CN102879168B - 多落锤毫秒级延期加载实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多落锤毫秒级延期加载实验系统，属于落锤冲击实验的技术领域。所述多落锤毫秒级延期加载实验系统包括：电磁铁升降导轮箱、单片机、卷扬机、多个落锤装置、两个布局在同一高度的落锤升降导轮。每一个落锤装置都包括一个落锤、一个吸盘电磁铁，以及穿过落锤中心、吸盘电磁铁中心的控制绳索。本发明实现了高频振动条件下的加载试验；通过多毫秒级延时电路实现了多个电磁铁电路的毫秒延时开关，形成脉冲序列荷载，模拟实际环境荷载。

Description

多落锤毫秒级延期加载实验系统

技术领域

本发明公开了多落锤毫秒级延期加载实验系统，属于落锤冲击实验的技术领域。

背景技术

建(构)筑物在使用年限中要承受各种环境荷载，例如，拆除爆破施工中的结构倒塌触地、结构周围的强夯施工、爆炸冲击荷载以及意外事件产生的冲击荷载等，这些事件产生的能量以波的形式向四周传播，结构在波到达时会产生振动，严重时会发生破坏，从而导致灾害的发生。

由于本实验所研究的内容涉及到人类的生产生活安全，已引起许多学者的关注。环境激励作用属于典型的高加载率多次冲击现象，国内外有关这方面的研究很多，主要通过理论分析、实验研究及计算机数值模拟这三种方法。现有的成果集中在理论分析和计算机数值模拟，但获得的成果并不能应用于实际，只有定性分析。主要原因有三个方面：(1)研究内容为高加载率下动力学过程，现有的理论研究不足，均建立在大量的假设条件下；(2)计算机数值模拟成果较多，但数值模拟需要现场实测数据或实验数据来推导出材料参数；(3)实验研究很少，目前没有模拟高加载率多次冲击的实验设备，现有数据均来自场地爆炸测试。

爆炸是典型的高加载率动力学问题，而现有的环境荷载也均呈现爆炸力学特性，所以爆炸测试是模拟环境荷载的最佳方法。但最近几年场地爆炸测试实验方面做的较少，主要是因为炸药的提供和爆破实施的审批，现今炸药由当地公安部门严格控制，审批过程更是相当困难。现有的其他方式尚不能模拟高加载率多次冲击现象，本实验研究最终目的是对建(构)筑物的安全进行评价。而建(构)筑物的固有频率是2～10Hz，环境荷载以振动波的形式释放能量，并且大部分高频振动波被耗散在地表下的岩土介质中，到达建(构)筑物地基处的为低频振动波，并且2～10Hz的低频振动波能够与建(构)筑物发生共振，放大振动效应。所以针对低频振动波的特性，有些学者提出的以落锤冲击建(构)筑物附近地表的方式来研究环境荷载下建构筑物的安全。

落锤实验是利用落锤重力自由下落冲击的实验，一般冲击地表，模拟低频振动波。但此方法是用单落锤冲击，并不符合环境荷载的力学本质，只能作为概化研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了多落锤毫秒级延期加载实验系统。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：多落锤毫秒级延期加载实验系统，包括：电磁铁升降导轮箱、具有毫秒级延时功能的单片机、卷扬机、n个落锤装置、两个布局在同一高度的落锤升降导轮，n为大于1的自然数；其中：所述n个落锤装置中，每一个落锤装置包括一个落锤、一个吸盘电磁铁，以及穿过落锤中心、吸盘电磁铁中心的控制绳索；

钢丝绳索的两端绕过所述两个落锤升降导轮的导轨后分别与电磁铁升降导轮箱的两个侧壁固定连接；落锤装置通过控制绳索导入电磁铁升降导轮箱腔体内，再经电磁铁升降导轮箱侧壁的导向孔导出；所述卷扬机与从电磁铁升降导轮箱侧壁导出的控制绳索连接；

所述每个落锤装置中的吸盘电磁铁通电产生电磁力吸住落锤，所述单片机对各落锤装置中的吸盘电磁铁逐个进行断电，以各落锤释放下落时间间隔形成的脉冲序列荷载为加载实验结果。

所述多落锤毫秒级延期加载实验系统中，电磁铁升降导轮箱包括n个导轮，一个导轮对应控制一个落锤装置的升降，每一个导轮通过穿过其中心的支撑杆固定在电磁铁升降导轮箱的内侧壁上，每两个导轮之间的竖直距离为导轮的厚度。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：实现了高频振动条件下的加载试验；通过多毫秒级延时电路实现了多个电磁铁电路的毫秒延时开关，形成脉冲序列荷载，模拟实际环境荷载。

附图说明

图1为多落锤毫秒级延期加载实验系统的示意图。

图2为落锤装置的组装示意图。

图3为电磁铁升降导轮箱的内部结构。

图4为利用多落锤毫秒级加载实验系统做加载实验的示意图。

图5为利用多落锤毫秒级加载实验系统做加载实验时布置测点的示意图。

图6为51单片机毫秒延时电路设计电路图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示的多落锤毫秒级延期加载实验系统，包括电磁铁升降导轮箱、单片机、卷扬机、5个落锤装置、布局在同一高度的落锤升降导轮A和落锤升降导轮B。落锤升降导轮A、落锤升降导轮B通过其中心处的连轴与三脚架固定连接。绳索两端穿过落锤升降导轮A、落锤升降导轮B的导轨后分别与电磁铁升降导轮箱的左右侧壁固定连接。落锤升降导轮A为双导轮。

如图2所示的落锤装置：高度控制绳索穿过落锤垂头的中心、吸盘电磁铁中心，吸盘电磁铁至于钢套内部。电磁铁即是由五个吸盘电磁铁构成的复合装置，电磁铁电源线即将五个吸盘电磁铁的电源线捆扎在一起；选择吸盘电磁铁的主要的参数是吸盘电磁铁产生的吸力是否能够提升落锤，根据对市场吸盘电磁铁产品调查，吸盘电磁铁的外径应该小于落锤的外径，但不会相差很多。

电磁铁升降导轮箱的内部结构如图3所示：包括5个导轮，每一个导轮通过穿过其中心的支撑杆固定在电磁铁升降导轮箱的内侧壁上。导轮依据图中规律置放，即每两个导轮之间的竖直距离为导轮的厚度，一个导轮对应控制一个落锤装置的升降。

每一个落锤装置中的高度控制绳索通过电磁铁升降导轮箱底部留有的导线孔引入电磁铁升降导轮箱。每一个落锤装置中的电磁铁电源线、电磁铁升降导轮箱中五个导轮的电源线分别与单片机连接，高度控制绳索绕过导轮的导轨后分别与卷扬机连接。

图6为51单片机毫秒延时电路设计图，J2、J3、J4为电路插件，用于引入、引出51单片机信号。利用51单片机的自带延时功能，或者软件编程实验毫秒延时电路的功能。首先对五个吸盘电磁铁通电，由产生的电磁力吸住落锤。再由单片机对这五个吸盘电磁铁逐个进行断电，相邻两个电磁铁的断电间隔时间可达到毫秒级别，可通过调整单片机中的延时时间来选择不同的时间间隔，即五个落锤释放下落的间隔时间。由于五个落锤均为自由落体运动且下落高度相同，五个落锤释放下落的间隔时间即为五个落锤冲击地面的间隔时间，这在数学上可用脉冲函数来表示，即形成脉冲序列荷载。环境突发事故通常产生连续次冲击，如地震、拆除爆破中大块体触地振动、连环爆炸事故、连续微差爆破等等，可认为是脉冲序列荷载。

落锤的数量原则上设计越多越好，这样可以模拟多种环境荷载，可依据不同的环境荷载来选择落锤数量，但局限于装置的规模大小及性价比，拟采用五个。5个落锤装置需要等间隔布局在电磁铁升降导轮箱的底部更便于加工。

利用如图4所示的多落锤毫秒级延期加载实验系统做落锤加载实验，具体步骤如下：

步骤1，将穿过落锤升降导轮A、落锤升降导轮B的导轨绳索的两端分别与电磁铁升降导轮箱的左右侧壁固定连接；

步骤2，保证高度一致地得安置三脚架：可通过先设置一个三脚架，在顶部系一重物，画出重物在地面的投影点，并测量重物投影点到三脚架底部的三个距离，依据此数据安置另一三脚架；

步骤3，将落锤装置装置与电磁铁升降导轮箱相连，并把电磁铁升降箱与落锤导轮A、B中的钢丝绳连接到卷扬机，提升电磁铁升降导轮箱至现场试验设定的高度；

步骤4，在每个落锤装置下部放置保护网，保护网的内径大于钢套的外径；

步骤5，按照图5所示的测点示意图，在每一个测点安装测振仪器，打开测振仪器，接通加载实验系统的电路开始加载实验；

步骤6，待单片机控制延时电路断电后，导出各测点测振仪器的测量数据。测量数据与原有现场数据均变现为信号形式，即波形函数。通过对同一场地条件或建筑进行测试，得到的同一测点的两个波形函数，即本发明装置和实际环境荷载分别产生，将测得的波形函数进行快速傅里叶变换(FFT)得到频域波形，总计2对波形函数，分别对比两个波形函数，如果波形函数速度峰值，幅值峰值，主频率等信息相近，则认为此装置能够很好地模拟该环境荷载。

综上所述，本发明实现了高频振动条件下的加载试验；通过多毫秒级延时电路实现了多个电磁铁电路的毫秒延时开关，形成脉冲序列荷载，模拟实际环境荷载。

Claims (2)

1.多落锤毫秒级延期加载实验系统，其特征在于包括：电磁铁升降导轮箱、具有毫秒级延时功能的单片机、卷扬机、n个落锤装置、两个布局在同一高度的落锤升降导轮，n为大于1的自然数；其中：所述n个落锤装置中，每一个落锤装置包括一个落锤、一个吸盘电磁铁，以及穿过落锤中心、吸盘电磁铁中心的控制绳索； 

钢丝绳索的两端绕过所述两个落锤升降导轮的导轨后分别与电磁铁升降导轮箱的两个侧壁固定连接；落锤装置通过控制绳索导入电磁铁升降导轮箱腔体内，再经电磁铁升降导轮箱侧壁的导向孔导出；所述卷扬机与从电磁铁升降导轮箱侧壁导出的控制绳索连接； 

所述每个落锤装置中的吸盘电磁铁通电产生电磁力吸住落锤，所述单片机对各落锤装置中的吸盘电磁铁逐个进行断电，以各落锤释放下落时间间隔形成的脉冲序列荷载为加载实验结果。 

2.根据权利要求1所述的多落锤毫秒级延期加载实验系统，其特征在于所述电磁铁升降导轮箱包括n个导轮，一个导轮对应控制一个落锤装置的升降，每一个导轮通过穿过其中心的支撑杆固定在电磁铁升降导轮箱的内侧壁上，每两个导轮之间的竖直距离为导轮的厚度。