阅读说明：本技术 一种用于盾构隧道减震的自复位耗能装置 (Self-resetting energy consumption device for shock absorption of shield tunnel ) 是由 龙晓鸿 马永涛 苗雨 阮滨 陈兴望 于 2020-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明属于盾构隧道减震领域,并具体公开了一种用于盾构隧道减震的自复位耗能装置,其包括钢芯外环、防水垫圈、橡胶垫圈、形状记忆合金环,其中：所述钢芯外环的内侧设有倾角,外侧开设有凹槽；所述防水垫圈固定在钢芯外环外侧凹槽中,所述橡胶垫圈贴合在所述防水垫圈和钢芯外环外侧；所述形状记忆合金环安装在两个所述钢芯外环之间,其表面与钢芯外环内侧倾角贴合；当受到外力时,两个钢芯外环间距离被压缩,所述形状记忆合金环因钢芯外环挤压产生形变,向外扩张同时产生恢复力,从而耗散能量,并促使装置结构复位。本发明装置既有很好的缓冲作用,又能耗散能量,还可以提供恢复力,起到震后自复位作用,降低隧道维修更换成本。(The invention belongs to the field of shock absorption of shield tunnels, and particularly discloses a self-resetting energy consumption device for shock absorption of shield tunnels, which comprises a steel core outer ring, a waterproof gasket, a rubber gasket and a shape memory alloy ring, wherein: the inner side of the steel core outer ring is provided with an inclination angle, and the outer side of the steel core outer ring is provided with a groove; the waterproof gasket is fixed in a groove on the outer side of the steel core outer ring, and the rubber gasket is attached to the outer sides of the waterproof gasket and the steel core outer ring; the shape memory alloy ring is arranged between the two steel core outer rings, and the surface of the shape memory alloy ring is attached to the inner side inclination angle of the steel core outer ring; when external force is applied, the distance between the two steel core outer rings is compressed, the shape memory alloy rings deform due to extrusion of the steel core outer rings, and expand outwards to generate restoring force, so that energy is dissipated, and the device structure is enabled to reset. The device has good buffering effect, can dissipate energy, can provide restoring force, has the effect of self-resetting after earthquake, and reduces the maintenance and replacement cost of the tunnel.)

一种用于盾构隧道减震的自复位耗能装置

技术领域

本发明属于盾构隧道减震领域，更具体地，涉及一种用于盾构隧道减震的自复位耗能装置。

背景技术

目前城市地下轨道交通大多采用盾构隧道这种地下结构形式，盾构隧道的抗震性能直接影响着城市交通的安全。盾构隧道是由许多的管片和螺栓相互连接组成，而管片接头部分是其薄弱环节，接头的性能决定了盾构隧道整体的刚度和变形能力，而且对结构的防水起着关键作用。

盾构隧道震害的主要表现形式为管片开裂，错台，渗漏水以及接头损坏等。连接螺栓的刚度较低，容易在地震作用下发生应力集中现象并引起严重的变形，所以接头部位的震害十分突出。盾构隧道接头部位在地震中大变形会引发螺栓屈服、断裂、接缝渗漏水等震害，从而导致隧道错台、渗漏水，使盾构隧道在管片结构主体未破坏的情况下丧失正常使用功能。

目前在隧道减震方面研究应用的装置非常少，而在盾构隧道中能够起到耗能并自复位作用的减震结构更少。现有的一些装置，大多只起到缓冲作用，而耗能作用较小，且不具备震后快速恢复结构功能的能力。如专利CN 110107577 A提供了一种盾构隧道螺栓接头的减震消能装置，该装置存在如下缺点：1、该设计采用橡胶垫圈和普通弹簧作为减震元件，地震时仅起到缓冲作用，耗能作用很小；2、地震发生时，橡胶垫圈受压变形有限，在一定程度上减小了缓冲的作用，弹簧的变形量要依据橡胶垫圈的总变形量才能起到相应效果，作用有限；3、该装置不具备震后自复位功能。因此基于自复位耗能的盾构隧道减震装置的开发与设计具有重大意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于盾构隧道减震的自复位耗能装置，其目的在于，将由形状记忆合金环、钢芯、橡胶垫圈和防水垫圈组成的装置安装在隧道管片连接螺栓的两端，地震中管片之间产生位移时，该装置在螺栓头/螺母与管片之间受到挤压，起到缓冲作用，同时耗散部分地震能量，并且在震后提供恢复力，减小残余张开量，从而降低螺栓断裂和接缝漏水的风险。

为实现上述目的，本发明提出了一种用于盾构隧道减震的自复位耗能装置，包括钢芯外环、防水垫圈、橡胶垫圈、形状记忆合金环，其中：

所述钢芯外环的内侧设有倾角，外侧开设有凹槽；所述防水垫圈固定在钢芯外环外侧凹槽中，所述橡胶垫圈贴合在所述防水垫圈和钢芯外环外侧；所述形状记忆合金环安装在两个所述钢芯外环之间，其表面与钢芯外环内侧倾角贴合；当受到外力时，两个钢芯外环间距离被压缩，所述形状记忆合金环因钢芯外环挤压产生形变，向外扩张同时产生恢复力，从而耗散能量，并促使装置结构复位。

作为进一步优选的，该装置还包括n个钢芯内环，其均设置在两个所述钢芯外环之间，每个所述钢芯内环两侧均设有倾角；所述形状记忆合金环个数为n+1个，n≥1，其中，位于两端的形状记忆合金环一侧表面与钢芯外环内侧倾角贴合，另一侧表面与钢芯内环倾角贴合；位于中间的形状记忆合金环两侧表面均与钢芯内环倾角贴合。

作为进一步优选的，所述防水垫圈与钢芯外环接触面，以及防水垫圈与橡胶垫圈接触面均采用防水胶粘结，所述橡胶垫圈与钢芯外环接触面采用硫化技术处理连接或防水胶粘结。

作为进一步优选的，所述钢芯外环内侧倾角及钢芯内环两侧倾角为15°～25°。

作为进一步优选的，所述形状记忆合金环与所述钢芯外环、钢芯内环的接触面经润滑脂、润滑油或镀涂层处理。

作为进一步优选的，所述钢芯外环倾角部分的高度大于所述形状记忆合金环高度的一半，所述钢芯内环高度大于所述形状记忆合金环高度。

作为进一步优选的，所述钢芯外环上端最大直径大于所述形状记忆合金环受挤压后的最大直径。

作为进一步优选的，所述形状记忆合金环受挤压达到最大直径时，相对形状记忆合金环初始最小直径伸长率小于7％。

作为进一步优选的，所述钢芯外环和钢芯内环采用38CrMoAl合金材料，所述形状记忆合金环采用镍钛合金材料，所述防水垫圈采用遇水膨胀的橡胶材料。

作为进一步优选的，所述钢芯外环下端和内侧倾角外环面的棱角做倒角处理。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明装置安装在隧道管片连接螺栓的两端，地震中管片之间产生位移时，该装置在螺栓头/螺母与管片之间受到挤压，起到缓冲作用，同时耗散部分地震能量，并且在震后提供恢复力，减小残余张开量，从而降低螺栓断裂和接缝漏水的风险，可以适用于盾构隧道螺栓接头的各种工况，且具有自复位功能。

2.本发明装置使用SMA环与钢芯组成的环簧，相比普通钢弹簧，具有刚度大、承载力高且能够耗能的优点；且SMA环可以根据需求进行叠加串联，灵活性强。

3.本发明设置钢芯外环内侧倾角及钢芯内环两侧倾角为15°～25°，使其与SMA环接触部分均有一定的角度，该角度过小，接触面摩擦力会过大，导致不能完全回复，而角度过大时，SMA环接触面压应力过大，会产生塑性变形，影响性能。

4.本发明SMA环与所述钢芯外环、钢芯内环的接触面经润滑脂、润滑油或镀涂层处理，可调整接触面摩擦系数，改善SMA环性能。

5.本发明设置钢芯外环倾角部分的高度大于所述形状记忆合金环高度的一半，使得装置完全压缩时，SMA环可以充分扩张，且上下表面不会与钢芯外环上部凸出部分接触，避免破坏，同时又能使两个钢芯外环的下表面接触，形成自锁，避免SMA环过度扩张造成破坏，还能使装置获得更大的承载力。

6.钢芯外环上部分最大直径略大于装置自锁时SMA环最大直径，可避免SMA环在扩张至最大时可能与隧道管片或其他结构产生接触。

7.装置自锁式时，SMA环最小内直径的伸长率小于7％，因为SMA材料伸长率过大可能会超出构件超弹性的范围而产生残余变形，造成装置不能完全复位。

8.本发明在钢芯外环凹槽内安装有防水垫圈，再外一层设置有橡胶垫圈，橡胶垫圈可以起到缓冲作用，并且会减小螺栓头和管片与钢芯外环接触面可能的应力集中带来的破坏；防水垫圈采用遇水膨胀材料，当有水渗入螺栓接头位置时，防水垫圈遇水产生膨胀，可以将缝隙堵住，进而起到防水作用，特别是防水垫圈处在钢芯外环与橡胶垫圈的挤压约束作用下，可以将防水垫圈的变形约束在内部，大大提高了防水性能。

附图说明

图1为本发明实施例自复位耗能装置结构示意图(单个SMA环)；

图2为本发明实施例自复位耗能装置结构示意图(多个SMA环)；

图3为本发明实施例自复位耗能装置作用过程示意图(单个SMA环)；

图4为本发明实施例自复位耗能装置作用过程示意图(多个SMA环)；

图5中(a)、(b)分别为本发明实施例钢芯外环的剖面图与俯视图；

图6中(a)、(b)分别为本发明实施例橡胶垫圈的剖面图与俯视图；

图7中(a)、(b)分别为本发明实施例防水垫圈的剖面图与俯视图；

图8中(a)、(b)分别为本发明实施例SMA环的剖面图与俯视图；

图9为本发明实施例SMA环的结构示意图；

图10中(a)、(b)分别为本发明实施例钢芯内环的剖面图与俯视图；

图11为本发明实施例钢芯内环的结构示意图；

图12为本发明实施例自复位耗能装置在斜螺栓接头上的安装示意图；

图13为本发明实施例自复位耗能装置在弯螺栓接头上的安装示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-螺栓，2-螺栓头，3-隧道管片，4-管片手孔，5-橡胶垫圈，6-防水垫圈，7-钢芯外环，8-形状记忆合金环，9-钢芯内环，10-斜螺栓，11-弯螺栓，12-螺母。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种用于盾构隧道减震的自复位耗能装置，如图1所示，包括钢芯外环7、防水垫圈6、橡胶垫圈5、形状记忆合金环(SMA环)8，其中：

所述钢芯外环7如图5所示，其内侧设有倾角，外侧开设有凹槽；所述防水垫圈6如图7所示，其固定在钢芯外环7外侧凹槽中，用于防止水进入装置内部；所述橡胶垫圈5如图6所示，其贴合在所述防水垫圈6和钢芯外环7外侧，起到缓冲作用；所述形状记忆合金环8如图8和图9所示，其安装在两个所述钢芯外环7之间，其表面与钢芯外环7内侧倾角贴合。

当串联多个形状记忆合金环8时(形状记忆合金环个数为n+1个，n≥1)，则还需要n个钢芯内环9，其均设置在两个所述钢芯外环7之间，每个所述钢芯内环9两侧均设有倾角，如图10和图11所示；其中，位于两端的形状记忆合金环8一侧表面与钢芯外环7内侧倾角贴合，另一侧表面与钢芯内环9倾角贴合；位于中间的形状记忆合金环8两侧表面均与钢芯内环9倾角贴合，如图2所示。

使用时，将装置安装在盾构隧道管片连接螺栓1(包括斜螺栓、弯螺栓、直螺栓等)端头上，安装位置在螺栓头2或螺母12与隧道管片3之间，安装时会施加一定的预应力，装置会有一定压缩。

在地震作用或外界条件发生变化，使螺栓受拉时，螺栓头与紧贴的钢芯外环之间产生压力，迫使钢芯外环向内运动，装置会被压缩，而钢芯外环与SMA环之间接触面有倾角，造成压缩过程中SMA环向外扩张。由于SMA材料具有超弹性，在外拉力作用下产生变形，外力卸载后可以完全恢复原状，并且过程中会耗散能量，同时在SMA环向外扩张时，SMA环与钢芯外环或钢芯内环接触面产生压力与摩擦力，会给钢芯一个向外的弹力，产生恢复力，并且接触面之间的摩擦也会耗散能量。在对装置的往复加载卸载过程中，装置会耗散大量的能量，并且具有恢复力，帮助装置结构复位，减小地震作用带来的破坏。

装置受压起作用时如图3和图4所示，可以看到，SMA环向外扩张，装置产生弹力，可以缓冲地震时的冲击荷载，同时SMA环的扩张与接触面的摩擦均会耗散能量，减小破坏；在震后，装置具有的恢复力，帮助隧道管片复位，减小张开量，降低修复成本。

进一步的，橡胶垫圈与防水垫圈中孔直径要小于钢芯外环中孔直径，但又要不小于螺栓直径，以减小安装时垫圈与螺栓之间的初始空隙；防水垫圈采用遇水膨胀橡胶材料，在挤压约束作用下，防水垫圈遇水时只能向螺栓内缝隙进行膨胀，从而封堵缝隙，防止渗水；所防水垫圈与钢芯外环接触面，以及防水垫圈与橡胶垫圈接触面均采用防水胶粘结，所述橡胶垫圈与钢芯外环接触面采用硫化技术处理连接或防水胶粘结。

进一步的，每个钢芯外环与SMA环接触部分均有一定的角度，该角度在15°～25°，角度过小，接触面摩擦力会过大，导致不能完全回复，而角度过大时，SMA环接触面压应力过大，会产生塑形变形，影响性能；接触面可以涂润滑脂、润滑油、镀涂层等进行处理，以调整接触面摩擦系数，改善SMA环性能；钢芯内环倾角角度与接触面处理与钢芯外环一致。

进一步的，钢芯外环倾角部分的高度略大于所述形状记忆合金环高度的一半，这样可以使得装置完全压缩时，SMA环可以充分扩张，且上下表面不会与钢芯外环上部凸出部分接触，避免破坏，同时又能使2个钢芯外环的下表面接触，形成自锁，避免SMA环过度扩张造成破坏，还能使装置获得更大的承载力；还可以在钢芯外环下表面安装橡胶垫圈，避免自锁时应力突变带来的破坏；同理，钢芯内环高度要略大于SMA环高度。

进一步的，钢芯外环上端最大直径略大于装置自锁时SMA环最大直径，以避免SMA环在扩张至最大时可能与隧道管片或其他结构产生接触。

进一步的，装置设计尺寸时，钢芯外环与钢芯内环初始要有足够的部分嵌入SMA环中，这样可以提高安装的可靠性和装置的稳定性。

进一步的，所述钢芯外环下端和内侧倾角外环面的棱角做倒角处理，将棱角磨圆，使得与SMA环接触滑动时更顺滑，避免两者切割或嵌入。

进一步的，所述形状记忆合金环受挤压达到最大直径时，即装置自锁时，相对形状记忆合金环初始最小直径伸长率小于7％。

进一步的，所述钢芯外环和钢芯内环采用高强度钢38CrMoAl合金材料或者其他高强不锈钢材料，SMA环采用镍钛合金材料，耐腐蚀性强，可以适应复杂环境工况。

具体的，装置的刚度、强度、恢复力大小和耗能能力可以通过调节SMA环与钢芯之间的倾角、接触面摩擦系数以及SMA环的厚度来进行调整，还可以通过改变钢芯与SMA环的最大直径和高度来调整性能和安装空间，也可以通过串联多个SMA环来改善性能。

本发明所述装置可以适用于盾构隧道管片接头的斜螺栓、弯螺栓、直螺栓、双直螺栓等多种螺栓形式；如图12所示，为将装置安装在管片手孔4处的斜螺栓10上；如图13所示，为将装置安装在管片手孔4处的弯螺栓11上。本装置的组装与安装过程具体如下：

(1)将防水垫圈安装在钢芯外环凹槽内并粘结，然后将橡胶垫圈粘结在钢芯外环上表面，组成完整的钢芯外环，该部分可以提前批量处理；

(2)对钢芯外环、钢芯内环以及SMA环相接触的面进行润滑处理，涂润滑油或者镀镀层，处理完毕之后，依照“组装完成的钢芯外环-SMA环-钢芯内环-SMA环-.....-组装完成的钢芯外环”的次序穿进螺栓，并相互嵌进环内；该步骤可以提前进行对接并封装成一个完整的装置，然后整体穿入螺栓，提高装置组装精度和稳定性；

(3)按照施工要求施加预应力，预应力可以通过观察装置压缩量或螺纹旋进数来进行估算，进而完成安装。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。