[发明专利]一种盾构管片环向接头缩尺试验设计及计算方法

权利要求书

1.一种盾构管片环向接头缩尺试验设计及计算方法，其特征在于，所设计环向接头缩尺模型为外接弹簧连接构件、内设套筒螺栓的组合型接头模型，所述方法包括以下步骤：

(1)确定盾构隧道管片原型尺寸、拼装形式以及环向接头类型，设定合理的相似常数，从而比选出合适的模型管片主体骨料；

(2)对管片环向的螺栓接头性能分解为抗剪切、抗拉伸、抗弯曲能力，再通过不同功能类别设计出满足功能及使用要求的对应部件；

(3)对所设计模型管片环向接头通过等效刚度假设理论、相似理论计算得出模型接头各个部件需要的等效条件表达式，再通过联立各项等效条件表达式、相似关系式计算得出各个部件的需求物理力学参数；

(4)基于盾构隧道管片构造要求与规范，比选出各部件材料、形式、尺寸，而后分别代入等效条件表达式进行验算，确定模型管片环向接头最终的样式与参数。

2.根据权利要求1所述的盾构管片环向接头缩尺试验设计及计算方法，其特征在于，所述的相似常数是根据具体情况、相似准则与相似定理进行选取的，通过对分析相似准则、试验可行性、监测元件布置原则，确定缩尺模型尺寸相似常数为C₀，容重相似常数为C_γ，再根据相似第一、第二定理，以几何相似常数C₀和重度相似常数C_γ为基本量，通过量纲分析法得出各项物理参数的相似关系公式。

3.根据权利要求1所述的盾构管片环向接头缩尺试验设计及计算方法，其特征在于，模型管片环向接头设计部件分别为：管片内部预设的套筒螺栓、设置在管片拼接纵缝内外侧面的弹簧连接构件，其设计原理为将原先螺栓功能进行分解，以外部的弹簧连接构件模拟原螺栓的抗拉伸能力，以内部预埋的套筒螺栓模拟原螺栓的抗剪切能力，而抗弯曲能力则由二者共同承担。

4.根据权利要求3所述的盾构管片环向接头缩尺试验设计及计算方法，其特征在于，弹簧连接构件由两个相同的带钩弹簧及其固定部件组成，两个部件通过对称式弹簧钩连接，部件间接触面为光滑圆弧面，使弹簧连接构件只承受沿螺栓方向的拉力，在受到垂直螺栓方向的剪切力时可发生转动，使构件不受剪切作用，从而达到只模拟原螺栓的抗拉伸能力的目的。

5.根据权利要求3所述的盾构管片环向接头缩尺试验设计及计算方法，其特征在于，套筒螺栓构件由两个套筒及两根光滑钢棒组装而成，套筒及钢棒的间距、长度、以及安装位置均按照原型管片进行相似设计，光滑钢棒及套筒的设置可使该构件在受到螺栓方向的拉力时，钢棒可沿拉力方向相对滑动，从而使其不受拉伸作用，只承担垂直螺栓方向的剪切作用。

6.根据权利要求3所述的盾构管片环向接头缩尺试验设计及计算方法，其特征在于，螺栓的抗弯曲能力由弹簧连接构件与套筒螺栓构件共同承担，引起螺栓弯曲变形力可分解为沿螺栓方向的拉力F、垂直螺栓方向的剪切力T、和作用在接头处的纯弯矩M，拉力F由弹簧连接构件承担，剪切力T由套筒螺栓构件承担，纯弯矩M由套筒螺栓内的钢棒承担。

7.根据权利要求1所述的盾构管片环向接头缩尺试验设计及计算方法，其特征在于，对原型管片螺栓接头及模型管片环向接头进行合理假设及简化，具体如下：

1)原型管片纵缝间无防水密封垫，只采用螺栓连接；

2)模型管片与原型管片的纵缝截面均为平整光滑的矩形截面；

3)模型管片与原型管片具有相同的截面中心轴；

4)模型管片与原型管片始终处于线弹性范围内，均满足连续性假设、均匀性假设、平截面假定，且令原型管片与模型管片在材料、螺栓长度与管片尺寸上保持一致。

8.根据权利要求1所述的盾构管片环向接头缩尺试验设计及计算方法，其特征在于，基于简化假设对原型管片螺栓接头与模型管片接头进行等效理论假设计算，包括：模型管片接头拉伸刚度等效分析、模型管片接头剪切刚度等效分析、模型管片接头弯曲刚度等效分析，其等效条件表达式分别如下：

当设计模型接头管片的各项参数：套筒螺栓弹性模量E₁、钢棒切变模量G₁、钢棒直径d₁、弹簧刚性模数G₀、弹簧线径D、弹簧中径D_M、弹簧有效圈数N_C、弹簧初始伸长量L₀满足上述公式时，认定设计模型接头与原型管片螺栓接头在接头弯曲刚度上等效。