CN109506870A - 一种用于落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种落石防护系统消能器动力实验的绳索式导引定向冲击装置，包括用于模拟落石的试块、用于提升并释放试块的起吊设备、用于传递冲击力的拉索、用于安装落石防护系统消能器试件的反力桩、用于数据采集的力传感器及落石防护系统消能器试件，还包括导引试块的定向绳，以及为冲击试验提供缓冲空间并起防护作用的基坑；所述反力桩垂直设置于基坑的两侧。本发明的试验装置可以修建在就近场地，试验场地不受现场环境限制，不需要每次试验时搬运试验设备到较陡峭的悬崖，能够有效降低每次的试验成本，提高工作效率，且能重复使用。

Description

一种用于落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲 击装置

技术领域

本发明涉及边坡防护技术领域，具体为一种用于落石防护系统消能器动力实验的绳索式导引定向冲击装置。

背景技术

我国地势西高东低，呈阶梯状分布，地形复杂多样，山区面积广大，主要呈现为西部地形以山地、盆地、高原为主，在这些地形区中，盆地多风蚀地形；山区多冰蚀地形，青藏高原多冻土地貌。随着全球气候的变化我国已成为地质灾害最严重的国家之一。针对量大面广的落石、崩塌等地质灾害，学者和工程师们提出了多种应对措施和方法，其中，被动柔性防护就是一种被广泛使用的防护技术。防护系统消能器防性能的高低决定了防护效果的好坏，但国内目前检测落石防护系统消能器性能的试验装置仍停留在拟静力阶段，不能体现动力效果对消能器的影响，故进行落石冲击试验尤为重要，如何模拟落石防护系统消能器这一过程，让试验有立足之地，若是这一技术问题不能有效解决，就无法进行动态检测试验。

国外同类型的落石防护系统消能器动力试验基本上是利用既有山崖开展冲击试压，没有引导冲击试块的引导限位装置，其缺点是试验场地容易受现场环境的影响，而且试验场地往往距离市区较远，每次运送试验材料的成本相对较高，花费时间多。同时，不能保证冲击试块的形心与传递冲击力的拉索在一个平面内，导致冲击过程中冲击试块的运动轨迹不固定存在安全隐患，严重威胁试验人员的生命安全。同时，给后续的受力分析带来困难，不利于解析计算。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种就近修建的可降低试验成本，提高试验效率且能有效传递冲击作用降低安全隐患，利于解析计算的试验装置。技术方案如下：

一种用于落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置，包括：用于模拟落石的冲击试块、导引试块的定向绳、用于提升冲击试块的起吊设备、用于释放冲击试块的释放装置、用于传递冲击力的拉索、反力桩以及为冲击试验提供缓冲空间并起防护作用的基坑；

定向绳上端锚固于焊接在起吊设备的横梁上，下端固定于基坑底部的地锚钢板上且张紧，所述定向绳竖向贯穿冲击试块并通过冲击试块的重心；

所述释放装置由起吊设备牵引使得所述释放装置能够悬吊冲击试块在特定高度，释放装置可受远程控制释放冲击试块，冲击试块能够沿着定向绳自由下落并冲击传递冲击力的拉索；

基坑位于定向绳的正下方，为自由下落后的冲击试块提供缓冲空间并起防护作用；拉索的中部与定向绳垂直相交，拉索两端分别通过卸扣连接落石防护系统消能器试件，落石防护系统消能器试件的另一端连接用于数据采集的力传感器，传感器连接至所述反力桩上伸出的锚杆，所述反力桩竖直设置于基坑的两侧。

进一步地，导引试块的定向绳与传递冲击力的拉索位于同一平面内且相互独立。

进一步地，所述冲击试块为规则多面体球状试块。

进一步地，所述反力桩上设置有均匀分布的贯穿式锚孔，所述锚杆一端通过螺母与垫板固定于反力桩上，一端弯制成椭圆形弯钩，力传感器通过卸扣与锚杆的椭圆形弯钩相连。

进一步地，所述基坑底部设有锥形护坑。

进一步地，其特征在于，为了满足不同尺寸消能器试件的安装，反力桩高度为1.5m，宽度为0.8m，且反力桩上设置的锚孔横纵间距均为500mm。

进一步地，其特征在于，冲击试块为正立方体消掉棱角而得的多面体，高度为0.4m-2m，重量为0.25t-25t。

进一步地，冲击试块表面由钢板焊接而成，内部配置钢筋，并浇筑混凝土，在冲击试块的制作过程中预埋用于起吊的弯钩和引导绳穿过的孔道。

进一步地，设置2台高速摄像机记录冲击试块的速度及试验模型重点部位的变形及破坏情况，设置1台普通摄像机记录试验模型的整体变形及整体破坏情况。

另一方面，本发明还保护一种上述落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置的试验方法，具体步骤如下：

根据落石防护系统消能器动力试验所需冲击动能确定冲击试块的尺寸和冲击速度；

在基坑两侧的反力桩上安装锚杆、力传感器通过卸扣一端与锚杆相连，另一端与落石防护系统消能器连接，传递冲击力的拉索通过绳卡与两侧的落石防护系统消能器连接，拉索应使两侧的力传感器、落石防护系统消能器位于同一直线上且略有松弛；

在基坑底部锥形护坑中央的地锚梁上用绳卡安装定向绳的一端，起吊冲击试块使其位于拉索的正上方且略高于拉索，定向绳从地锚梁引出，通过拉索，穿过试块与焊接在起吊设备上的横梁固定，固定前对定向绳施加预紧力使其具有约束试块非竖直向位移的刚度；

利用起吊设备牵引释放装置提升冲击试块停止在定向绳的某个高度，并远程控制释放装置释放冲击试块，冲击试块沿着定向绳自由下落并冲击传递冲击力的拉索，传递冲击力的拉索牵引落石防护系统消能器试件和力传感器工作，测得试验所需数据；

在冲击试块下落过程中采用高速摄像机对消能器试件上的标记点进行跟踪捕捉，高速摄像机与拉力传感器的数据采集设备相连，并使用同步模块启动高速摄像机的摄像功能，以保证获得的拉力时程曲线与位移时程曲线同步，从而获得消能器在动力冲击作用下的拉力-位移性能曲线。

本发明的有益效果是：本发明的试验装置可以修建在就近的场地上，利用乏力桩来安装落石防护系统消能器试件，试验场地不受环境的限制，不需要每次试验时搬运试验设备到较远的山崖，试验成本低，效率高；同时，能保证冲击试块的形心与传递冲击力的拉索在一个平面内，给后续的受力分析带来方便，也解决了冲击试块的轨迹不固定存在的安全隐患；且可方便重复的进行试验及数据采集。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种用于落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置的主视图；

图2为本申请实施例提供的一种用于落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置的立体图；

图3为本申请实施例提供的一种用于落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置的基坑示意图；

图4为本申请实施例提供的一种用于落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置的冲击试块放大图；

图5为本申请实施例提供的一种用于落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置的反力桩位置局部放大图；

图6为本申请实施例提供的一种用于落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置的基坑位置局部放大图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-6所示，一种用于落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置，包括用于模拟落石的冲击试块1、用于提升冲击试块1的起吊设备8、用于释放冲击试块1的释放装置3用于传递冲击力的拉索9、用于数据采集的力传感器6和落石防护系统消能器试件5，还包括导引试块的引导绳2、用于安装落石防护系统消能器试件5的反力桩4，以及为冲击试验提供缓冲空间并起防护作用的基坑7；所述反力桩4垂直设置于基坑7的两侧。

定向绳2上端锚固于焊接在起吊设备8横梁上的钢梁上，所述起吊设备8优选地采用龙门吊，下端固定于基坑7底部的地锚钢板上且张紧，所述定向绳2竖向贯穿冲击试块1并通过冲击试块1的重心；

所述释放装置3由起吊设备8牵引使得所述释放装置3能够悬吊冲击试块1在特定高度，释放装置3可受远程控制释放冲击试块1，冲击试块1能够沿着定向绳2自由下落并冲击传递冲击力的拉索9；

基坑7位于定向绳2的正下方，为自由下落后的冲击试块1提供缓冲空间并起防护作用；拉索9的中部与定向绳2垂直相交，导引试块的定向绳2与传递冲击力的拉索9位于同一平面内且相互独立，拉索9两端分别通过卸扣连接落石防护系统消能器试件5，所述反力桩4竖直设置于基坑7的两侧，落石防护系统消能器试件5的另一端连接用于数据采集的力传感器6，传感器6连接至所述反力桩4上伸出的锚杆。

所述反力桩4上设置有均匀分布的贯穿式锚孔，所述锚杆一端通过螺母与垫板固定于反力桩上，一端弯制成椭圆形弯钩，力传感器通过卸扣与锚杆的椭圆形弯钩相连。

起吊设备8用于牵引自动释放装置3完成冲击试块1沿着定向绳2的提升，并在冲击试块1达到试验要求高度后释放冲击试块1，使其在引导绳的导引作用下自由下落并冲击传递冲击力的拉索9，传递冲击力的拉索9牵引落石防护系统消能器试件5和力传感器6完成冲击试验。同时，起吊设备8的横梁还充当固定引导绳2的作用。根据试验要求，起吊设备8需分级配备一组挂钩以满足不同的冲击能量的使用要求。挂钩离试验场地地面的最大高度为30m；起吊设备8采用龙门吊。

基坑7和反力桩4为冲击试验装置的重要组成部分，为了满足不同尺寸消能器试件5的安装，反力桩4在地面以上的高度为1.5m宽度为0.8m，且反力桩上设置有均匀分布的贯穿反力桩4的锚孔，锚孔横纵间隔均为500mm。

基坑7需满足落石防护系统消能器在动力试验下的变形要求，并起到防止冲击试块跌落到地面而伤害到人员和设备的作用，此外基坑7还为各种实验模型的安装、拆卸提供了操作场地。对经常承受试块冲击的基坑7底部进行局部的深挖，形成倒锥形的防护坑，以满足落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置在落石冲击作用下最大变形的需求。

冲击试块1为规则多面体，其为正立方体消掉棱角而得的多面体，高度为0.4m-2m，重量为0.25t-25t。为避免冲击试块1在与防护系统的冲击过程中发生破坏，冲击试块表面由钢板焊接而成，内部配置钢筋，并浇筑混凝土。为了便于冲击试块1在起吊至指定高度后能够在引导绳作用下自由下落，在冲击试块1的制作过程中要预埋用于起吊的弯钩和引导绳穿过的孔道。

由于采用自由落体的方式，冲击能量的计算公式如下：

式中，m为冲击试块1的质量；g为重力加速度；h为冲击试块自由下落的高度。试验时根据设计的冲击能量选择相应重量的冲击试块1，设置相应的起吊高度。

试验中需要进行进行测试的内容为在不同能量能量冲击下落石防护系统消能器试件5的变形及破坏情况，具体为：1)消能器的启动力；2)消能器的伸长量。

本申请实施例的落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置的试验方法，具体步骤如下：

根据落石防护系统消能器动力试验所需冲击动能确定冲击试块1的尺寸和冲击速度；

在基坑7两侧的反力桩4上安装锚杆、力传感器6通过卸扣一端与锚杆相连，另一端与落石防护系统消能器5连接，传递冲击力的拉索9通过绳卡与两侧的落石防护系统消能器5连接，拉索9应使两侧的力传感器6、落石防护系统消能器5位于同一直线上且略有松弛；

在基坑7底部锥形护坑中央的地锚梁上用绳卡安装定向绳2的一端，起吊冲击试块1使其位于拉索9的正上方且略高于拉索9，定向绳2从地锚梁引出，通过拉索9，穿过试块1与焊接在起吊设备8上的横梁固定，固定前对定向绳2施加预紧力使其具有约束试块1非竖直向位移的刚度；

利用起吊设备8牵引释放装置3提升冲击试块1停止在定向绳2的某个高度，并远程控制释放装置3释放冲击试块1，冲击试块1沿着定向绳2自由下落并冲击传递冲击力的拉索9，传递冲击力的拉索9牵引落石防护系统消能器试件5和力传感器6工作，测得试验所需数据；

在冲击试块下落过程中采用高速摄像机对消能器试件上的标记点进行跟踪捕捉，高速摄像机与拉力传感器的数据采集设备相连，并使用同步模块启动高速摄像机的摄像功能，以保证获得的拉力时程曲线与位移时程曲线同步，从而获得消能器在动力冲击作用下的拉力-位移性能曲线。

采用摄像机进行试验模型变形测量，每次试验需要使用3台摄像机，包括2台高速摄像机(主要用于记录冲击试块的速度及试验模型重点部位的变形及破坏情况)及1台普通摄像机(主要用于记录试验模型的整体变形及整体破坏情况)。另外，消能器上还设置有力传感器。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置，其特征在于，包括：用于模拟落石的冲击试块(1)、导引试块的定向绳(2)、用于提升冲击试块(1)的起吊设备(8)、用于释放冲击试块(1)的释放装置(3)、用于传递冲击力的拉索(9)、反力桩(4)以及为冲击试验提供缓冲空间并起防护作用的基坑(7)；

定向绳(2)上端锚固于焊接在起吊设备(8)的横梁上，下端固定于基坑(7)底部的地锚钢板上且张紧，所述定向绳(2)竖向贯穿冲击试块(1)并通过冲击试块(1)的重心；

所述释放装置(3)由起吊设备(8)牵引使得所述释放装置(3)能够悬吊冲击试块(1)在特定高度，释放装置(3)可受远程控制释放冲击试块(1)，冲击试块(1)能够沿着定向绳(2)自由下落并冲击传递冲击力的拉索(9)；

基坑(7)位于定向绳(2)的正下方，为自由下落后的冲击试块(1)提供缓冲空间并起防护作用；拉索(9)的中部与定向绳(2)垂直相交，拉索(9)两端分别通过卸扣连接落石防护系统消能器试件(5)，落石防护系统消能器试件(5)的另一端连接用于数据采集的力传感器(6)，传感器(6)连接至所述反力桩(4)上伸出的锚杆，所述反力桩(4)竖直设置于基坑(7)的两侧。

2.根据权利要求1所述的落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置，其特征在于，导引试块的定向绳(2)与传递冲击力的拉索(9)位于同一平面内且相互独立。

3.根据权利要求1或2所述的落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置，其特征在于，所述冲击试块(1)为规则多面体球状试块。

4.根据权利要求2所述的落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置，其特征在于，所述反力桩(4)上设置有均匀分布的贯穿式锚孔，所述锚杆一端通过螺母与垫板固定于反力桩上，一端弯制成椭圆形弯钩，力传感器通过卸扣与锚杆的椭圆形弯钩相连。

5.根据权利要求1所述的落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置，其特征在于，所述基坑(7)底部设有锥形护坑。

6.根据权利要求1-5之一所述的落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置，其特征在于，为了满足不同尺寸消能器试件(5)的安装，反力桩(4)高度为1.5m，宽度为0.8m，且反力桩上设置的锚孔横纵间距均为500mm。

7.根据权利要求1-6之一所述的落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置，其特征在于，冲击试块(1)为正立方体消掉棱角而得的多面体，高度为0.4m-2m，重量为0.25t-25t。

8.根据权利要求1-6之一所述的落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置，其特征在于，冲击试块(1)表面由钢板焊接而成，内部配置钢筋，并浇筑混凝土，在冲击试块(1)的制作过程中预埋用于起吊的弯钩和引导绳穿过的孔道。

9.根据权利要求1-6之一所述的落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置，其特征在于，设置2台高速摄像机记录冲击试块的速度及试验模型重点部位的变形及破坏情况，设置1台普通摄像机记录试验模型的整体变形及整体破坏情况。

10.根据权利要求1-9任一项所述的落石防护系统消能器动力试验的绳索式导引定向冲击装置的试验方法，其特征在于，具体步骤如下：

根据落石防护系统消能器动力试验所需冲击动能确定冲击试块(1)的尺寸和冲击速度；

在基坑(7)两侧的反力桩(4)上安装锚杆、力传感器(6)通过卸扣一端与锚杆相连，另一端与落石防护系统消能器(5)连接，传递冲击力的拉索(9)通过绳卡与两侧的落石防护系统消能器(5)连接，拉索(9)应使两侧的力传感器(6)、落石防护系统消能器(5)位于同一直线上且略有松弛；

在基坑(7)底部锥形护坑中央的地锚梁上用绳卡安装定向绳(2)的一端，起吊冲击试块(1)使其位于拉索(9)的正上方且略高于拉索(9)，定向绳(2)从地锚梁引出，通过拉索(9)，穿过试块(1)与焊接在起吊设备(8)上的横梁固定，固定前对定向绳(2)施加预紧力使其具有约束试块(1)非竖直向位移的刚度；

利用起吊设备(8)牵引释放装置(3)提升冲击试块(1)停止在定向绳(2)的某个高度，并远程控制释放装置(3)释放冲击试块(1)，冲击试块(1)沿着定向绳(2)自由下落并冲击传递冲击力的拉索(9)，传递冲击力的拉索(9)牵引落石防护系统消能器试件(5)和力传感器(6)工作，测得试验所需数据；

在冲击试块下落过程中采用高速摄像机对消能器试件上的标记点进行跟踪捕捉，高速摄像机与拉力传感器的数据采集设备相连，并使用同步模块启动高速摄像机的摄像功能，以保证获得的拉力时程曲线与位移时程曲线同步，从而获得消能器在动力冲击作用下的拉力-位移性能曲线。