CN107421761A - 一种双侧火灾中沉管隧道变形和温度的检测方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双侧火灾中沉管隧道变形和温度的检测方法及其装置，该检测方法包括如下步骤：(1)基于待测沉管隧道的结构，确定缩尺模型的尺寸；(2)根据步骤(1)所得的尺寸，建造反力架装置；(3)于反力架装置的基板上制作缩尺模型，该缩尺模型位于反力架装置的竖向加载组件之下以及二横向加载组件之间；(4)划定模拟火灾的燃烧室，在该燃烧室布置热电偶树并划定竖向位移计测点、横向位移计测点和转角测点；(5)布置位移计以及转角仪，将热电偶树与数据采集***及计算机相连；(6)模拟火灾的发生，通过位移计、转角仪和热电偶树实时采集数据，同时观察缩尺模型的钢筋混凝土表面的裂缝的情况并做好记录；(7)分析处理步骤(6)所得的数据并进行总结。
Description
技术领域
本发明属于隧道结构试验技术领域，具体涉及一种双侧火灾中沉管隧道变形和温度的检测方法及其装置。
背景技术
随着地下空间的开发，沉管隧道在过江、过海隧道中的应用更为广泛，已在香港地区和广州、上海等市建成多座大型隧道，为人们的出行和生活带来巨大便利。但由于隧道深埋于水下，空间有限且出入口十分受限，火灾作为隧道的主要灾害，对人员的生命和设备的运行造成巨大威胁，甚至影响结构安全和密闭性，造成结构变形、渗漏水等严重后果，对于沉管隧道这些问题尤其突出，因此对其在火灾高温下的火灾试验研究也逐渐受到重视。到目前为止，国内外对于沉管隧道火灾高温下的研究主要以下几个方面：一、在未加载的情况下对试件进行火灾实验，测量其对于火灾高温的温度和位移响应，这一方面与实际情况差之较远，另一方面得到的温升曲线也并不理想和准确；二、通过通用大型有限元软件ABAQUS及ANSYS等进行模型和火灾的数值模拟，研究沉管隧道构件在类似隧道火灾下的升温情况和变形特征，缺点是由于只是模拟，缺乏对实际情况的考虑，所以很难得到能够应用于实践的应用数值，只能够得到理论性的测量结果，与实际偏差较大；再者，前人的试验中，很多都是对单一的隧道孔洞进行失火研究，殊不知很多实际情况中会出现双孔同时车辆起火的事故，对于这样的情况来说，其温度变化和位移情况会完全与单孔时不同，所以很有必要对双孔隧道发生火灾时进行对比研究，得出更加全面的研究结果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种双侧火灾中沉管隧道变形和温度的检测方法。
本发明的另一目的在于提供一种沉管隧道变形反力架装置。
本发明的技术方案如下：
一种双侧火灾中沉管隧道变形和温度的检测方法，包括如下步骤：
(1)基于待测沉管隧道的结构，经过配筋与验算以确定与待测沉管隧道的横截面精确吻合的钢筋混凝土材质的缩尺模型的尺寸；
(2)根据步骤(1)所得的尺寸，建造反力架装置，该反力架装置为自平衡体系，包括一基板、至少一竖向加载组件和至少一横向加载组件对，每一横向加载组件对包括二横向加载组件，一竖向加载组件对应一横向加载组件对；
(3)于基板上制作缩尺模型，该缩尺模型位于所述竖向加载组件之下以及所述二横向加载组件之间；具体的，
竖向加载组件包括一竖向框架、一竖向千斤顶、一一级分配梁、二二级分配梁和四空间三角支架，该竖向框架包括设于基板上的等长的二立柱以及连接二立柱顶端的一横梁，一级分配梁设于该横量的中部的下方，竖向千斤顶的上端顶抵横梁，下端顶抵一级分配梁，二二级分配梁相互平行且分别设于一级分配梁的两端之下并与一级分配梁直接相接，二二级分配梁的两端分别通过二空间三角支架与缩尺模型的顶面相接；
横向加载组件对的二横向加载组件相对于缩尺模型的长度方向的中轴线对称设于缩尺模型的两侧，每一横向加载组件均包括一设于竖向加载组件的竖向框架的立柱下方的一支座和一横向千斤顶，该横向千斤顶的一端顶抵该支座，另一端顶抵缩尺模型的外侧壁；
上述竖向框架、一级分配梁、二级分配梁和支座均为钢-混凝土组合结构
(4)通过炉墙封闭缩尺模型的两端以划定模拟火灾的燃烧室，在该燃烧室中的顶壁、侧壁和中墙的中部等间隔的布置热电偶树并划定竖向位移计测点、横向位移计测点和转角测点；
(5)布置用以观测竖向位移计测点和横向位移计测点的位移计以及用以观测转角测点的转角仪，将热电偶树与数据采集***及计算机相连；
(6)在燃烧室中点火以模拟火灾的发生，通过位移计、转角仪和热电偶树实时采集数据，同时观察缩尺模型的钢筋混凝土表面的裂缝的情况并做好记录；
(7)分析处理步骤(6)所得的数据并进行总结。
在本发明的一个优选实施方案中，所述缩尺模型包括相连的二管节模型，以模拟双侧隧道的管节接头。
进一步优选的，所述二管节模型的相接处设有端钢壳。
在本发明的一个优选实施方案中，每一所述热电偶树中的热电偶沿燃烧室的顶壁、侧壁和中墙的厚度方向间隔2～3cm设置。
在本发明的一个优选实施方案中，每一所述热电偶树中的热电偶的数目为8～10。
在本发明的一个优选实施方案中，所述竖向加载组件的数目为二，同时，所述横向加载组件对的数目为二。
本发明的另一技术方案如下：
一种沉管隧道变形反力架装置，为自平衡体系，包括一基板、至少一竖向加载组件和至少一横向加载组件对，每一横向加载组件对包括二横向加载组件，一竖向加载组件对应一横向加载组件对；沉管隧道的缩尺模型设于基板上，位于所述竖向加载组件之下以及所述二横向加载组件之间。
在本发明的一个优选实施方案中，所述竖向加载组件包括一竖向框架、一竖向千斤顶、一一级分配梁、二二级分配梁和四空间三角支架，该竖向框架包括设于基板上的等长的二立柱以及连接二立柱顶端的一横梁，一级分配梁设于该横量的中部的下方，竖向千斤顶的上端顶抵横梁，下端顶抵一级分配梁，二二级分配梁相互平行且分别设于一级分配梁的两端之下并与一级分配梁直接相接，二二级分配梁的两端分别通过二空间三角支架与所述缩尺模型的顶面相接。
进一步优选的，所述横向加载组件对的二横向加载组件相对于所述缩尺模型的长度方向的中轴线对称设于所述缩尺模型的两侧，每一横向加载组件均包括一设于竖向加载组件的竖向框架的立柱下方的一支座和一横向千斤顶，该横向千斤顶的一端顶抵该支座，另一端顶抵缩尺模型的外侧壁。
在本发明的一个优选实施方案中，所述竖向加载组件的数目为二，同时，所述横向加载组件对的数目为二。
本发明的有益效果：
1、本发明所涉及的所持模型虽然由缩尺得到，但是其完全是按照实际沉管隧道的进行设计，由于存在缩尺，所以又重新进行了配筋和验算，所以实验对象是能够达到与实际相吻合的，进而精确了实验结果；
2、本发明中的反力架装置并不是传统的钢结构，而是采用了钢-混凝土组合结构，这在满足加载条件的前提下又极大地节省了造价费用，使得有限的经费可以更多的使用到测量设备中去，提高测试完整性和安全性。
3、本发明的反力架装置中的竖向加载组件的竖向加载点采用空间三角支架，不仅模拟了均布荷载，而且最为重要的是，在沉管隧道火灾高温试验中可以更加直观地观察其试验现象，方便观察并记录其顶面的变形及裂缝开展情况。
4、相比于已有的沉管隧道火灾试验来说，本发明可以补充说明隧道火灾如果同时发生在两侧孔洞中会相对单侧火灾有什么样的区别，完善和促进了对于实际情况复杂多变的考虑。
附图说明
图1为本发明的沉管隧道变形反力架装置的结构示意图。
图2为本发明的热电偶树的布置位置的横截面示意图，其中S1～S13、W1～W8、N1～N8为热电偶树。
图3为本发明的热电偶树的布置位置俯视图。
图4为本发明的位移及转角测点布置示意图，其中，M1～M11为竖向位移计测点，HW1～HW8、HN1～HN8为横向位移计测点，R1～R6为转角测点。
图5为本发明的燃烧室的结构示意图。
图6为本发明的实施例中所用的缩尺模型的部分立体分解示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
实施例1
(1)基于待测的珠港澳大大桥沉管隧道的结构，经过配筋与验算以确定与待测沉管隧道的横截面精确吻合的钢筋混凝土材质的缩尺模型2的尺寸；如图6所示，该缩尺模型2包括相连的二管节模型21，以模拟双侧隧道的管节接头，二管节模型21的相接处设有端钢壳210；
(2)根据步骤(1)所得的尺寸，建造如图1所示的反力架装置1，该反力架装置1 为自平衡体系，包括一基板10、二竖向加载组件11和二横向加载组件对，每一横向加载组件对包括二横向加载组件12，一竖向加载组件11对应一横向加载组件对；
(3)于基板10上制作缩尺模型2，该缩尺模型2位于所述竖向加载组件11之下以及所述二横向加载组件12之间；具体的
竖向加载组件11包括一竖向框架110、一竖向千斤顶111、一一级分配梁112、二二级分配梁113和四空间三角支架114，该竖向框架110包括设于基板10上的等长的二立柱1101以及连接二立柱1101顶端的一横梁1102，一级分配梁112设于该横量的中部的下方，竖向千斤顶111的上端顶抵横梁1102，下端顶抵一级分配梁112，二二级分配梁 113相互平行且分别设于一级分配梁112的两端之下并与一级分配梁112直接相接，二二级分配梁113的两端分别通过二空间三角支架114与缩尺模型2的顶面相接；
横向加载组件对的二横向加载组件12相对于缩尺模型2的长度方向的中轴线对称设于缩尺模型2的两侧，每一横向加载组件12均包括一设于竖向加载组件11的竖向框架110的立柱1101下方的一支座120和一横向千斤顶121，该横向千斤顶121的一端顶抵该支座120，另一端顶抵缩尺模型2的外侧壁；
上述竖向框架110、一级分配梁112、二级分配梁113和支座120均为钢-混凝土组合结构；
(4)如图5和6所示，通过炉墙211封闭缩尺模型2的两端以划定模拟火灾的燃烧室，如图2至4所示，在该燃烧室中的顶壁、侧壁和中墙的中部等间隔的布置热电偶树并划定竖向位移计测点、横向位移计测点和转角测点，其中，S1～S13、W1～W8、N1～N8 为热电偶树，M1～M11为竖向位移计测点，HW1～HW8、HN1～HN8为横向位移计测点， R1～R6为转角测点；每一所述热电偶树中的热电偶沿燃烧室的顶壁、侧壁和中墙的厚度方向间隔2～3cm设置，且每一所述热电偶树中的热电偶的数目为8～10；在布置热电偶时，为了防止热电偶在施工的过程中和后期养护的过程中受到雨水等侵蚀，要将热电偶裸露在缩尺模型2外面的那一端用塑料纸密实地包裹起来，以减少其与外界的接触。
(5)布置用以观测竖向位移计测点和横向位移计测点的位移计以及用以观测转角测点的转角仪，将热电偶树与数据采集***及计算机相连；
(6)在燃烧室中点火以模拟火灾的发生，通过位移计、转角仪和热电偶树实时采集数据，同时观察缩尺模型2的钢筋混凝土表面的裂缝的情况并做好记录；具体的，主要完成两个试验研究工作：
试验一的研究内容为：研究沉管隧道在双侧管段发生火灾下管段的变形特征。此实验过程是在静载条件满足的基础上进行研究，即两个节段沉管隧道在横向和竖向都要逐级施加荷载，并实时记录沉管隧道加载过程中的变形、裂缝分布等，直至加载至沉管隧道的使用荷载。它考虑了沉管隧道的使用荷载，这样就更能够使实验结果接近实际情况。另外，为了满足沉管隧道在火灾高温下升温速率快、温度高的特点，燃烧室中采取的升温曲线是HCinc升温曲线，并持续燃烧120-180分钟。
试验二的研究内容为：研究在有防火保护措施情况下，沉管隧道双侧管节接头发生火灾时的接头变形特征。首先在沉管隧道双侧管节接头处如前述步骤5建造燃烧室，然后如图4所示，在管节接头处布置位移计、转角仪，并在接头处涂抹好防火涂层进行保护，最后进行火灾高温试验，并实时观测接头处的裂缝开展情况和爆裂情况，做好记录。实验中也是采用HCinc升温曲线。
(7)分析处理步骤(6)所得的数据并进行总结，总结变形及温度变化特点，即可研究沉管隧道双侧火灾高温下变形和温度变化的特征。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (10)
1.一种双侧火灾中沉管隧道变形和温度的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)基于待测沉管隧道的结构，经过配筋与验算以确定与待测沉管隧道的横截面精确吻合的钢筋混凝土材质的缩尺模型的尺寸；
(2)根据步骤(1)所得的尺寸，建造反力架装置，该反力架装置为自平衡体系，包括一基板、至少一竖向加载组件和至少一横向加载组件对，每一横向加载组件对包括二横向加载组件，一竖向加载组件对应一横向加载组件对；
(3)于基板上制作缩尺模型，该缩尺模型位于所述竖向加载组件之下以及所述二横向加载组件之间；具体的，
竖向加载组件包括一竖向框架、一竖向千斤顶、一一级分配梁、二二级分配梁和四空间三角支架，该竖向框架包括设于基板上的等长的二立柱以及连接二立柱顶端的一横梁，一级分配梁设于该横量的中部的下方，竖向千斤顶的上端顶抵横梁，下端顶抵一级分配梁，二二级分配梁相互平行且分别设于一级分配梁的两端之下并与一级分配梁直接相接，二二级分配梁的两端分别通过二空间三角支架与缩尺模型的顶面相接；
横向加载组件对的二横向加载组件相对于缩尺模型的长度方向的中轴线对称设于缩尺模型的两侧，每一横向加载组件均包括一设于竖向加载组件的竖向框架的立柱下方的一支座和一横向千斤顶，该横向千斤顶的一端顶抵该支座，另一端顶抵缩尺模型的外侧壁；
上述竖向框架、一级分配梁、二级分配梁和支座均为钢-混凝土组合结构；
(4)通过炉墙封闭缩尺模型的两端以划定模拟火灾的燃烧室，在该燃烧室中的顶壁、侧壁和中墙的中部等间隔的布置热电偶树并划定竖向位移计测点、横向位移计测点和转角测点；
(5)布置用以观测竖向位移计测点和横向位移计测点的位移计以及用以观测转角测点的转角仪，将热电偶树与数据采集***及计算机相连；
(6)在燃烧室中点火以模拟火灾的发生，通过位移计、转角仪和热电偶树实时采集数据，同时观察缩尺模型的钢筋混凝土表面的裂缝的情况并做好记录；
(7)分析处理步骤(6)所得的数据并进行总结。
2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述缩尺模型包括相连的二管节模型，以模拟双侧隧道的管节接头。
3.如权利要求2所述的检测方法，其特征在于：所述二管节模型的相接处设有端钢壳。
4.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于：每一所述热电偶树中的热电偶沿燃烧室的顶壁、侧壁和中墙的厚度方向间隔2～3cm设置。
5.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于：每一所述热电偶树中的热电偶的数目为8～10。
6.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述竖向加载组件的数目为二，同时，所述横向加载组件对的数目为二。
7.一种沉管隧道变形反力架装置，其特征在于：为自平衡体系，包括一基板、至少一竖向加载组件和至少一横向加载组件对，每一横向加载组件对包括二横向加载组件，一竖向加载组件对应一横向加载组件对；沉管隧道的缩尺模型设于基板上，位于所述竖向加载组件之下以及所述二横向加载组件之间。
8.如权利要求7所述的一种沉管隧道变形反力架装置，其特征在于：所述竖向加载组件包括一竖向框架、一竖向千斤顶、一一级分配梁、二二级分配梁和四空间三角支架，该竖向框架包括设于基板上的等长的二立柱以及连接二立柱顶端的一横梁，一级分配梁设于该横量的中部的下方，竖向千斤顶的上端顶抵横梁，下端顶抵一级分配梁，二二级分配梁相互平行且分别设于一级分配梁的两端之下并与一级分配梁直接相接，二二级分配梁的两端分别通过二空间三角支架与所述缩尺模型的顶面相接。
9.如权利要求8所述的一种沉管隧道变形反力架装置，其特征在于：所述横向加载组件对的二横向加载组件相对于所述缩尺模型的长度方向的中轴线对称设于所述缩尺模型的两侧，每一横向加载组件均包括一设于竖向加载组件的竖向框架的立柱下方的一支座和一横向千斤顶，该横向千斤顶的一端顶抵该支座，另一端顶抵缩尺模型的外侧壁。
10.如权利要求7所述的一种沉管隧道变形反力架装置，其特征在于：所述竖向加载组件的数目为二，同时，所述横向加载组件对的数目为二。
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