文摘

超级加速管运输(SSTT)系统被称为第五届国际交通模式。设计的关键技术问题之一SSTT系统真空管结构的密封可靠性。在这篇文章中,密封能力和力学行为的实验研究进行节段衬砌,,得出以下结论。满足SSTT系统的需求,现有的混凝土密封段结构需要进一步加强。联合间距减少与增加真空,增加真空减压。之间有一个明显的相关应变变化和真空抽,可分为四个阶段。压差的影响和当地的气流运动对混凝土表面应变主要轮流在不同的阶段。混凝土表面建议是加强的拉伸应变局部气流运动造成的真空抽水是显著的。真空造成的相对压力几乎没有对结构的应力和变形的影响。研究结果有助于了解地下的密封能力和力学行为节段衬砌在低真空环境下,在选择合适的结构类型是有益的SSTT系统。

1。介绍

现有的铁路运输的运行速度受到空气阻力,轮轨摩擦,并运行噪声(1,2]。这些问题可以解决磁悬浮技术,可以降低轮轨摩擦和振动,以及通过构建一个低真空操作环境减少空气阻力和噪音,即。超级加速管运输(SSTT)系统,被称为第五届国际交通模式(3- - - - - -6]。目前,磁悬浮列车技术在德国,日本,中国等已经成熟,和超循环项目在美国也被放置在实践具体议程。

SSTT的概念提出了详细的ET3公司。1999年,ET3公司由美国工程师Daryl Osterfor注册申请的发明专利真空管道运输系统(6,7]。低真空管道的结构已经在不同的项目。在圣母Hyperloop计划在美国,碳钢管道使用直径为3.3米。测试的最大速度387 km / h是在2017年12月进行的,和超高速的首次载人试验车辆成功进行了2020年11月(8- - - - - -12]。在瑞士Swissmetro方案,采用单孔单地下线路的设计,和钢筋混凝土隧道结构使用直径5米(13,14]。TransPod计划在加拿大,一个直径4米的钢管,这是连接到墩帽通过钢支持(15]。它还在中国近年来发展迅速。第一真空管实验平台的高温超导磁悬浮车Super-Maglev已成功构建和调试由西南交通大学,2014年6月综合牵引,沟通,和降压的测试(16- - - - - -18]。2021年1月,高温超导磁悬浮的第一个原型测试行正式启动在成都,四川。在该测试中,使用了西南交通大学的技术。此外,正常的磁悬浮模型车的最高时速600公里/小时被CRRC四方2021年7月成功脱机。湖南远大企业集团也进行了相关的系统研究,以及真空管道采用核心的钢格板焊接。在这个方案中,真空密封结构的横截面是双层,波纹管是用于管道之间的连接。

目前,有很多限制SSTT,其中一个是低真空管道。建立一个安全的真空管道环境,机械性能,而管道结构的密封可靠性是至关重要的因素。使用现有的地铁隧道管片系统更加符合实际情况(19]。地下工程的密封能力成为关键问题。龚et al。20.)提出了一个新颖的数值方法来模拟局部漏节段衬里,发现内力被渗流率显著影响。Lei et al。21)进行了临床实验相结合,实验和计算研究关节具有不同的垫片密封能力联合某越江盾构隧道的变形。评价混凝土的材料的密封性SSTT系统、公园等。22,23]建立了相关分析之间的裂缝发展混凝土管结构和内部压力变化。以上可以看出,研究主要集中在正常压力条件或管道没有关节。因此,理论上和实践上具有重要意义的研究现有的部分结构的力学性能在低真空条件下发展的第五个交通(24- - - - - -27]。一个原型平台上进行室内实验,本研究旨在研究隧道段结构的密封能力和机械性能在低真空环境和管道结构的选择提供了依据低真空管道运输系统。

2。段原型测试设计

2.1。测试目的

研究隧道段结构的力学性能在低真空条件下,一个原型节段衬砌与低真空测试系统旨在模拟施工现场的工作条件。

2.2。测试组件设计

不同的水平和垂直组装段戒指是关节上的重力效应是否一致。在试验条件下,段直径越小,和段的完整性环箍和拉杆的作用下要好,所以联合状态下重力的区别更小。考虑到试验的安全性和成本,部分垂直组装。

测试的方案设计如下:两个环段垂直组装,结束双方有效地密封与圆形的厚钢板。螺丝是用来应用段之间的密封垫片的挤压力量戒指在实际工作情况下,圆周是用来申请的挤压力量之间的密封垫片部分,如图1。上层钢板穿孔并连接到真空泵的泵送管道。密封的方法是一致的与传统盾构隧道段,和密封垫片的压缩力 根据实际情况kN / m。

形成一个封闭的空间,上下钢板被用来覆盖这两个环段。建立了一个三维模型检查钢板的强度。整个密封圈的压缩力 。的公式,段的半径,是压缩力每米的单边密封环。在模型中计算,重量考虑,底部边界的模型是固定的。钢板的变形和应力分布与20毫米的厚度,30毫米和50毫米通过建模计算。对应的最大位移是89.04毫米,27.04毫米,6.22毫米,分别和最大压力是787.39 MPa, 354.62 MPa,分别和144.68 MPa。钢板的变形如图50毫米的厚度2。

它可以看到50毫米钢板需要减少变形。钢盖的外直径是4.5米,Q355合金钢,以及使用的加劲肋 工形截面钢。钢板和段间的接触表面贴了一个5毫米厚三元乙丙橡胶垫。有两个通风口和3航空插座安装孔上盖板。提供工作空间,使结构层面,整个段环拱的支持。

螺丝是用来应用挤压压力段的环状间隙的垫片。有8个螺丝孔沿圆周的钢盖板。螺钉的直径是75毫米,长度是2.9米,力量类是12.9。

篮球被用来应用挤压压力的纵向接头的垫圈。带钢的厚度板10毫米,宽度是20厘米,Q345B钢类型。呼啦圈分为6段与段一致环,和每个箍的片段被两个M30×80螺栓连接。箍关节是由一个20毫米厚钢板加强肋。联合是双面焊的焊缝无损检测以同样的力量和通过了100%。总共有四个箍圈;上、下段各有两个圈,如图1。

测试段的内径是3.5米,外是4.0米。具体类网,不渗透性年级P10,段的厚度是250毫米,部分环的宽度是1200毫米。沿环段分为6块,即限制块(K),相邻的块(B1 / B2),和标准块(A1 / A2和A3),如图3。

有凹凸槽的纵向接头部分,如图4。段被弯曲连接螺栓:十二M24螺栓圆周方向和十四M24螺栓在纵向方向。HRB400钢螺栓的类型。盾构隧道的衬砌环是一个双面的普遍与楔环的18毫米。

2.3。传感器的布局

两个环段监控测试。嵌入式传感器安排在每个环八等于angle-monitoring点段。有两个振动线钢压力仪表和两个混凝土应变仪监测。他们安装水平的主要增援段,如图5。钢筋计的最大射程40 kN,和敏感性 kN /赫兹²。混凝土应变计的最大射程是1500年με和敏感性 με/赫兹²。

应变仪是贴在关节。应变仪模型BX120-20AA,阻力是120欧姆,敏感的网格的长度是20毫米,宽度是3毫米,灵敏度系数为2.08,最大射程为20000微应变。固定后用502胶水,它增强了环氧树脂AB密封层。

也安装在关节位移米,范围是20毫米的精度1%。

确保预紧力的螺丝和箍满足测试条件的要求,一个应变螺栓轴力计安装在螺母。

多通道数字压力计DRA-30被用来收集数据的轴力计,应变仪,抵抗位移计。埋置钢筋和混凝土应力计的数据收集的多通道振动线采集仪器。

3所示。原型段测试系统建设

3.1。段组装

首先,拱被放置在当前位置,如图6(一)。

接下来,降低钢盖板被取消和调整水平。然后,下盖之间的密封垫固定板和部分。

安装环段从A3块越低,其次是A1 / A2, B1 / B2对称的组装,最后K块,如图6 (b)。安装相邻段时,螺栓预紧后,重新紧固部分环绕。

上环的组装点段是相对于低环旋转180°,装配序列是一样的低环段。在每一部分,圆周和纵向焊缝螺栓pretightened和固定。螺栓重新紧固两次,整个环装配已经完成。

呼啦圈是组装在安装之前。确保箍可以顺利有袖的部分环,一个定制的伞吊索用于提升,如图7。

上盖板顶部密封橡胶垫后升起已经固定。有维护检修孔直径80厘米的上盖板。螺杆的孔盖板被吊起来用双螺母固定。

上部和下部之间的垫片环段对齐,以及相邻块之间的垫片,如图8。环形段的直径误差在2毫米的范围内。

数值模拟联合垫片进行了分析。在平面应变模型,线性元素和三角网格。Mooney-Rivlin两个参数模型采用模拟密封垫片,和硬度的值是65°。接触压力分布在联合5毫米打开如图9。

在图9,蓝色区域的接触压力小于0.1 MPa,它可以被视为一个无效的密封区域,和其他领域的接触压力大于0.1 MPa,它可以被视为一个有效的密封区域。

可以看出,当开幕式的垫片达到5毫米,理论上的密封结构没有影响。直径2毫米误差时平均6纵向接头,打开每个弹性垫圈的数量是0.33毫米。因此,装配误差不会影响结构的密封性能。

3.2。系统连接调试

主体结构的安装完成后,如图10,然后是传感器安装和线连接,真空泵管道连接,安装。

旋转叶片真空泵的抽运率200³选择/ h。50 mm直径的PVC管领导的预留端口上盖板真空泵出口。

验证边界之间的密封段环和钢盖板,用气泵,肥皂液涂布在段环和盖板之间的联合。气泵是开始的空腔段的正压环10 kPa。如果肥皂泡沫出现,有必要加强密封。如果没有,可以进行测试。

4所示。低真空段的原型测试

现场实际情况,密封圈的压缩力作为80 kN / m,环宽度是1.2米。每个环段有两个篮球,所以呼啦圈的轴向力是作为 。垂直的最大拉力螺钉80 kN,和作用力的方向图所示1。测试是在四个工作条件进行。

工况1:自然组装状态。后段组装完成后,部分的关节pretightened,主要是通过组装螺栓。这是确认螺丝的轴向力米和篮球都为零

工况2:垂直的张力螺丝调整到40 kN,虽然呼啦圈的轴向力是0。此时,纵向装配力模拟使用螺丝的压力

工况3:垂直的张力螺丝调整80 kN,和呼啦圈的轴向力等于0

工作条件4:垂直的张力螺丝调整80 kN,呼啦圈的轴向力是48 kN。呼啦圈力被用来近似横向组装

垂直轴向力后的螺丝和环形箍是调整到一个特定的工作条件,使真空泵工作直到真空度不再上涨。相对真空度曲线随着时间的推移图所示11。本文指出相对真空度是指大气的压力之间的差异和测量对象。

从图可以看出11螺杆轴向力时,增加到40 kN,工况2中的极限真空度的价格相比明显改善工作条件1。当螺杆轴向力增加到80 kn,工况的极限真空度的价格相比3是进一步提高工作条件2。但当呼啦圈的轴向力增加到48 kN,没有明显区别的极限真空度工况3和工况4。可以看出,增加螺钉张力有利于提高结构的气密性,而篮球的张力影响有限的改善结构密封。

在工况4中,相对真空度迅速增加的早期阶段(300年代达到semipeak),然后慢慢增加。43个kPa的相对真空达到最大值2000年代左右。之间有一个平衡泵效率和装配段结构的泄漏速度在这个时刻,意义的极限真空测试系统已经实现。关闭真空泵后,由于结构的泄漏,相对真空下降迅速,1500年代后回到大气压力。

图12显示最终的真空度和时间成本达到80%的不同工况下的极限真空。可以看出极限真空度和时间成本增加先后在前三的工作条件,但没有显著区别工况3和工况4。

监测的数据点在真空抽水过程中工况4分析如下。

4.1。应变监测

少的监视点外表面受到影响真空通过实验数据的比较,所以重要的是注意内表面上的应变计。内表面上的测量应变数据图所示13。其中,1 - 1 ~ 1 - 12的纵向应变仪,也都位于12点的环连接,称为1系列监测分以下;A - 1 ~ - 12周向应变仪,位于中间的六纵关节两侧,称为一系列监视点。

从图可以看出13在吸尘过程中,每个纵向监测点也有类似的应变随时间的趋势。由于混凝土材料是各向同性的事实。

可以看出,1系列的最大拉伸应变为43.65με在图(14日)55.3,压缩应变με在图14 (b)。虽然是54.8系列的最大拉伸应变με在图14 (c)和压缩应变为75.8με在图14 (d)。圆周和纵向间隔接近。最大压应变范围是55.3με~ 75.8με和最大拉伸应变范围为43.65με~ 54.8με。压缩应变大于拉伸应变。的最大压应变环是大约2%的极限压应变(0.0033),和最大拉伸应变是大约55%的混凝土的极限抗拉应变(0.0001)。

从数据(15日)和15 (b),可以看出有显著相关性的应变变化和真空抽水。如图(15日),它被分为四个阶段。在第一阶段,快速增加的相对真空度,压缩应变值增加,达到45.8με在300年代。在第二阶段,随着真空度的变化往往是温和的,压缩应变下降到零,气流泄漏和泵送达到一个平衡。在第三个阶段,在初始阶段的真空减压、拉伸应变迅速增加(拉伸应变增加了约40με在2100年代~ 2300年代。在第四阶段,相对真空倾向于零和拉伸应变下降。

从数据(16日)和16 (b),可以看出真空过程,相对真空度增加然后减少,和应变变化曲线大致分为六个破线。在第一和第四阶段,相对真空度保持不变,而应变增加,显示真空度的变化落后于压力。在第二阶段,相对真空度的增加,压缩应变增加。在第三阶段,轻轻相对真空度增加,相反的压缩应变降低,然后增加。当地的气流运动发挥了主导作用后的菌株之间的差异减少内部和外部的压力。在第五阶段,相对真空度的降低,拉伸应变增加。慢慢压差改变了自然通风在最初的阶段,所以当地的气流的影响仍占主导地位。第六阶段,相对真空度的降低,拉伸应变下降。内部和外部的压力接近于零的区别,以及返回的应变为零。

从上面可以看出,当地的气流运动和压差影响了段混凝土表面应变,和由不同的真空放电阶段。

4.2。位移监测

联合距离与时间的曲线如图17。位移计DZZ安装纵向接头的相邻段,而位移计DZH安装的环连接相邻段。

从图可以看出17联合相邻段间距减少,增加真空,增加真空减压。在这个过程中,增加的部分环收缩增加压差引起的。的最大变化联合间距为0.205 mm ~ 0.555 mm。

4.3。钢计监测

从监测数据发现,钢筋的峰值频率计在每个测点观测到了一开始,然后减少与真空压力的增加,这意味着钢筋总是压缩。几种典型监测数据如表所示1。

从表可以看出1内圆周钢筋的应力(K2, 1 a2, 1 a9, 2 a2, 3 a2)明显大于外层钢筋,和钢筋的应力(3 a2, 1 a2)附近的联合的段明显小于其他地方由于缓冲效果之间的弹性垫圈相邻段。相比之下,360 N /毫米的设计抗压强度²HRB400钢筋,钢筋的最大应力造成的真空是很小,约为0.1‰,这可能被忽略。

4.4。混凝土应变计监测

指出混凝土的峰值频率在每个测点应变仪观察在一开始,然后是频率的增加降低真空压力。混凝土总是压缩同样。几种典型监测数据如表所示2。

从表可以看出2混凝土的应变值小。与混凝土的极限压应变(0.0033),最大应变引起的真空只约占6‰。

5。结论和建议

专注于密封可靠性和机械组装段隧道原型的行为在低真空条件下,一个原型段低真空测试系统被设计和建造在这篇文章中,可以模拟内部真空和外部环境压力。测试平台的基础上,部分的密封能力和力学性能低真空复杂环境下进行了研究,并得到以下结论:(1)纵向装配力更有利于提高气密性比横向的结构。当密封垫片的压缩力80 kN / m,相对真空的最大两个环段43 200 kPa的泵送率³/小时。因此,当前混凝土密封段结构需要进一步加强(2)混凝土的纵向和周向应变部分是一致的。混凝土表面上的最大拉伸应变局部气流运动造成的真空抽水约55%的混凝土的极限抗拉应变,需要注意。建议喷洒的钢筋混凝土表面(3)混凝土表面应变影响本地气流运动和内部和外部之间的压力差,轮流在不同阶段的真空放电(4)真空造成的相对压力几乎没有对结构的应力和变形的影响。造成的压力真空只占6‰的混凝土的极限压应变,而钢的压力占0.1‰的钢设计抗压强度,可以忽略。当抽真空,内部和外部之间的相对压力结构导致关节空间略有减少0.555毫米

本文的密封性能和力学行为现有隧道组装段在低真空环境下取得了在原型测试中,它提供了实验依据的管道设计低真空管道运输系统。在以后的阶段,现有的装配段结构的密封性能将得到改善,结构内部的极限真空度将进一步改善,和相关的结构性能进行研究。

数据可用性

的数据支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

概念是由千千Lv和Chuigang曾庆红。方法是由千千Lv, Fengyuan李、陈亏。正式的分析和调查被执行千千Lv,长史,瑞祥陈。写草稿准备是由千千Lv。Writing-review和编辑是由千千Lv,亏陈,长史。收购的资金是由Chuigang曾庆红和Fengyuan李。

确认

这项工作是支持的科技研究和发展项目的中国铁路有限公司(编号2020 -中甸- 27)和科技创新计划的中国铁路隧道局集团(2019 - 08年Suiyanhe)。