CN104458311A - 结构柱抗爆试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种结构柱抗爆试验装置，包括钢筋混凝土爆坑(20)，还包括设置在爆坑(20)内的自平衡反力架(30)，所述自平衡反力架(30)包括上端板(31)、下端板(32)、左拉杆(33)和右拉杆(34)，所述上端板(31)和下端板(32)分别置于结构柱上端(11)和结构柱下端(12)，所述左拉杆(33)和右拉杆(34)分别置于结构柱(10)的左侧和右侧，所述左拉杆(33)和右拉杆(34)的上、下两端分别与上端板(31)和下端板(32)固定连接，在所述上端板(31)与结构柱上端(11)之间还设有一端与上端板(31)接触，另一端与结构柱上端(11)接触的弹性部件(40)。本发明的抗爆试验装置，适用于大尺寸结构柱的大当量抗爆试验，爆坑不易损坏。

Description

结构柱抗爆试验装置

技术领域

本发明属于土木工程结构柱抗爆性能研究设备技术领域，特别是一种适用于大尺寸结构柱的大当量抗爆试验，且可以重复使用的结构柱抗爆试验装置。

背景技术

当前，恐怖袭击、燃气泄漏爆炸事故等对桥梁、高层建筑、体育场馆等土木工程建筑的安全威胁越来越大。结构柱是这些建筑的关键受力部位，其抗爆性能对建筑整体的安全性有着巨大的影响。因此，该方面的研究成为土木工程领域研究的一个热点。结构柱抗爆试验装置是对结构柱抗爆性能进行试验研究的关键装置，在抗爆试验中起到以下作用，(1)提供试验柱的支撑基础，防止柱整体运动造成试验结果偏差；(2)对试验柱进行轴向加载，模拟建筑自重对柱性能的影响；(3)提供安装压力、位移等传感器的载体，方便试验测量。

结构柱抗爆试验装置一般由钢筋混凝土基体(爆坑)、千斤顶弹簧装置、支撑钢架等组成，千斤顶弹簧装置施加轴力，反力直接作用在爆坑上，为防止爆坑混凝土开裂，爆坑四个拐角处配筋要作加密处理。试验表明，经多次爆炸冲击荷载作用后，爆坑仍会有明显裂缝，不能多次重复使用。支撑钢架固定在混凝土爆坑中，结构柱安装固定后再安装调试位移、压力等传感器，由于操作空间狭小，使用非常不方便。

文章“钢管混凝土柱抗爆性能试验研究”(李国强、瞿海雁等，《建筑结构学报》，Vol.34，No.12，2013年12月)介绍了一种结构柱抗爆试验装置，该装置由钢筋混凝土基体(爆坑)、千斤顶弹簧装置、支撑钢架等组成。该装置由于弹簧提供轴向力有限，不能模拟高轴力、大轴压比条件下的结构柱；而且该装置只在柱两端轴向设置球铰，不能完全模拟结构柱简支工况，对后续试验数据分析带来不便。

总之，现有技术存在的问题是：结构柱抗爆试验装置的反力直接作用在爆坑边框上，一方面使爆坑难以重复使用，更不能适用于大尺寸结构柱、大当量炸药爆炸的抗爆试验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构柱抗爆试验装置，适用于大尺寸结构柱的大当量抗爆试验装置，且爆坑不易损坏，爆坑可以重复使用。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种结构柱抗爆试验装置，包括用于将结构柱放置其中的钢筋混凝土爆坑，还包括设置在爆坑内的自平衡反力架，所述自平衡反力架包括上端板、下端板和左拉杆和右拉杆，所述上端板和下端板分别置于结构柱上端和结构柱下端，所述左拉杆和右拉杆分别置于结构柱的左侧和右侧，所述左拉杆和右拉杆的上、下两端分别与上端板和下端板固定连接，在所述上端板与结构柱上端之间还设有弹性部件，所述弹性部件一端与上端板接触，另一端与结构柱上端接触。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

结构柱支撑采用自平衡系统，横向力不传给爆坑，大大增强了爆坑使用的耐久性，适用于大尺寸结构柱的大当量抗爆试验，且爆坑不易损坏，可以重复使用，降低试验成本。

其改进方案采用高压气动气缸活塞机构作为施加轴向力的元件，实现了结构柱大轴压比加载；

其进一步改进方案改进了试件端头支撑系统，可以实现理想的简支和固支工况，方便了试验数据分析处理；

本装置采用先安装调试仪器再安装固定试件的操作方式，方便了试验操作。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明结构柱抗爆试验装置的外形图。

图2为本发明结构柱抗爆试验装置爆坑内部件的结构示意图。

图3为本发明结构柱抗爆试验装置爆坑内部件的侧视图(自平衡反力架未视出)。

图4为图3中端头支撑系统的局部放大图。

图5为采用本发明装置测得的典型压力曲线图。

图6为采用本发明装置测得的典型位移曲线图。

图7为采用本发明装置测得的典型应变曲线图。

图中，10结构柱，11结构柱上端，12结构柱下端，20爆坑，30自平衡反力架，31上端板31，32下端板，33左拉杆，34右拉杆，40弹性部件(气缸活塞机构)，

50端头支撑系统，51球铰，521下钢垫板，531下圆钢棒，541下支撑钢板，

522上钢垫板，532上圆钢棒，542上支撑钢板，55抗拉钢棒，56螺母，

80传感器支架，81位移传感器，82压力传感器，83预埋钢构件，固定螺栓84。

具体实施方式

如图1所示，本发明结构柱抗爆试验装置，包括用于将结构柱10放置其中的钢筋混凝土爆坑20，还包括设置在爆坑20内的自平衡反力架30，所述自平衡反力架30包括上端板31、下端板32和左拉杆33和右拉杆34，所述上端板31和下端板32分别置于结构柱上端11和结构柱下端12，所述左拉杆33和右拉杆34分别置于结构柱10的左侧和右侧，所述左拉杆33和右拉杆34的上、下两端分别与上端板31和下端板32固定连接，在所述上端板31与结构柱上端11之间还设有弹性部件40，所述弹性部件40一端与上端板31接触，另一端与结构柱上端11接触。

钢筋混凝土爆坑20作为试验竖直方向支撑装置，同时预留了测试导线的走线空间。

如图2所示，为方便安装调试位移、压力等传感器，还可包括传感器支架80，用来安装结构柱10计划试件、位移传感器81及压力传感器82，试验前将传感器支架80吊起，先调试测试系统，再安装固定结构柱10。

试件及仪器安装调试完毕后放入爆坑中，用螺栓与预埋钢构件链接，方便操作。

由于本发明采用了自平衡反力架30，使结构柱10轴向的抗爆试验反力不再直接作用在爆坑边框上，爆坑仅承受自上而下的冲击波及试验装置及结构柱10重量，爆坑不易损坏，可以重复使用，降低试验成本，而且可以适用于大尺寸结构柱、大当量炸药爆炸的抗爆试验。

所述弹性部件40为气动气缸活塞机构。所述气动气缸活塞机构的气缸内径不小于400mm，最大承受压力不小于15MPa。所述气缸活塞机构的活塞最大轴力不小于188吨。

采用高压气动气缸活塞机构代替现有技术的弹簧提供结构柱10轴向力，就更能充分真实地模拟结构柱在高轴力、大轴压比条件下的抗爆性能。采用高压气动而不用高压液动气缸活塞机构，是为了在提供高轴力的同时充分利用高压气体的小刚度，当结构柱10轴向伸展时保持作用在柱上的轴压基本不变。

试件安装后，通过高压气缸活塞机构施加结构柱10轴向力，试件与气缸外端支撑在自平衡反力架上，在水平方向上形成一套平衡系统，混凝土爆坑不受水平拉力作用。

还可以通过高压气体控制是否施加轴向力，使试验对象在柱和梁之间切换，即同一试验对象既可模拟结构柱，也可模拟梁。

如图3所示，在靠近所述结构柱下端12和结构柱上端11分别设有可理想简支和固定支撑结构柱下端12和结构柱上端11的端头支撑系统50。

如图4所示，所述靠近所述结构柱下端12的端头支撑系统50包括置于所述结构柱下端12与下端板32之间的球铰51，所述球铰51的固定端与下端板32可拆式固定连接，球铰51的活动端与结构柱10的下端面接触，还包括置于结构柱10下的下钢垫板521、下圆钢棒531和下支撑钢板541，所述下圆钢棒531轴向与结构柱10轴向垂直，置于下钢垫板521和下支撑钢板541之间，所述下钢垫板521上表面与结构柱10下表面接触，所述下支撑钢板541下表面固定在爆坑20内。

所述靠近所述结构柱上端11的端头支撑系统50包括置于结构柱10下的下钢垫板521、下圆钢棒531和下支撑钢板541，所述下圆钢棒531轴向与结构柱10轴向垂直，置于下钢垫板521和下支撑钢板541之间，所述下钢垫板521上表面与结构柱10下表面接触，所述下支撑钢板541下表面固定在爆坑20内。

采用这样的端头支撑系统50，可以方便地实现理想的简支和固支工况，方便试验数据分析处理。简支时，按上述布置；当需为固支时，将下圆钢棒531和球铰51均换成普通平面钢板即可。

为防止结构柱10在承受剧烈爆炸波冲击后向上反弹，所述端头支撑系统50还包括置于结构柱10上的上钢垫板522、上圆钢棒532和上支撑钢板542，所述上圆钢棒532轴向与结构柱10轴向垂直，置于上钢垫板522和上支撑钢板542之间，所述上钢垫板522下表面与结构柱10上表面接触，还包括下部与爆坑20固定连接，上部穿过下支撑钢板541、上支撑钢板542并突出上支撑钢板542的至少四根抗拉钢棒55，所述上支撑钢板542上表面通过螺母56与所述抗拉钢棒55固定连接。

本发明的试验装置的操作使用步骤如下：

首先根据爆坑设计图纸进行混凝土支模，固定自平衡反力架30、预埋钢构件83、下支撑钢板541和抗拉钢棒55；

浇筑混凝土，养护28天；

将传感器支架80用固定螺栓84与预埋钢构件83连接；

安装气缸活塞机构40，调节气缸高度与试件一致，不可偏心，并且将气缸活塞机构与高压气源相连；

松开固定螺栓84，吊起传感器支架80；

将试件结构柱10吊装入传感器支架80内，调整好试件位置；

将位移计、压力计安装到传感器支架80预留位置，连接位移、压力计及应变片导线；

连接传感器、数据采集系统、计算机，调试信号；

调整端头支撑系统50，若为简支系统，则按图3安装，若为固支系统，则将图3中下圆钢棒531和球铰51均换成普通平面钢板；

将传感器支架80吊入爆坑，用固定螺栓84与预埋钢构件83连接，将螺母56与抗拉钢棒55拧紧，防止试验中试件反弹；

通过布置在远端的高压氮气瓶对高压气缸活塞机构40充气，当压力表达到预定数值后拧紧气瓶阀门，若做梁抗爆试验，本步骤略过；

用钢板盒子将高压气缸活塞机构40从上方遮蔽住，用橡胶垫和包铁皮对爆坑上表面缝隙进行密封，防止爆炸冲击波损坏气缸、试件下方传感器及导线；

在试件结构柱10正上方吊装炸药、雷管，检查测试系统和气缸压力，无误后起爆，采集试验数据，采集到典型数据如图4、5、6所示。

从实验结果图发现，本发明的结构柱支撑采用自平衡系统，横向力不传给爆坑，大大增强了爆坑使用的耐久性，适用于大尺寸结构柱的大当量抗爆试验，且爆坑不易损坏，可以重复使用。

其改进方案采用高压气缸活塞机构作为施加轴力的元件，实现了结构柱大轴压比加载；

其进一步改进方案改进了试件端头支撑系统，可以实现理想的简支和固支工况，方便了试验数据分析处理；

本装置采用先安装调试仪器再安装固定试件的操作方式，方便了试验操作。

Claims (9)

1.一种结构柱抗爆试验装置，包括用于将结构柱(10)放置其中的钢筋混凝土爆坑(20)，其特征在于：还包括设置在爆坑(20)内的自平衡反力架(30)，所述自平衡反力架(30)包括上端板(31)、下端板(32)、左拉杆(33)和右拉杆(34)，所述上端板(31)和下端板(32)分别置于结构柱上端(11)和结构柱下端(12)，所述左拉杆(33)和右拉杆(34)分别置于结构柱(10)的左侧和右侧，所述左拉杆(33)和右拉杆(34)的上、下两端分别与上端板(31)和下端板(32)固定连接，在所述上端板(31)与结构柱上端(11)之间还设有弹性部件(40)，所述弹性部件(40)一端与上端板(31)接触，另一端与结构柱上端(11)接触。

2.根据权利要求1所述的结构柱抗爆试验装置，其特征在于：所述弹性部件(40)为气动气缸活塞机构。

3.根据权利要求2所述的结构柱抗爆试验装置，其特征在于：所述气动气缸活塞机构的气缸内径不小于400mm，最大承受压力不小于15MPa。

4.根据权利要求2所述的结构柱抗爆试验装置，其特征在于：所述气缸活塞机构的活塞最大轴力不小于188吨。

5.根据权利要求1所述的结构柱抗爆试验装置，其特征在于：在靠近所述结构柱下端(12)和结构柱上端(11)分别设有可理想简支和固定支撑结构柱(10)的端头支撑系统(50)。

6.根据权利要求5所述的结构柱抗爆试验装置，其特征在于：所述靠近结构柱下端(12)的端头支撑系统(50)包括置于所述结构柱下端(12)与下端板(32)之间的球铰(51)，所述球铰(51)的固定端与下端板(32)可拆式固定连接，球铰(51)的活动端与结构柱(10)的下端面接触，还包括置于结构柱(10)下的下钢垫板(521)、下圆钢棒(531)和下支撑钢板(541)，所述下圆钢棒(531)轴向与结构柱(10)轴向垂直，置于下钢垫板(521)和下支撑钢板(541)之间，所述下钢垫板(521)上表面与结构柱(10)下表面接触，所述下支撑钢板(541)下表面固定在爆坑(20)内。

7.根据权利要求6所述的结构柱抗爆试验装置，其特征在于：所述端头支撑系统(50)还包括置于结构柱(10)上的上钢垫板(522)、上圆钢棒(532)和上支撑钢板(542)，所述上圆钢棒(532)轴向与结构柱(10)轴向垂直，置于上钢垫板(522)和上支撑钢板(542)之间，所述上钢垫板(522)下表面与结构柱(10)上表面接触，还包括至少四根抗拉钢棒(55)，所述抗拉钢棒(55)的上部依次穿过下支撑钢板(541)、上支撑钢板(542)，并通过螺母(56)与所述上支撑钢板(542)固定连接，所述抗拉钢棒(55)位于下支撑钢板(541)以下的部分与所述爆坑(20)以预先浇筑方式固定连接。

8.根据权利要求5至7之一所述的结构柱抗爆试验装置，其特征在于：所述靠近结构柱上端(11)的端头支撑系统(50)包括置于结构柱(10)下的下钢垫板(521)、下圆钢棒(531)和下支撑钢板(541)，所述下圆钢棒(531)轴向与结构柱(10)轴向垂直，置于下钢垫板(521)和下支撑钢板(541)之间，所述下钢垫板(521)上表面与结构柱(10)下表面接触，所述下支撑钢板(541)下表面固定在爆坑(20)内。

9.根据权利要求8所述的结构柱抗爆试验装置，其特征在于：所述端头支撑系统(50)还包括置于结构柱(10)上的上钢垫板(522)、上圆钢棒(532)和上支撑钢板(542)，所述上圆钢棒(532)轴向与结构柱(10)轴向垂直，置于上钢垫板(522)和上支撑钢板(542)之间，所述上钢垫板(522)下表面与结构柱(10)上表面接触，还包括至少四根抗拉钢棒(55)，所述抗拉钢棒(55)的上部依次穿过下支撑钢板(541)、上支撑钢板(542)，并通过螺母(56)与所述上支撑钢板(542)固定连接，所述抗拉钢棒(55)位于下支撑钢板(541)以下的部分与所述爆坑(20)以预先浇筑方式固定连接。