CN110726602B - 多功能断索试验装置及断索模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能断索试验装置及断索模拟方法，该装置包括中间截断的拉索、用于分别固定截断拉索两端头的第一单孔夹片锚具和第二单孔夹片锚具，第一单孔夹片锚具和第二单孔夹片锚具分别固定连接第一套筒和第二套筒，第一套筒与第二套筒相对套接固定，所述第一套筒内靠近第二套筒的一侧固定设有永磁铁，所述第二套筒内靠近第一套筒的一侧设有多个矩阵排列的小型电磁铁，各小型电磁铁的导通与断开由控制器控制。本发明能模拟不同截面的拉索、具有不同初始缺陷的拉索截面、能模拟拉索索力的不同失效路径和能模拟拉索截面的几何破坏过程，可广泛应用于预应力钢结构的试验研究。

Description

多功能断索试验装置及断索模拟方法

技术领域：

本发明涉及一种多功能断索试验装置及断索模拟方法，属于土木工程预应力钢结构试验研究领域。

背景技术：

在弦支穹顶结构等大跨度空间结构中，拉索往往是结构的核心构件，它的工作性能直接影响着结构的安全性，然而在实际使用中，拉索因为施工误差、锈蚀等客观因素可能发生失效；拉索失效是十分复杂的动力冲击问题，对于结构的影响规律也是十分复杂的；为了探索拉索失效对于结构的影响，在断索物理试验中，需要能真实、准确地再现拉索断裂冲击过程，包括模拟不同类型的拉索失效过程，如不同初始缺陷、失效路径等。

按照断索的物理实现过程来划分，已有的断索装置可以分为机械式断索装置和非接触式断索装置两大类，由于机械装置的传力特点，断索中会不同程度地引入外力扰动，无法模拟实际拉索失效过程；例如：中国发明专利CN 104234327B(一种建筑结构拉索瞬间断开装置)，其工作原理为：人工拉动与搬把相连的绳索，使得搬把顺时针转动，同时通过搬把带动凸轮转动，使得装置由锁定状态突然变为断开状态，实现远程控制；中国发明专利CN105424394B(一种用于实现拉索或拉杆快速断开的装置)，其包括套筒、夹片、套环、直杆、螺栓和端杆，该装置通过操控套环的旋转来控制构件的瞬间破断，以上两种专利均为机械式断索装置。

目前，非接触式断索装置以电磁装置法较为新颖，对结构影响较小，通过合理的设计可以模拟失效过程，且安全性较高，可重复性强；如中国发明专利申请公布号CN105547805A(拉索主动控制破断装置及其制作方法)，由索体、索头、磁铁套筒、内置磁铁组成，该发明通过控制电磁铁通断电，模拟拉索的瞬间破断过程，但是，该断索装置仅能实现拉索(构件)的全截面瞬间破断的基本功能，无法模拟拉索的破断过程等其它较为常见的断索工况。

总的来说，现有的断索试验装置功能单一，无法模拟拉索截面在不同工况下的失效过程，如模拟不同截面拉索断裂、考虑拉索断裂时具有不同程度初始缺陷、拉索索力按不同形式退出的断索等，基于目前现有的断索装置，如需开展不同工况的断索试验，则需要加工不同规格的多个断索装置开展试验，大大提高经济和时间成本；而且，分别设计的断索装置的质量等参数通常无法保证完全一致，影响不同工况试验结果的可比性。

因此，为了满足结构拉索失效试验中对于不同断索工况的试验需求，非常有必要设计一种能实现多功能的断索试验装置，以便更好地服务于结构断索物理试验。

发明内容：

针对以上问题，本发明提供一种多功能断索试验装置及断索模拟方法，该装置由套筒内永磁铁和电磁铁之间的磁力变化来模拟不同工况下的拉索失效过程，适用于预应力钢结构的试验研究中。

本发明的技术方案是：本发明多功能断索试验装置，其特征在于：包括中间截断的拉索、用于分别固定截断拉索两端头的第一单孔夹片锚具和第二单孔夹片锚具，第一单孔夹片锚具和第二单孔夹片锚具分别固定连接第一套筒和第二套筒，第一套筒与第二套筒相对套接固定，所述第一套筒内靠近第二套筒的一侧固定设有永磁铁，所述第二套筒内靠近第一套筒的一侧设有多个矩阵排列的小型电磁铁，各小型电磁铁的导通与断开由控制器控制。

进一步的，上述第一套筒和第二套筒的外端头分别设有套筒耳板，所述第一单孔夹片锚具和第二单孔夹片锚具的端头设有锚具耳板，所述锚具耳板与套筒耳板通过螺栓固定连接。

进一步的，上述第一套筒靠近第二套筒的一端设有与第二套筒端头套接固定的罩口。

进一步的，上述各小型电磁铁12由直流电源供电，其供电电路上具有控制通断的开关，该开关即由控制器控制。

进一步的，上述控制器包括FPGA芯片和DAC芯片。

进一步的，上述第一单孔夹片锚具、第二单孔夹片锚具、第一套筒和第二套筒均采用不锈钢材料，以防止金属磁化对试验试验造成干扰。

本发明多功能断索试验装置的断索模拟方法，其特征在于：所述的方法步骤如下，

S1、安装好多功能断索试验装置，分为永磁铁段和电磁铁段两部分，其中须根据拉索可能承受应力的大小，选择合适的为各小型电磁铁供电的直流电源和小电磁铁、永磁铁；参考电磁铁中电流与磁力的关系由下列方程表示：

F＝nF₀

式中，G_δ为工作磁通，μ₀为导磁率，d_c为小电磁铁的直径，δ为气隙长度，为磁极端面磁通，I为电流大小，W为线圈匝数，S为铁芯截面，F₀为单个小电磁铁产生的磁力，n为工作中的小电磁铁的数目，F为工作的小电磁铁产生的总磁力；装置中，以上参数只有电流I和工作的电磁铁个数n为可变量；

S2、根据预期模拟的断索工况，例如拉索截面形状是否为圆形或其它形状，调整控制器分别控制各个小电磁铁是否通电工作以形成不同的截面受力区，模拟实际拉索截面形状及其可能存在的截面初始缺陷。

进一步的，还可以包括步骤S3；

S3、再分别调整控制器控制工作的小电磁铁的通电时长，令每个小电磁铁从指定的时间点退出工作，由于这个时间点是设定的，所以截面的几何破坏模式是可控的；

调整控制器控制小电磁铁在一定通电时长内的电流是否衰减及电流衰减顺序来模拟拉索可能的索力失效路径；这个失效路径是线性的或是非线性的，是瞬间的或发生在拉索截面破坏全过程；

对于线性失效路径，其中各部分电磁铁工作时间t₀，t₁，t₂，…，t_n-1，t_n，与退出顺序情况用下列函数表示：t₀≤x₁≤t₁，

……

上式中，t₀＝0，y_i为第i个部分工作函数，i＝1，2，3，…，N-1，N，N₀为单个电磁铁的磁力设计值。

进一步的，还可以包括步骤S4；

S4、综上，可分别调整控制器控制小电磁铁是否通电、通电时长以及在一定通电时长内的电流衰减函数和电流衰减顺序四个参数来模拟不同的断索工况。

本发明的有益效果为：能实现以下四项功能及随机组合：功能一，该装置能模拟不同截面的拉索；功能二，该装置能模拟具有不同初始缺陷的拉索截面；功能三，该装置能模拟拉索索力的不同失效路径；功能四，该装置能模拟拉索截面的几何破坏过程；除此之外，以上四个功能可以进行随机组合，实现更多断索工况的对比研究。综上，该试验装置具有多功能及符合实际工况等优点，可广泛应用于预应力钢结构的试验研究。

附图说明

下面结合附图对实施例进行描述。

图1为本发明的结构剖面示意图；

图2为本发明电磁铁段的内部结构示意图；

图3为本发明电磁铁段的外部结构示意图；

图4为本发明电磁铁段模拟不同拉索截面的示意图；

图5为本发明电磁铁段模拟截面初始缺陷的示意图；

图6为本发明模拟索力不同失效路径函数示意图；

图7为本发明模拟截面几何破坏时电磁铁区域的划分示意图；

图8为本发明模拟截面几何破坏时电磁铁电流的衰减示意图；

图9为本发明模拟截面的几何破坏过程的示意图；

图10为本发明多功能断索模拟方法的流程图；

图11为本发明多功能断索的实现方法示意图。

图12为本发明电磁铁段的工作原理图

附图中数字含义如下：1-拉索、2a-第一单孔夹片锚具、2b-第二单孔夹片锚具、3-锚具耳板、4-套筒耳板、5-螺栓、6a-第一套筒、6b-第二套筒、7-定位盖板、8-蜂窝盖板、9-小型电磁铁组、10-控制器、11-直流电源、12-小型电磁铁、13-永磁铁、41-未工作小电磁铁、42-工作中的小电磁铁、43-模拟截面初始缺陷部位的小电磁铁。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。

如附图所示，一种多功能断索试验装置，包括拉索1、第一单孔夹片锚具2a、第二单孔夹片锚具2b、锚具耳板3、套筒耳板4、螺栓5、第一套筒6a、第二套筒6b、定位盖板7、蜂窝盖板8、小型电磁铁组9、直流电源11、控制器10、小型电磁铁12、永磁铁13，第一单孔夹片锚具和第二单孔夹片锚具用于分别固定截断的拉索的两端头，第一单孔夹片锚具2a和第二单孔夹片锚具2b分别固定连接第一套筒6a和第二套筒6b，第一套筒6a与第二套筒6b相对套接固定，所述第一套筒内靠近第二套筒的一侧固定设有永磁铁13，第二套筒内靠近第一套筒的一侧设有多个矩阵排列的小型电磁铁12，各小型电磁铁的导通与断开由控制器控制。

如附图1所示，该装置连接在预先断开的两段拉索之间，由永磁铁段和电磁铁段两部分组成，所述拉索1通过第一单孔夹片锚具2a、第二单孔夹片锚具2b、锚具耳板3、螺栓5与套筒耳板4连接。

如附图2所示，电磁铁段内置电磁铁装置，电磁铁装置由小型电磁铁组9、直流电源11和控制器10三部分组成，其中小型电磁铁组9由若干个小型电磁铁12按照设计的排列方式(可以是矩阵排列)组成不同截面；永磁体段则内置永磁铁13。

其中，第一套筒6a、第二套筒6b分别与定位盖板7和蜂窝盖板8封闭连接，定位盖板7的边缘处有凸起，用于电磁铁段和永磁铁段轴线对齐，蜂窝盖板8上的孔洞与小型电磁铁组9契合。

其中，第一套筒6a、第二套筒6b、定位盖板7、蜂窝盖板8皆采用不锈钢等不被磁化的金属材料，以防止金属磁化对试验试验造成干扰。

本申请中的控制器10包括FPGA(Field Programmable Gate Array)芯片和DAC(Distributed Autonomous Corporation)芯片(数模转换器的简称)，FPGA芯片负责编写电路作为开关，DAC是将并行二进制的数字量转换为直流电压或直流电流，用它控制输出电流，与FPGA相连，FPGA的输入控制DAC的输出，实现对小型电磁铁12电流的控制；该控制包括了对小型电磁铁12的通、断及通断时间。

控制器的控制工作原理如图12所示。

数模转换器，又称D/A转换器，简称DAC，它是把数字量转变成模拟的器件；D/A转换器基本上由4个部分组成，即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关，DAC主要由数字寄存器、模拟电子开关、位权网络、求和运算放大器和基准电压源(或恒流源)组成。

FPGA由逻辑单元、RAM、乘法器等硬件资源组成，通过将这些硬件资源合理组织，可实现乘法器、寄存器、地址发生器等硬件电路。

本申请的小型电磁铁结构与现有的电磁铁相同，仅仅是尺寸进行了小型化，根据需要的应力改变线圈匝数和铁芯大小，线圈可以采用紫铜，铁芯可以采用软铁。

本实施例中，一种多功能断索试验的断索模拟方法，所述的方法步骤如下：

S1、按照附图所示安装好试验装置，分为永磁铁段和电磁铁段两部分。其中须根据拉索可能承受应力的大小，选择合适的直流电源11和小型电磁铁12、永磁铁13。

参考电磁铁中电流与磁力的关系由下列方程表示：

F＝nF₀

式中，G_δ为工作磁通，μ₀为导磁率，d_c为小电磁铁的直径，δ为气隙长度，为磁极端面磁通，I为电流大小，W为线圈匝数，S为铁芯截面，F₀为单个小电磁铁产生的磁力，n为工作中的小电磁铁的数目，F为工作的小电磁铁产生的总磁力；装置中，以上参数只有电流I和工作的电磁铁个数n为可变量。

S2、根据预期模拟的断索工况，例如拉索截面形状是否为圆形或其他形状，调整控制器10分别控制各个小型电磁铁12是否通电工作以形成不同的截面受力区，模拟实际拉索截面形状及其可能存在的截面初始缺陷。

S3、再分别调整控制器10控制工作的小型电磁铁12的通电时长，令每个小型电磁铁12从指定的时间点退出工作，由于这个时间点是设定的，所以截面的几何破坏模式是可控的。

还可以调整控制器10控制小型电磁铁12在一定通电时长内的电流是否衰减及电流衰减顺序来模拟拉索可能的索力失效路径。这个失效路径可以是线性的也可以是非线性的，可以是瞬间的也可以发生在拉索截面破坏全过程。

对于线性失效路径，其中各部分电磁铁工作时间t₀，t₁，t₂，…，t_n-1，t_n，与退出顺序情况用下列函数表示：t₀≤x₁≤t₁，

……

上式中，t₀＝0，y_i为第i个部分工作函数，i＝1，2，3，…，n-1，n，N₀为单个电磁铁的磁力设计值。

S4、综上，可分别调整控制器10控制小型电磁铁12是否通电、通电时长以及在一定通电时长内的电流衰减函数和电流衰减顺序四个参数来模拟不同的断索工况。

本发明的有益效果为：能实现以下四项功能及随机组合：功能一，该装置能模拟不同截面的拉索；功能二，该装置能模拟具有不同初始缺陷的拉索截面；功能三，该装置能模拟拉索索力的不同失效路径；功能四，该装置能模拟拉索截面的几何破坏过程；除此之外，以上四个功能可以进行随机组合，实现更多断索工况的对比研究。综上，该试验装置具有多功能及符合实际工况等优点，可广泛应用于预应力钢结构的试验研究。

Claims (9)

1.一种多功能断索试验装置，其特征在于：包括中间截断的拉索、用于分别固定截断拉索两端头的第一单孔夹片锚具和第二单孔夹片锚具，第一单孔夹片锚具和第二单孔夹片锚具分别固定连接第一套筒和第二套筒，第一套筒与第二套筒相对套接固定，所述第一套筒内靠近第二套筒的一侧固定设有永磁铁，所述第二套筒内靠近第一套筒的一侧设有多个矩阵排列的小型电磁铁，各小型电磁铁的导通与断开由控制器控制；第一套筒、第二套筒分别与定位盖板和蜂窝盖板封闭连接。

2.根据权利要求1所述的多功能断索试验装置，其特征在于：所述第一套筒和第二套筒的外端头分别设有套筒耳板，所述第一单孔夹片锚具和第二单孔夹片锚具的端头设有锚具耳板，所述锚具耳板与套筒耳板通过螺栓固定连接。

3.根据权利要求1所述的多功能断索试验装置，其特征在于：所述第一套筒靠近第二套筒的一端设有与第二套筒端头套接固定的罩口。

4.根据权利要求1所述的多功能断索试验装置，其特征在于：所述各小型电磁铁由直流电源供电，其供电电路上具有控制通断的开关，该开关即由控制器控制。

5.根据权利要求1或4所述的多功能断索试验装置，其特征在于：所述控制器包括FPGA芯片和DAC芯片。

6.根据权利要求1所述的多功能断索试验装置，其特征在于：所述第一单孔夹片锚具、第二单孔夹片锚具、第一套筒和第二套筒均采用不锈钢材料，以防止金属磁化对试验试验造成干扰。

7.一种使用权利要求1所述多功能断索试验装置的断索模拟方法，其特征在于：所述的方法步骤如下：

S1、安装好多功能断索试验装置，分为永磁铁段和电磁铁段两部分，其中须根据拉索可能承受应力的大小，选择合适的为各小型电磁铁供电的直流电源和小电磁铁、永磁铁；参考电磁铁中电流与磁力的关系由下列方程表示：

F＝nF₀

式中，G_δ为工作磁通，μ₀为导磁率，d_c为小电磁铁的直径，δ为气隙长度，为磁极端面磁通，I为电流大小，W为线圈匝数，S为铁芯截面，F₀为单个小电磁铁产生的磁力，n为工作中的小电磁铁的数目，F为工作的小电磁铁产生的总磁力；装置中，以上参数只有电流I和工作的电磁铁个数n为可变量；

S2、根据预期模拟的断索工况，调整控制器分别控制各个小电磁铁是否通电工作以形成不同的截面受力区，模拟实际拉索截面形状及其可能存在的截面初始缺陷。

8.根据权利要求7所述多功能断索试验装置的断索模拟方法，其特征在于：还包括步骤S3；

S3、再分别调整控制器控制工作的小电磁铁的通电时长，令每个小电磁铁从指定的时间点退出工作，

调整控制器控制小电磁铁在一定通电时长内的电流是否衰减及电流衰减顺序来模拟拉索可能的索力失效路径；这个失效路径是线性的或是非线性的，是瞬间的或发生在拉索截面破坏全过程；

对于线性失效路径，其中各部分电磁铁工作时间t₀，t₁，t₂，…，t_n-1，t_n，与退出顺序情况用下列函数表示：

……

上式中，t₀＝0，y_i为第i个部分工作函数，i＝1，2，3，…，n-1，n，N₀为单个电磁铁的磁力设计值。

9.根据权利要求7所述多功能断索试验装置的断索模拟方法，其特征在于：还包括步骤S4；

S4、综上，可分别调整控制器控制小电磁铁是否通电、通电时长以及在一定通电时长内的电流衰减函数和电流衰减顺序四个参数来模拟不同的断索工况。