CN111579268A

CN111579268A - 一种冰-水-墩柱相互作用试验装置

Info

Publication number: CN111579268A
Application number: CN202010520880.0A
Authority: CN
Inventors: 邱文亮; 彭容新; 姜萌; 姜涛; 吴甜宇
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2040-06-10
Also published as: CN111579268B

Abstract

本发明公开了一种冰‑水‑墩柱相互作用试验装置，包括水槽顶部两侧安装有对称设置的运动轨道，所述运动轨道上面滑动连接有水平运动支架，在水平运动支架前端设有前滑动梁，后端设有后滑动梁，所述前滑动梁、后滑动梁的两侧通过钢板连接有滚轮；所述水平运动支架一端固定有接头，所述接头通过内设的轴承与水平加载丝杆一端相连，另一端穿过反力梁与电机相连；试验墩柱下部伸入水槽的水及冰层中，所述试验墩柱顶部通过连接扣件与水平运动支架相连，在水平运动支架与试验墩柱中部之间设有压力传感器。本装置对各机械结构的操作要求较低，便于观测冰层的断裂和破碎过程与墩柱的结构响应，为寒区桥梁的抗冰试验研究提供了一种简单有效的技术方案。

Description

一种冰-水-墩柱相互作用试验装置

技术领域

本发明属于桥梁、水利和寒区工程综合领域，具体涉及一种冰-水-墩柱相互作用试验装置。

背景技术

长久以来，我国北部地区的大量水库、海洋、河流、湖泊的水面在冬季易出现结冰并形成冰盖。冰层的变形与流冰的作用会造成其上的桥梁产生变形或损坏，威胁其安全。随着我国交通和水利事业的不断发展，交通网逐渐向高纬度与高海拔地区延展，高寒地区的桥梁越来越多。随之而来，寒区桥梁在冰荷载作用下出现大量的变形与局部损坏，可能造成生命财产的巨大损失和不利的社会影响。故对寒区水工建筑进行抗冰性能评估与抗冰设计已成为寒区水工建设的重大需求，而抗冰评估与抗冰设计的关键是如何开展寒冷环境下冰-水-墩柱相互作用的试验研究。若直接在实际工程上进行实验研究，则耗费耗时巨大。

现目前实验室研究低温环境下冰-水-墩柱相互作用的试验装置仍然很少，仅存的大多为大型试验装置，其建设与试验的成本很高，难以广泛应用于现有实际工程中冰荷载试验的验证与桥梁的安全评估。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种冰-水-墩柱相互作用试验装置，其试验在小型水槽中进行，便于建设，制作成本较低，对低温环境实验室的场地和环境要求较低。且该装置易于操作，便于观察，为寒区桥梁的抗冰试验研究提供了一种简单有效的技术方案。

为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种冰-水-墩柱相互作用试验装置，包括水槽、水平运动支架、运动轨道、前滑动梁、后滑动梁、反力梁、水平加载丝杆、压力传感器、连接扣件、电机、激光测距仪；所述水槽顶部两侧安装有平行且对称设置的运动轨道，所述运动轨道上面滑动连接有水平运动支架，在水平运动支架前端设有前滑动梁，后端设有后滑动梁，所述前滑动梁、后滑动梁的两侧通过钢板连接有滚轮，该滚轮滚动连接于运动轨道的凹槽内；所述水平运动支架一端固定有接头，所述接头通过内设的轴承与水平加载丝杆一端相连，所述水平加载丝杆另一端穿过反力梁与电机相连，所述反力梁、电机均固定在水槽顶部的一端，所述水槽顶部的另一端设有激光测距仪；试验墩柱下部伸入水槽的水及冰层中，所述试验墩柱顶部通过连接扣件与水平运动支架相连，在水平运动支架与试验墩柱中部之间设有压力传感器。

进一步的，所述水平运动支架包括水平钢架，在水平钢架上固定有水平杆，所述水平杆一端上部设有竖杆，另一端上部与斜杆底部相连，所述斜杆顶部连接至竖杆顶部的后端，所述竖杆顶部的两侧分别与斜支撑杆顶部相连，所述斜支撑杆底部分别固定在水平钢架两侧。

进一步的，其中一个斜支撑杆上安装有支架，该支架上固定有摄像装置，所述摄像装置的摄像头对准试验墩柱与冰层的连接处。

进一步的，所述水平运动支架的水平杆、水平加载丝杆与压力传感器在同一轴线上。

进一步的，所述连接扣件包括U型架和铰轴，所述铰轴贯穿竖杆顶部与U型架端部连接，所述U型架套接于试验墩柱顶部。

更进一步的，所述铰轴上涂有润滑油，与竖杆顶部可转动连接。

更进一步的，所述激光测距仪对准试验墩柱宽度中心位置。

更进一步的，所述水槽中的水面距离水槽顶部90-110mm，试验墩柱下部位于水面下190-210mm。

作为更进一步的，所述的试验墩柱宽度或直径尺寸小于水槽短边长的五分之一。

作为更进一步的，所述电机采用无级变速电机以实现不同速度的水平加载，同时保证加载过程中无冲击作用。

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：试验在小型水槽中进行，便于建设，制作成本较低,对低温环境实验室的场地和环境要求较低；水平运动支架焊接成整体，结构简洁、易于制作，在水平加载下结构的稳定性较高，可以轻松应对不同加载速度下冰-水-墩柱相互作用的试验；水平运动支架上的摄像装置可实现试验墩柱与观测装置的同步运动，使观测更加平稳、准确，精度更高。

水平荷载由水平加载丝杆经水平运动支架的水平杆与压力传感器传递至试验墩柱，荷载传递过程简洁，减小了荷载传递过程中可能的偏差。电机带动水平加载丝杆进行加载的方式替代了传统作动器加载，避免了传统加载装置受寒冷温度影响启动困难、成本过高的弊端。

本装置对各机械结构的操作要求较低，便于观测冰层的断裂和破碎过程与墩柱的结构响应，为寒区桥梁的抗冰试验研究提供了一种简单有效的技术方案。

附图说明

图1是一种冰-水-墩柱相互作用试验装置的侧面示意图；

图2是一种冰-水-墩柱相互作用试验装置的平面示意图；

图3是一种冰-水-墩柱相互作用试验装置的正面示意图；

图4是一种冰-水-墩柱相互作用试验装置的总体装配示意图；

图5是一种冰-水-墩柱相互作用试验装置的冰荷载计算示意图。

图中序号说明：1、水槽，2、水平运动支架，3、运动轨道，4、前滑动梁，5、后滑动梁，6、反力梁，7、水平加载丝杆，8、压力传感器，9、冰层，10、试验墩柱,11、U型架，12、摄像装置，13、电机，14、接头，15、激光测距仪，16、水平杆，17、竖杆，18、斜杆，19、斜支撑杆，20水平钢架，21、铰轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：以此为例对本申请做进一步的描述说明。

实施例1

结合图1-5所示，介绍装置各器件及作用，水槽1提供试验环境。水平运动支架2与运动轨道3提供运动载体，前滑动梁4、后滑动梁5使运动更加平稳、规律。压力传感器8与激光测距仪15用于测试冰-墩柱的相互作用。两条运动轨道3平行安装在水槽1上，水平运动支架2水平放置安装在运动轨道3上，水平运动支架2两侧均设有前滑动梁4、后滑动梁5滑动梁，与前、后滑动梁相连的滚轮位于运动轨道3的凹槽内，水平运动支架2通过前滑动梁4、后滑动梁5支撑在运动轨道3上。反力梁6焊接固定在水槽1一端顶部，水平加载丝杆7穿过反力梁6中，由电机13带动水平加载丝杆7水平移动,电机13采用无级变速电机以实现不同加载速度的水平加载，同时保证加载过程中无冲击作用。

水平运动支架2由水平杆16、竖杆17、斜杆18、斜撑19、水平钢架20焊接成整体，各结构均采用钢材制作，并通过前滑动梁4、后滑动梁5支撑在运动轨道3上；水槽注水时水面距离水槽顶部约100mm，试验墩柱10下部位于水面下约200mm；试验墩固定于水平运动支架前端，试验墩柱10下部位于冰层9以下，试验墩柱10上端通过连接扣件固定于水平运动支架2的顶部，铰轴21通过涂润滑油后可自由转动；试验墩柱10尺寸需小于水槽1短边长的5倍，连接扣件根据试验墩柱10的形状与尺寸进行定制；试验墩柱10与水平运动支架2的水平杆之间设置一压力传感器8，通过杠杆原理计算得到冰层9与试验墩柱10相互作用时的冰荷载。激光测距仪15固定于水槽1上，在试验前，调整激光测距仪15水平对准试验墩柱10的中心。在试验时，利用激光测距仪15测试试验墩柱10的水平位移。

本发明的工作过程如下：

首先，根据试验需要安装试验墩柱，随后，在水槽1内注水，水面距离水槽1顶部约100mm。调整试验墩柱10高度，令其下部位于水面下约200mm，在某固定室温条件下，使水面结冰达到指定厚度。

加载前调整试验墩柱10垂直放置，激光测距仪15水平对准试验墩柱10的中心。并准确测量连接扣件的铰轴21轴心与冰层9间垂直距离L_OA及连接扣件的铰轴21轴心与压力传感器8间垂直距离L_OB。使用该装置进行加载试验时，利用压力传感器8测量试验墩柱10杠杆B处施加的荷载F，以试验墩柱10为杠杆，连接扣件的铰轴21处O点作为支点，试验墩柱10接触冰层的A处会产生一个水平的冰荷载P，根据杠杆原理，有以下公式：

其中，F为试验墩柱B点所施加的荷载，L_OA为连接扣件的铰轴21轴心与冰层9间的垂直距离，L_OB为连接扣件的铰轴21轴心与压力传感器8间的垂直距离。

在进行加载时，调节电机13并测试水平运动支架2的运动速度，以要求的运动速度进行水平加载，使试验墩柱10与冰层9发生挤压破坏。安装在试验墩柱10和水平运动支架2之间的压力传感器8测量冰-水-墩柱相互作用时的荷载F，根据杠杆原理计算得到冰-水-墩柱相互作用的冰荷载时程结果，利用激光测距仪15测试试验墩柱10的水平位移，得到冰-水-墩柱相互作用的冰荷载曲线，并记录冰-水-墩柱相互作用过程中冰层9与试验墩柱10的破坏形态。

通过改变试验墩柱截面形式、冰层厚度，可以实现试验墩柱与冰层的不同试验参数下冰-水-墩柱相互作用的试验工况。试验的水平加载可根据实际冰层的运动速度进行加载，可以真实地模拟试验墩柱与冰层的相互作用过程。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种冰-水-墩柱相互作用试验装置，其特征在于，包括水槽、水平运动支架、运动轨道、前滑动梁、后滑动梁、反力梁、水平加载丝杆、压力传感器、连接扣件、电机、激光测距仪；所述水槽顶部两侧安装有平行且对称设置的运动轨道，所述运动轨道上面滑动连接有水平运动支架，在水平运动支架前端设有前滑动梁，后端设有后滑动梁，所述前滑动梁、后滑动梁的两侧通过钢板连接有滚轮，该滚轮滚动连接于运动轨道的凹槽内；所述水平运动支架一端固定有接头，所述接头通过内设的轴承与水平加载丝杆一端相连，所述水平加载丝杆另一端穿过反力梁与电机相连，所述反力梁、电机均固定在水槽顶部的一端，所述水槽顶部的另一端设有激光测距仪；试验墩柱下部伸入水槽的水及冰层中，所述试验墩柱顶部通过连接扣件与水平运动支架相连，在水平运动支架与试验墩柱中部之间设有压力传感器。

2.根据权利要求1所述一种冰-水-墩柱相互作用试验装置，其特征在于，所述水平运动支架包括水平钢架，在水平钢架上固定有水平杆，所述水平杆一端上部设有竖杆，另一端上部与斜杆底部相连，所述斜杆顶部连接至竖杆顶部的后端，所述竖杆顶部的两侧分别与斜支撑杆顶部相连，所述斜支撑杆底部分别固定在水平钢架两侧。

3.根据权利要求2所述一种冰-水-墩柱相互作用试验装置，其特征在于，其中一个斜支撑杆上安装有支架，该支架上固定有摄像装置，所述摄像装置的摄像头对准试验墩柱与冰层的连接处。

4.根据权利要求2所述一种冰-水-墩柱相互作用试验装置，其特征在于，所述水平运动支架的水平杆、水平加载丝杆与压力传感器在同一轴线上。

5.根据权利要求2所述一种冰-水-墩柱相互作用试验装置，其特征在于，所述连接扣件包括U型架和铰轴，所述铰轴贯穿竖杆顶部与U型架端部连接，所述U型架套接于试验墩柱顶部。

6.根据权利要求5所述一种冰-水-墩柱相互作用试验装置，其特征在于，所述铰轴上涂有润滑油，与竖杆顶部可转动连接。

7.根据权利要求1所述一种冰-水-墩柱相互作用试验装置，其特征在于，所述激光测距仪对准试验墩柱宽度中心位置。

8.根据权利要求1所述一种冰-水-墩柱相互作用试验装置，其特征在于，所述水槽中的水面距离水槽顶部90-110mm，试验墩柱下部位于水面下190-210mm。

9.根据权利要求1所述一种冰-水-墩柱相互作用试验装置，其特征在于，所述的试验墩柱宽度或直径尺寸小于水槽短边长的五分之一。

10.根据权利要求1所述一种冰-水-墩柱相互作用试验装置，其特征在于，所述电机采用无级变速电机以实现不同速度的水平加载，同时保证加载过程中无冲击作用。