，所述中部法兰板(1283)与顶部法兰板(1285)之间均匀涂抹密封胶后采用螺栓压紧形成密封胶层(1284)。4.根据权利要求1或2所述的一种隧洞衬砌结构模型试验装置，其特征在于，所述衬砌层(2)由素混凝土、钢筋混凝土或环锚预应力混凝土浇筑成形，所述衬砌层(2)外壁与加载腔(31)内壁贴合，所述衬砌层(2)筒体两端面与舱体(12)两端面齐平；所述衬砌层(2)内壁与前舱门(11)、后舱门(13)通过内密封圈(113)进行密封形成内水加压腔(21)；所述衬砌层(2)外壁与舱体(12)内壁、前舱门(11)、后舱门(13)通过螺栓(115)和外密封圈(114)进行密封形成外水加压腔(22)。5.根据权利要求1所述的一种隧洞衬砌结构模型试验装置，其特征在于，所述加载腔(31)由橡胶硫化而成的方形扁平囊体，在所述加载腔(31)的方形面设有前接头(311)与后接头(312)。6.根据权利要求1所述的一种隧洞衬砌结构模型试验装置，其特征在于，所述汇压阀(33)包括内接口(331)、阀体(332)、汇压管(333)和外接头(334)，所述汇压管(333)将内接口(331)与外接头(334)连接为一体，所述汇压阀(33)的内接口(331)与应力加载阀门内接头(122)连接，埋设于衬砌层(2)内部，所述加载腔(31)沿环向分片，轴向分段安装在舱体(12)内壁，用所述压力管(32)将环向相邻加载腔(31)的前接头(311)与后接头(312)串联后接入汇压阀(33)的外接头(334)，所述的压力水泵可分别与应力加载阀门外接头(121)、外腔注水加压阀门(123)、
第３６卷第３２期 ２ ０ １ ０年１ １月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖ０ Ｊ．３６ Ｎｏ．３２ Ｎｏｖ． ２０１０ ・７１・ 文章编号：１００９．６８２５（２０１０）３２—００７１—０２ 结构抗震试验中结构模型的设计 侯宇颖 摘要：首先提出结构模型设计是结构抗震试验最重要的环节，它必须符合相似条件，在此基础上介绍了六类相似条件， 分析了用相似条件选择模型比例和模型材料的方法，以期确保结构抗震试验数据的有效性。 关键词：结构抗震试验，相似条件，模型设计 中图分类号：ＴＵ３５２．１１ 文献标识码：Ａ 在试验研究中，由于试验设备的限制和经济上的考虑，往往 用模型试验替代原型结构试验，因而首先遇到如何选择与设计模 型的问题。它除了决定于试验目的与要求以及模型材料和制造 的可能性外，还必须符合相似条件，只有在符合相似条件的模型 上得到的试验结果才能换算到实际结构中去。 １ 相似条件 相似理论是结构模型试验的理论依据，其基本内容是：描述 现象的方程式（包括平衡方程、物理方程和边界条件等）与所取基 本单位无关，它必定是齐次方程式即方程的两端为同一量纲；如 果方程所需的物理量有ｎ个，并且在这ｎ个量中含有 个量纲，则 独立的无量纲数群有ｎ—ｋ个。每个无量纲数群称作订项，这一 定律即所谓仃定理。 根据上述定理，如果参与试验的物理量 有ｎ个并采用同一 的单位系统，其物理方程可表示为，（ ，，ｘ ，…， ）＝０。 经过无量纲化以后可写成 （仃。，７ｒ ，…，仃 一 ）＝０。 结构模型试验中要遵守相似条件，它们包括六类，即几何相 似、荷载相似、质量相似、刚度相似、时问相似、边界条件相似。 １）几何相似条件。要求模型与原型各相应部分的尺寸均成比 Ａ 例，面积比、截面模量比及惯性矩比均应分别满足 ：Ｓ ；２ Ｌｅ＿＝ ｚ＇ｌｍ ， Ｓ； ，７－＝｜Ｓ 的相似条件。２）荷载相似条件。荷载相似要求模型和 １ｍ 原型结构在对应点所受的荷载方向一致，大小成比例，称为荷载 相似。３）质量相似条件。在研究工程振动等问题时，要求结构的 质量分布相似，即对应部分的质量（通常简代为对应点的集中质 量）成比例。４）刚度相似条件。研究与结构变形有关问题时，要 用到网４度。表示材料刚度的参数是弹性模数Ｅ和Ｇ，若模型和实 物各对应点处材料的拉压弹性模数和剪切弹性模数成比例，也就 是材料的弹性模数相似。５）时问相似条件。对于结构动力问题， 若模型结构上的速度、加速度与原型结构上的速度、加速度在对 应的位置和对应的时刻保持一定的比例，并且运动方向一致，则 称为速度和加速度相似。所谓时间相似不一定是指相同的时刻， 而只要求对应的间隔时间成比例。６）边界条件相似。模型结构 和原型结构在与外界接触的区域内的各种条件保持相似，即要求 结构的支承条件相似、约束情况相似、边界受力情况相似。模型 结构的支承和结束条件可以由与原型结构构造相同的条件来满 足和保证。 ２模型设计 ２．１ 模型比例的选择 几何相似是相似理论和模型设计的基本要求。首先要选择 适宜的几何相似常数即模型比例。在一般情况下，按相似条件选 用小比例模型（即Ｃｆ＝ｚ ／ｌｔ，＜１，如１：２，１：５，ｌ：１０等整数比）试验 是比较可行的。 在决定模型比例时要考虑模型材料和结构类型。如果用钢 筋混凝土做模型材料时比例不能太小；如果实物的细部构造影响 不大时就可以做比例比较小的模型。另外还要考虑加载设备与 测试仪器的能力、加工条件和费用等因素，尤其加载设备的能力 往往成为模型尺寸的主要控制因素。 当自重对应力分布有很大影响时，模型比例的选择会受到模 型材料的限制。自重Ｇ＝ｐＬ ｇ，所以自重中的相似常数Ｓ ＝ ｓ．ｓ￣ｓ ，已知外荷载的相似关系为Ｓ ＝ＳＥＳ ，若使外荷载和自重都 满足相似关系时则要求Ｓ。：Ｓ，，则有ｓ．ｓ ＝Ｓ ，故Ｓ ：ＳＥ／ 。这 一条件要求自重对应力有较大影响的动力试验中，模型比例Ｓ 不 能任意选取，必须满足上式条件，通常是很难满足的，在一般的结构 试验中这一条件只能放弃，或者采用附加质量的办法加以弥补。 ２．２模型材料的选择 在选用模型材料时要考虑：满足相似条件；有足够的量测精 度；易于制作加工且性能稳定；节省费用和试验时问等。 １）弹性模型试验。弹性模型试验的目的是要从中获得原结 构在弹性阶段的资料，研究范围仅局限于结构的弹性阶段。一般 说来，弹性模型的制作材料不必和原型结构的材料完全相似，只 需模型材料在试验过程中具有完全的弹性性质，但是，弹性模型 的试验结果不能推测原型结构超过弹性阶段后的反应和性状。 要求与材料性能有关的弹性模量、泊松比、比重或密度、阻尼等物 理量满足相似条件。如：金属模型、有机玻璃模型等。２）强度模 型试验。强度模型的试验目的是预计原型结构的极限承载力以 及原型结构从弹性工作状态直到破坏荷载甚至极限变形时的全 过程性能。理论上讲，强度模型试验材料的应力一应变曲线必须 与原型相似，而且施加于模型的各类荷载形式与阻尼效应等应当 更接近实际；施工中的缺欠如收缩和约束条件等也应在模型中尽 量模拟，但实际上很难做到完全相似的程度。３）间接模型试验。 间接模型试验的目的是要得到关于结构的支座反力及弯矩、剪 力、轴力等内力的资料（如影响线图等）。因此，间接模型并不要 求和原结构直接相似。例如框架的内力分布主要取决于梁、柱等 构件之间的刚度比，梁柱的截面形状不必直接和原型结构相似。 为便于加工制作，常常用圆形截面代替实际结构的型钢截面或其 他截面。这种不直接相似的模型试验结果对它的试验目的来说， 并不失去其准确性。问接模型现在已很少使用而被计算机分析 所取代。 ３结语 收稿日期：２０１０—０７—１５ 作者简介：侯宇颖（１９７８．），女，硕士，讲师，南京三江学院土木工程学院，江苏南京２１００１
土木工程结构试验
1. 土木工程结构试验与检测概论
结构试验是通过对结构物或构件受作用后的性能进行观测和对测量参数进行分析，从而对结构物的工作性能作出正确估计;并为验证和发展结构的计算理论提供可靠的依据。
科研性试验：以研究和探索为目的，实验对象是专为试验研究而设计制作的，任务:1.验证结构设计理论的各种假定2.为一些大型特种结构谋求设计依据。
鉴定性试验：服务生产为目的，真实结构为对象，任务：1.新的施工工艺试验和竣工验收试验2.原有结构检验3.处理工程突发事故4.产品质量检验
路标实验：书P7
土木工程结构试验的分类a按试验对象: 实物试验、模型试验b按荷载性质: 静力试验、动力试验c按试验时间: 短期荷载试验、长期荷载试验d按试验场合: 试验室试验、现场试验e按破坏程度:破坏性试验、非破坏性试验
(一) 实物试验与模型试验：a实物试验--试验对象:实物结构或者是按比例复制的结构或者是构件。优点:完全反应真实结构的受力特性，试验结论可靠。缺点:费用高，加载难度大，试验周期长；b模型试验--试验对象:缩尺试件(几何相似、材料相似、力学相似)。优点:实施方便，费用低。缺点:严格的相似条件难以实现，尺寸效应的影响，边界因素等
(二) 静力试验与动力试验：a静力试验--单调静力试验、低周反复静力试验(伪静力试验、伪(拟)动力试验)。优点:加载设备简单，试验观测方便。缺点:不能反映结构的动力性能b动力试验--振动台试验、疲劳试验、风荷载试验、抗爆抗冲击荷载试验等)。优点:能反映结构的动力性能。缺点:加载设备、测试手段以及后期的数据处理较复杂
(三) 短期荷载试验与长期荷载试验：a短期荷载试验--一般试验过程持续几分钟到几天，通常的结构试验绝大多数为短期荷载试验。b长期荷载试验--试验过程持续几个月、几年到数十年。主要是研究与时间相关的结构特性，如:混凝土的徐变、收缩、预应力筋的松弛，结构的耐久性能等
第９卷第４期 ２００８年８月 解放军理工大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＰＬＡ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．９ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２００８
文章编号：１００９—３４４３（２００８）０４—０３４５—０６
扁平箱形密闭结构内爆炸的模型试验
郭志昆 ， 宋锋良 ， 刘 峰。， 贺 峰。
（１．解放军理工大学工程兵工程学院，江苏南京２１０００７；２．总参工程兵第四设计研究院，北京１ＯＯ８５Ｏ）
摘 要：为研究扁平箱形密闭结构内部爆炸时侧墙上的荷载，对２种钢筋混凝土模型结构进行了药量递增
直至结构破坏的内爆炸实验。利用侧墙上的测点测得压力等试验参数，分析比较了２种模型侧墙上的内爆炸
荷载。试验结果表明：作用在结构内表面上的压力是非线性下降的，具有周期性宏观脉动特征，压力时程曲线
主要由一个初始主脉冲和几个较大的后续脉冲组成，准静态气体压力很小。结构破坏形式以顶板的双向受弯
破坏为主。在结构内部设置抗爆隔墙可有效降低冲击波对结构的破坏。主要结论可供工程设计参考。
关键词：内爆炸；模型试验；结构分析
中图分类号：Ｏ３８３．２ 文献标识码：Ａ
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｃｌｏｓｅｄ ｆｌａｔ ｂｏｘ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ ｔｏ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ
ＧＯＵ Ｚｈｉ—ｋｕｎ ，ＳＯＮＧ Ｆｅｎｇ—ｌｉａｎｇ ，Ｌｒ Ｆｅｎｇ。，ＨＥ Ｆｅｎｇ。
（１．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｏｒｐｓ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，ＰＬＡ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００７，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｔｈｅ ４ｔｈ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｃａｄｅｍｙ，Ｃｅｎｅｒａｌ Ｓｔａｆｆ Ｈｅａｄｑｕａｒｔｅｒｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８５０，Ｃｈｉｎａ）
