CN111189604A - 一种建筑模型加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种建筑模型加载装置，该装置包括高层建筑模拟结构组、飞行器模拟结构组和安装座，所述高层建筑模拟结构组包括底板、多层建筑模型，所述飞行器模拟结构组包括摆锤架、摆锤。本发明装置是针对实际生活中超高层建筑可能遭遇飞行器撞击的事件，以及高校建筑结构研究的普适性需要而提出。本发明装置可用于实施建筑模型遭遇飞行器撞击的加载测试，特别是用于本科教学，作为高层建筑模型设计时对飞行器撞击的防御性方面的研究用工具。该装置结构简单、方便操作，可充分发挥学生动手能力，同时易于搬运，方便开展实验。

Description

一种建筑模型加载装置

技术领域

本发明属于土木工程领域，具体涉及一种实施高层建筑模型遭受飞行器偶然撞击作用的加载装置。

背景技术

随着城市建设规模不断扩大，超高层建筑的数量也不断增多，出现超高层建筑遭遇飞行器撞击事件的概率也相应增加。若因飞行器撞击而导致超高层建筑倒塌，则其后果极其严重，因此设计重要的超高层建筑时，将飞行器撞击的偶然作用以及如何防御考虑在内显得尤为重要。

模型可以看作是真实结构的缩小版，结构模型设计与实际工程设计有着紧密的联系，当建造一种新颖结构，理论分析不是十分完善时，制作一个缩小版的模型并研究其力学性能就显得十分必要。开展结构类模型实验研究对于土建类专业人才培养、学科发展、教学改革均能起到促进作用。关于实施超高层建筑模型遭受飞行器偶然撞击作用的实验装置或相关研究，现有技术还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种建筑模型加载装置，用于实施高层建筑模型遭受飞行器偶然撞击作用，特别是用于本科教学，作为高层建筑模型设计时对飞行器撞击的防御性方面的研究用工具。

本发明针对实际生活中超高层建筑可能遭遇飞行器撞击的事件，以及高校建筑结构研究的普适性需要，设计出了一套可以实施建筑模型遭遇飞行器撞击的加载测试装置。该装置结构简单、方便操作，可充分发挥学生动手能力，同时易于搬运，方便开展超高层建筑模型加载实验。

本发明提供的实施高层建筑模型遭受飞行器偶然撞击作用的加载装置，包括高层建筑模拟结构组、飞行器模拟结构组和安装座，所述高层建筑模拟结构组包括底板、多层建筑模型，所述飞行器模拟结构组包括摆锤架、摆锤；

所述多层建筑模型由四根立柱、屋盖、若干楼层片和底板构成，四根立柱阵列式地固定在底板上，围成方形柱模拟建筑外形，所述屋盖安装在方形柱顶部，若干楼层片沿高程等间距水平安装于方形柱内部空间并固定于立柱上；所述安装座由用于加强底座与地面的固定的压条、用于限制建筑模型在遭受撞击过程中底板发生转动或位移的压重块，和安装板构成；所述压条跨越建筑模型的底板，两端固定在安装板上，将多层建筑模型在安装座上固定。

进一步地，所述摆锤由摆球和摆索构成，摆球通过摆索悬挂在摆锤框架顶部设置的第一横梁上，与第一横梁间隔一定水平距离设置有第二横梁，所述水平距离为摆索长度，摆锤在摆下前通过吊绳悬挂第二横梁上使整个锤摆保持水平，两根横梁与建筑模型的相对位置满足摆锤下落后摆球施加给建筑模型水平撞击力，也即，摆锤下落摆动的角度为90°。

进一步地，所述摆锤配套设置有转轴和套筒，所述第一横梁上间隔一定距离设置有两块竖板，板上对称开设有转轴过孔，转轴两端穿过转轴过孔固定在两竖板之间，所述套管套在转轴上，套管与转轴的大小满足保持套筒与转轴之间的相对滑动和转动，所述摆索固定连接在套筒上。

进一步地，所述转轴上，位于套筒两端设置有用于限制套筒在转轴上滑移的限位器。

更进一步地，所述限位器为与转轴直径大小匹配的开口圆环，圆环上设置有高于套筒直径的限位凸起，圆环开口两端设置有对称的锁紧凸缘，圆环套入转轴后通过铁丝或弹簧夹将锁紧凸缘锁扣合拢实现限位器在转轴上的固定，从而限制套筒的滑移。

优选的，为增加固定的稳定性，可在限位器与套筒之间设置垫片。

优选的，所述限位器可采用钢丝一体弯制而成。

进一步地，所述第一横梁上的两块竖板上的转轴过孔为竖向的椭圆形长孔，转轴过孔两侧分别设置一个竖向的椭圆形螺孔，两个螺孔与转轴过孔位于同一直线；两块竖板外侧分别设有两块安装垫板，安装垫板上开设有与竖板上的三个椭圆形孔一一对应的圆形转轴过孔和两个圆形螺孔，所述转轴两端依次穿过竖板和安装垫板上的转轴过孔，通过调整转轴在椭圆形长孔中的上下位置调节转轴的安装高度，然后通过螺钉穿过竖板和安装垫板上的螺孔将安装垫板与竖板固定在一起实现转轴的固定安装。

进一步地，所述摆锤的摆索为两根钢索，所述摆锤为钢球，摆索两端对称连接在钢球和套筒外壁上。

进一步地，所述摆锤架为横杆和竖杆搭建的对称框架结构，所述第一横梁和第二横梁垂直于摆锤的摆动面。

进一步地，所述安装座配套设置有地面或桌面保护层，优选为胶合板，用来防止加载倒塌时重物损伤到地面或桌面；胶合板中按照安装座尺寸和摆锤支架的尺寸挖空从而预留出与桌面或地面的直接固定位置，安装座与胶合板间的缝隙用中砂填平。

进一步地，所述压重块放置在安装板上，并与建筑模型遭遇撞击后倾倒一侧的相对侧。

进一步地，所述建筑模型配套设置有若干配重块，用以施加活载荷。

进一步地，所述摆锤框架柱脚固定在地面或桌面上，或通过堆放砂袋防止支架在摆锤摆动过程中发生位移。

在本发明的上述技术方案中，所述摆锤架可使用钢管或钢板焊接制作，所述建筑模型，安装座、压条等可采用钢材制作，压重块和配重块选用铁块。所述摆锤配套根据重量大小设置多个，以便可以更换摆锤，施加不同级别的水平撞击作用。如可设置直径分别为63mm、80mm、90mm和100mm的4个钢球，所述摆索可选用两根直径6mm的钢筋。

在本发明的上述技术方案中，高层建筑模型的结构并不唯一，可以根据需要考察的模型结构形式进行改变，制作出所需考察的多层建筑模型，安装于本发明所述加载装置中进行遭受飞行器偶然撞击作用的测试。也可以同时制作多种不同结构形式的模型，在测试过程中，可通过更换不同的待测多层建筑模型，考察不同模型结构抵御飞行器偶然撞击作用的能力，从而选择合理的结构，用以指导实际高层建筑模型的设计。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种模拟高层建筑模型遭受飞行器偶然撞击作用的加载装置，用以实施超高层框架结构模型受到飞行器的偶然撞击作用，作为超高层建筑设计中遭受飞行器撞击后的力学方面的研究工具，也可以作为教学研究辅助器材使用。本发明装置可用于大学土木类结构设计课程的教学和实验装置，可以利用该装置丰富该类课程课堂实践环节。在教学过程中，可以组织学生对超高层建筑模型进行自主设计并动手制作模型，然后考察所制作的模型抵御飞行器偶然撞击作用的能力，从而指导学生设计和帮助实践。

2、本发明所述装置作为高层建筑模型设计研究中遭受飞行器撞击方面研究的教学用具，模型安装到实施荷载，可实现全程手动操作，可以极大地增强学生的动手能力及实践课堂的趣味性。比如，通过几根压条和螺栓来固定模型底板，通过手动加铁块的方式施加竖向活荷载，通过剪断吊绳使得摆锤自由下落撞击模型来模拟飞行器的偶然撞击作用。

3、本发明装置采用框架形式，在操作过程中为四面全开放状态，方便于观众全程观摩。

附图说明

图1为为加载装置正面示意图；

图2为加载装置侧面示意图。

图3为竖板和安装垫板示意图。

图4为限位器结构示意图(a)和在转轴上的安装示意图。

图5为建筑模型的底板子啊安装座上的安装示意图以及压重块位置示意图。

图6为为加载装置加载示意图。

图中，1-底板，2-建筑模型，3-摆锤架，3-1-第一横梁，3-2-第二横梁，3-3竖板，3-4-安装垫板，4-摆锤，4-1-转轴，4-2套筒，5-限位器，5-1-垫片，6-压条，7-压重块，8-安装座，9-配重铁块，10-吊绳。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明所述加载装置作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。

实施例1

本实施例所述实施高层建筑模型遭受飞行器偶然撞击作用的加载装置，结构由高层建筑模拟结构组、飞行器模拟结构组和安装座组成，所述高层建筑模拟结构组包括底板1、多层建筑模型2，所述飞行器模拟结构组包括摆锤架3、摆锤4、限位器5；

所述多层建筑模型由四根立柱、屋盖、若干楼层片和底板构成，四根立柱阵列式地固定在底板上，围成方形柱模拟建筑外形，所述屋盖安装在方形柱顶部，若干楼层片沿高程等间距水平安装于方形柱内部空间并固定于立柱上；所述安装座由用于加强底座与地面的固定的压条6、用于限制建筑模型在遭受撞击过程中底板发生转动或位移的压重块7和安装座8构成；所述压条为三根，平行跨越和覆盖住建筑模型的底板，两端固定在安装板上，从而将多层建筑模型在安装座上固定。所述压重块放置在安装板上，并与建筑模型遭遇撞击后倾倒一侧的相对侧。

所述摆锤由摆球和摆索构成，所述摆索为刚性的钢索，摆球为钢球，摆球通过摆索悬挂在第一横梁上3-1，与第一横梁间隔一定水平距离设置有第二横梁3-2，所述水平距离为摆索长度，摆锤在摆下前通过吊绳悬挂第二横梁上使整个锤摆保持水平，两根横梁与建筑模型的相对位置满足摆锤下落后摆球施加给建筑模型水平撞击力，也即，摆锤下落摆动的角度为90°。所述摆锤配套设置有转轴4-1和套筒4-2，所述第一横梁上间隔一定距离设置有两块竖板3-3，两块竖板上的设置有竖向的椭圆形长孔形式的转轴过孔，转轴过孔两侧分别设置一个竖向的椭圆形螺孔，两个螺孔与转轴过孔位于同一直线；两块竖板外侧分别设有两块安装垫板3-4，安装垫板上开设有与竖板上的三个椭圆形孔一一对应的圆形转轴过孔和两个圆形螺孔，所述转轴两端依次穿过竖板和安装垫板上的转轴过孔，通过调整转轴在椭圆形长孔中的上下位置调节转轴的安装高度，然后通过螺钉穿过竖板和安装垫板上的螺孔将安装垫板与竖板固定在一起实现转轴的固定安装。所述套管套在转轴上，套筒与转轴的大小满足保持套筒与转轴之间的相对滑动和转动。所述摆索为两根，上端分别沿套筒轴向焊接在套筒上，下端分别与摆球焊接，两根摆索对称设置。且套筒的长度小于转轴的长度，从而可以在转轴上水平移动套筒，改变摆锤的与多层建筑模型的相对位置，从而改变撞击位置。转轴上位于套筒两端设置有用于限制套筒在转轴上的位置的限位器5。所述限位器为与转轴直径大小匹配的采用钢丝一体弯制成而成的开口圆环，圆环上一体弯制有高于套筒直径的限位凸起，圆环开口两端设置有对称的锁紧凸缘，圆环套入转轴后通过铁丝或弹簧夹将锁紧凸缘锁扣合拢实现限位器在转轴上的固定，从而限制套筒的滑移。为增加固定的稳定性，可在限位器与套筒之间设置垫片5-1。

所述摆锤架为横杆和竖杆搭建的对称框架结构，所述第一横梁和第二横梁垂直于摆锤的摆动面。摆锤框架柱脚固定在地面或桌面上，或通过堆放砂袋防止支架发在摆锤摆动过程中发生位移。摆锤架使用钢管或钢板焊接制作，由4根柱子、底部2根横梁、顶面5根横梁组成，柱子和梁为薄壁方钢管。各连接节点采用构造焊缝满焊连接，放置于地面时其外形为方形；第一横梁距离两端处焊接竖向钢板。

所述安装座配套设置有地面或桌面保护层，优选为胶合板，用来防止加载倒塌时重物损伤到地面或桌面；胶合板中部按照安装座尺寸挖空，使得安装座能够放置其中，安装座与胶合板间的缝隙用中砂填平。

所述建筑模型配套设置有若干配重块，用以施加活载荷。

本实施例中，所述建筑模型，安装座(钢板)、压条等可采用钢材制作，压重块和配重块选用铁块。所述摆锤配套根据重量大小设置多个，以便可以更换摆锤，施加不同级别的水平撞击作用，具体设置直径分别为63mm、80mm、90mm和100mm的4个钢球，所述摆索为两根直径6mm的钢筋。

在本科教学中，采用本实施例所述装置进行模拟高层建筑模型遭受飞行器偶然撞击作用的加载测试方法如下：

(1)模型安装。取下摆锤框架上的转轴，根据水平加载需要选择一定级别的钢球摆锤，将摆锤套筒套在转轴上，再将转轴安装回摆锤架上，使摆锤处于自然悬垂状态。将建筑模型置于安装钢板上，根据加载需要选择水平加载被撞点，调整模型和摆锤位置，使模型水平加载被撞点与钢球无位移接触。将钢球准心对准模型节点中心位置。通过拧紧螺栓固定模型底板压条，使模型在水平加载时，模型底板与安装座钢板间不产生水平和转角滑动，并安装摆锤及转轴限位器，限位器只能限制摆锤水平滑动，不会限制其转动。安装完毕后用吊绳将摆锤悬挂在第二横梁上。

(2)在建筑模模型上通过配重块施加竖向加载，竖向加载的配重铁块相当于活荷载，加载部位如图1所示。

(3)施加水平撞击作用。通过剪断吊绳使得摆锤自由下摆来撞击模型，从而模拟偶然撞击作用。

试验结果有利于对高层建筑模型结构进行合理选型，有利于提高学生的动手能力和创新思维能力。比如，学生在试验中能够直接观测到模型是否倒塌、节点是否损坏等现象，根据模型的受损程度定性判定模型抵御撞击的能力，同时根据模型破坏模式及破坏区域对模型设计加以改进。如果要定量判定模型抵御撞击的能力，通常综合考虑模型质量、竖向加载铁块数、水平撞击使用的钢球级别自行设计公式来加以计算，并在不同的结构之间加以比较。

Claims (10)

1.一种建筑模型加载装置，其特征在于，包括高层建筑模拟结构组、飞行器模拟结构组和安装座，所述高层建筑模拟结构组包括底板(1)、多层建筑模型(2)，所述飞行器模拟结构组包括摆锤框架(3)、摆锤(4)；

所述多层建筑模型由四根立柱、屋盖、若干楼层片和底板构成，四根立柱阵列式地固定在底板上，围成方形柱模拟建筑外形，所述屋盖安装在方形柱顶部，若干楼层片沿高程等间距水平安装于方形柱内部空间并固定于立柱上；所述安装座由用于加强底座与地面的固定的压条(6)、用于限制建筑模型在遭受撞击过程中底板发生转动或位移的压重块(7)，和安装座(8)构成；所述压条跨越建筑模型的底板，两端固定在安装板上，将多层建筑模型在安装座上固定。

2.根据权利要求1所述建筑模型加载装置，其特征在于，所述摆锤由摆球和摆索构成，摆球通过摆索悬挂在摆锤框架顶部设置的第一横梁上(3-1)，与第一横梁间隔一定水平距离设置有第二横梁(3-2)，所述水平距离为摆索长度，摆锤在摆下前通过吊绳悬挂第二横梁上使整个锤摆保持水平，两根横梁与建筑模型的相对位置满足摆锤下落后摆球施加给建筑模型水平撞击力。

3.根据权利要求2所述建筑模型加载装置，其特征在于，所述摆锤配套设置有转轴(4-1)和套筒(4-2)，所述第一横梁上间隔一定距离设置有两块竖板(3-3)，板上对称开设有转轴过孔，转轴两端穿过转轴过孔固定在两竖板之间，所述套管套在转轴上，套装与转轴的大小满足保持套筒与转轴之间的相对滑动和转动，所述摆索固定连接在套筒上。

4.根据权利要求3所述建筑模型加载装置，其特征在于，所述转轴上，位于套筒两端设置有用于限制套筒在转轴上的位置的限位器(5-1)。

5.根据权利要求4所述建筑模型加载装置，其特征在于，所述限位器为与转轴直径大小匹配的开口圆环，圆环上设置有高于套筒直径的限位凸起，圆环开口两端设置有对称的锁紧凸缘，圆环套入转轴后通过铁丝或弹簧夹将锁紧凸缘锁扣合拢实现限位器在转轴上的固定，从而限制套筒的滑移。

6.根据权利要求5所述建筑模型加载装置，其特征在于，在限位器与套筒之间设置垫片。

7.根据权利要求3所述建筑模型加载装置，其特征在于，所述第一横梁上的两块竖板上的转轴过孔为竖向的椭圆形长孔，转轴过孔两侧分别设置一个竖向的椭圆形螺孔，两个螺孔与转轴过孔位于同一直线；两块竖板外侧分别设有两块安装垫板，安装垫板上开设有与竖板上的三个椭圆形孔一一对应的圆形转轴过孔和两个圆形螺孔，所述转轴两端依次穿过竖板和安装垫板上的转轴过孔，通过调整转轴在椭圆形长孔中的上下位置调节转轴的安装高度，然后通过螺钉穿过竖板和安装垫板上的螺孔将安装垫板与竖板固定在一起实现转轴的固定安装。

8.根据权利要求2-7中任一权利要求所述建筑模型加载装置，其特征在于，所述摆锤的摆索为两根钢索，所述摆锤为钢球，摆索两端对称连接在钢球和套筒外壁上。

9.根据权利要求2-7中任一权利要求所述建筑模型加载装置，其特征在于，所述摆锤架为横杆和竖杆搭建的对称框架结构，所述第一横梁和第二横梁垂直于摆锤的摆动面。

10.根据权利要求2-7中任一权利要求所述一种建筑模型加载装置，其特征在于，所述压重块放置在安装板上，并与建筑模型遭遇撞击后倾倒一侧的相对侧；所述建筑模型配套设置有若干配重块，用以施加活载荷；所述摆锤框架柱脚固定在地面或桌面上，或通过堆放砂袋防止支架发在摆锤摆动过程中发生位移。

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