建立快开阀芯橡胶密封垫密封结构的Mooney-Rivlin非线性有限元分析模型,分析橡胶密封垫在装配状态下的等效Von Mise应力分布及等效Von Mise应力与橡胶密封垫轴向压缩量的关系,研究橡胶密封垫在工作状态下的密封性能。橡胶密封垫装配时,轴向压缩量增大,应力较大的区域位置未发生变化,基本在上、下接触面;轴向压缩量增大,Von Mise应力增大;最大Von Mise应力与轴向压缩量呈非线性关系。设计合理的轴向压缩量对于保证橡胶密封垫的密封性能和使用寿命非常重要。本设计橡胶密封垫的合理轴向压缩量为0.8 mm,密封垫轴向压缩量和轴向预紧力的模拟结果与试验结果比较吻合。

针对底部平型和梳型橡胶密封垫结构,采用有限元软件建立三维计算模型,开展密封垫沟槽、粘贴质量对密封垫防水性能影响研究,探究密封垫防水薄弱点,并开展模型试验进行验证。研究表明:(1)橡胶密封垫压缩过程中易向两侧管片间隙中变形,使沟槽内实际面积减小,降低密封垫防水能力。(2)底部梳型密封垫粘贴固定时,密封垫间接触面是接头防水薄弱点;当未粘贴时密封垫间接触应力与粘贴固定时相比降低了25.8%,防水薄弱环节为密封垫底部与沟槽接触面。(3)平型密封垫在未粘贴的情况下,压缩过程结构也较为稳定,粘贴质量对密封垫防水性能影响较小。

盾构法隧道管片接缝防水是隧道防水体系中的关键,以某TBM输水隧洞实际使用的橡胶密封垫作为研究对象,参照规范设计一套耐水压实验装置,测量在不同接缝张开量和错位量组合下橡胶密封垫的耐水压值.试验结果表明,水流突破的位置常见于橡胶密封垫的接角处,且沿着密封垫与管片间的缝隙中渗出.该种橡胶密封垫的极限耐水压值为1.20 MPa,且随着管片接缝张开量和错位量的增大,橡胶密封垫的防水性能逐渐下降.

为研究盾构隧道接缝止水密封垫数值模拟难点,结合上元门越江隧道工程的接缝防水设计方案,利用ABAQUS有限元软件建立密封垫三维模型,模拟密封垫装配力加载试验,将计算结果与室内试验结果对比,为橡胶本构模型的选择提供参考,并分析边界条件对计算结果的影响。研究结果表明:在与室内力学试验相对应的密封垫两端有约束的数值模型中,采用Mooney-Rivlin本构模型比Yeoh本构模型的装配力误差更小;密封垫两端边界条件的差异对计算结果有较大影响,采用Mooney-Rivlin本构模型时密封垫两端有约束比无约束情况下的最大装配力平均增大22.2%;对于最大装配力而言,使用Mooney-Rivlin本构模型的计算结果更加准确。

为研究盾构管片接缝橡胶密封垫的防水耐久性,开展了橡胶密封垫水热加速老化试验,并对老化后试样进行拉伸力学性能试验、试样表面电镜扫描与长期防水性能试验,分析了橡胶垫表面微观尺度下的防水失效机理;采用橡胶密封垫极限防水压力为耐久性评价指标,结合基于Arrhenius方程的p-T-t数学模型,推导了橡胶密封垫长期防水性能折减系数的预测公式。结果表明:老化后橡胶密封垫表面接触状况的恶化和橡胶材料的硬化,加速了橡胶密封垫接触面间渗漏通道的形成;橡胶密封垫防水性能随着老化时间的增加不断降低,但下降速度逐渐减小。采用提出的防水性能预测公式对广东榕江-关埠引水工程盾构隧洞实际使用的橡胶密封垫的耐久性进行了预测,预测服役100 a后的老化系数为0.390,结果相对于仅考虑橡胶材料力学性能时的预测结果偏小12.36%,对原设计使用期内频...