CN112903483A - 一种模拟爆炸荷载下梁板结构倒塌破坏的试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种模拟爆炸荷载下梁板结构倒塌破坏的试验装置及方法，装置包括塔架、悬空导轨、锤体、传感器、锤头以及锤体提升装置；所述悬空导轨与所述塔架固定连接，所述锤头固定连接在所述锤体的底端，所述传感器设置在所述锤体与所述锤头之间，所述锤体提升装置与所述锤体的顶端连接。本发明能够避免使用TNT等危化用品，安全可靠，更加方便实验操作与数据采集。

Description

一种模拟爆炸荷载下梁板结构倒塌破坏的试验装置及方法
技术领域
本发明涉及建筑结构抗爆炸连续倒塌试验的技术领域，更具体地，涉及一种模拟爆炸荷载下梁板结构倒塌破坏的试验装置及方法。
背景技术
近年来，恐怖爆炸成为威胁人们生命财产安全的主要来源之一。建筑的局部承重构件受损后，极易引起结构的整体坍塌破坏。因此，结构的倒塌破坏机理、爆炸荷载作用下结构的破坏模式以及动力响应成为许多学者关注的焦点。
目前研究结构抗倒塌性能的主流方法为拆除关键构件法，即通过快速移除关键承重构件，来判断剩余结构是否会发生倒塌破坏。而拆柱法无法考虑爆炸冲击荷载对结构的破坏程度，其结构的破坏模式与爆炸冲击波作用下结构的破坏模式有较大差别。因此通常采用野外爆炸试验的方法来较为准确的模拟爆炸作用下结构的真实破坏模式。而由于其对场地要求较高，审批手续繁琐，现场测量、记录较为困难等问题，野外爆炸试验一直没有被广泛的推广与采纳。
模型试验是实验室中模拟建筑结构倒塌机制的常用实验方法。在不使用炸药的前提下，如何能够通过冲击加载装置，准确模拟在承重构件失效后，不同强度的爆炸冲击波引起的剩余子结构的动力响应与破坏模式，成为了急需解决的问题。
因此，现有技术亟需不通过爆炸手段的模拟爆炸过程的技术方案。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种模拟爆炸荷载下梁板结构倒塌破坏的试验装置及方法。
本发明的技术方案如下：
一种模拟爆炸荷载下梁板结构倒塌破坏的试验装置，包括塔架、悬空导轨、锤体、传感器、锤头以及锤体提升装置；所述悬空导轨与所述塔架固定连接，所述锤头固定连接在所述锤体的底端，所述传感器设置在所述锤体与所述锤头之间，所述锤体提升装置与所述锤体的顶端连接。
所述锤体提升装置包括定滑轮、钢丝绳、提升电机和吊钩，所述钢丝绳绕过所述定滑轮，且所述钢丝绳的两端分别与所述提升电机和所述吊钩固定连接，所述吊钩勾住所述锤体。
所述定滑轮与所述塔架固定连接。
还包括预埋垫板、冲击垫板和缓冲块体，所述预埋垫板设置在试验用的子结构试件上部，所述缓冲块体设置在所述预埋垫板上部，所述冲击垫板设置在缓冲块体上部。
所述悬空导轨垂直设置于试验用的子结构试件上方，所述锤头位于子结构试件的失效节点上方。
一种模拟爆炸荷载下梁板结构倒塌破坏的试验方法，包括以下步骤：
S1：将子结构试件安装至冲击试验台上，确保子结构试件的失效节点截面形心与锤头的截面形心竖向对准，保证冲击力作用在子结构试件的轴心位置；
S2：将不带砝码的锤体略微提升一定高度，进行试冲击试验，确保测量仪表与数采系统的完好，此过程确保子结构试件处于弹性变形阶段；
S3：确定冲击参数；
S4：将缓冲块体安装在子结构试件的冲击面处，并利用锤体提升装置将锤体提升到指定高度；
S5：释放锤体，传感器同步采集子结构试件的受力、位移和应变数据，同时，通过高速摄像捕捉子结构试件的破坏模式。
冲击参数包括锤体的质量m，冲击速度v以及缓冲块体厚度d。
缓冲块体的长与宽与子结构试件的冲击面尺寸相同，缓冲块体的厚度d根据锤体的质量m、冲击力峰值P和冲击持时t来计算得到；步骤S4中，确定锤体的质量m后，在锤体上增加相应质量的砝码，使锤体达到确定后的质量。
缓冲块体的厚度d的计算方法如下：
Figure BDA0002970853990000021
其中，A、B、C、D、E、F、G为与质量有关的函数，表达式如下：
Figure BDA0002970853990000031
其中，d单位为mm，m单位为kg，v单位为m/s，P单位为kN，t单位为ms，试验前，通过数值模拟在一定TNT当量的条件下，对结构产生的冲击力时程曲线，确定冲击力峰值P与冲击持时t，根据确定的锤体的质量m，带入方程组(I)和(II)，解出相应的v与d，即计算出相应的冲击速度v和缓冲块体的厚度d。
通过对子结构试件设置侧向约束模拟真实的子结构边界条件。
本发明相比现有技术的有益效果是：
1.通过调整缓冲块体厚度、锤体质量与冲击速度，可以灵活调整冲击力时程曲线，从而模拟多种比例距离下承重柱的拉膜效应对结构的破坏模式。
2.根据经验公式可以快速确定冲击参数，节省试验前的准备时间。
3.通过在失效柱节点上方增设缓冲块体，可以保护锤体，延长冲击设备的使用寿命。
4.避免使用TNT等危化用品，安全可靠，更加方便实验操作与数据采集。
附图说明
图1是模拟爆炸荷载下失效柱节点处拉膜力的试验装置图.
图2是图1中A处的局部放大图。
图3是模拟爆炸荷载下失效柱节点处拉膜力动力响应的受力原理图。
附图标记：1、子结构试件，2、悬空导轨，3、锤体，4、传感器，5、锤头，6、预埋垫板，7、缓冲块体，8、塔架，9、试验台，10、定滑轮，11、钢丝绳，12、吊钩，13、提升电机，14、冲击垫板。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行说明。
如图1-3所示的模拟爆炸荷载下梁板结构倒塌破坏的试验装置，包括塔架8、悬空导轨2、锤体3、传感器4、锤头5和锤体提升装置，以及预埋垫板6、缓冲块体7和冲击垫板14，其中，预埋垫板6和冲击垫板14均为钢板，缓冲块体7采用橡胶制成。预埋垫板6设置在试验用的子结构试件1上部，缓冲块体7设置在预埋垫板6上部，冲击垫板14设置在缓冲块体7上部。悬空导轨2与塔架8固定连接，锤头5固定连接在锤体3的底端，传感器4设置在锤体3与锤头5之间，锤体提升装置与锤体3的顶端连接。悬空导轨2垂直设置于试验用的子结构试件1上方，锤头5位于子结构试件1的失效节点上方。
锤体提升装置包括定滑轮10、钢丝绳11、提升电机13和吊钩12，钢丝绳11绕过定滑轮10，且钢丝绳11的两端分别与提升电机13和吊钩12固定连接，吊钩12勾住锤体3。定滑轮10与塔架8固定连接。
一种模拟爆炸荷载下梁板结构倒塌破坏的试验方法，包括以下步骤：
S1：将子结构试件1安装至试验台9上，确保子结构试件1的失效节点截面形心与锤头5的截面形心竖向对准，保证冲击力作用在子结构试件1的轴心位置；通过对子结构试件1设置侧向约束模拟真实的子结构边界条件，更具体地，如图1和图3所示，子结构试件1的两端通过垂直的刚性立柱固定在试验台9上。
S2：将不带砝码的锤体3略微提升一定高度，进行试冲击试验，确保测量仪表与数采系统的完好，此过程确保子结构试件1处于弹性变形阶段。
S3：确定冲击参数。
S4：在子结构试件1的冲击面处安装好预埋垫板6，将缓冲块体7安装在子结构试件1的冲击面处，并位于预埋垫板6上方，再将冲击垫板14安装在缓冲块体7上方，并利用锤体提升装置将锤体3提升到指定高度。
具体地，冲击参数包括锤体3的冲击质量m，冲击速度v以及缓冲块体厚度d。根据需求确定锤体3的质量，缓冲块体7的参数根据经验公式得到，更具体地，缓冲块体7的长与宽与子结构试件1的冲击面尺寸相同，缓冲块体7的厚度d根据锤体3的质量m、冲击力峰值P和冲击持时t来计算得到，冲击持时t即冲击持续的时长。缓冲块体7的厚度d的计算方法如下：
Figure BDA0002970853990000041
其中，A、B、C、D、E、F、G为与质量有关的函数，表达式如下：
Figure BDA0002970853990000051
其中，d单位为mm，m单位为kg，v单位为m/s，P单位为kN，t单位为ms，试验前，通过数值模拟在一定TNT当量的条件下，对结构产生的冲击力时程曲线，确定冲击力峰值P与冲击持时t，根据确定的锤体3的质量m，带入方程组(I)和(II)，解出相应的v与d，即计算出相应的冲击速度v和缓冲块体7的厚度d。预埋垫板6和冲击垫板14的厚度不做要求，冲击垫板14的长和宽都略大于缓冲块体7即可。
S5：释放锤体3，传感器4同步采集子结构试件1的受力、位移和应变数据，同时，通过高速摄像捕捉子结构试件1的破坏模式。
更具体地，步骤S2中，冲击参数的经验公式根据若干冲击工况下的数值模拟结果拟合而成，锤体3的质量m即为冲击质量，本实施例中，冲击质量选取600kg、800kg、1000kg，冲击速度选取5m/s、6.5m/s、8m/s、10m/s、12.5m/s、15m/s，缓冲块体7厚度选取25m、30mm、40mm、50mm、60mm、75mm，将三组参数分别组合进行数值计算，提取其冲击力峰值与持时计算结果，绘制样本点分布图，进行数值拟合，得到冲击力时程曲线。
本发明通过增厚缓冲块体7的厚度，可以显著降低冲击力峰值P，增加持时t；增加冲击速度可以增加冲击力峰值P，减少持时t；增加可以冲击质量，增加冲击力峰值P，增加持时t。通过调整冲击参数，可以模拟出多种TNT当量下结构的动态响应与破坏模式。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种模拟爆炸荷载下梁板结构倒塌破坏的试验装置，其特征是，包括塔架(8)、悬空导轨(2)、锤体(3)、传感器(4)、锤头(5)以及锤体提升装置；所述悬空导轨(2)与所述塔架(8)固定连接，所述锤头(5)固定连接在所述锤体(3)的底端，所述传感器(4)设置在所述锤体(3)与所述锤头(5)之间，所述锤体提升装置与所述锤体(3)的顶端连接。
2.根据权利要求1所述的模拟爆炸荷载下梁板结构倒塌破坏的试验装置，其特征是，所述锤体提升装置包括定滑轮(10)、钢丝绳(11)、提升电机(13)和吊钩(12)，所述钢丝绳(11)绕过所述定滑轮(10)，且所述钢丝绳(11)的两端分别与所述提升电机(13)和所述吊钩(12)固定连接，所述吊钩(12)勾住所述锤体(3)。
3.根据权利要求2所述的模拟爆炸荷载下梁板结构倒塌破坏的试验装置，其特征是，所述定滑轮(10)与所述塔架(8)固定连接。
4.根据权利要求1所述的模拟爆炸荷载下梁板结构倒塌破坏的试验装置，其特征是，还包括预埋垫板(6)、缓冲块体(7)和冲击垫板(14)，所述预埋垫板(6)设置在试验用的子结构试件(1)上部，所述缓冲块体(7)设置在所述预埋垫板(6)上部，所述冲击垫板(14)设置在所述缓冲块体(7)上部。
5.根据权利要求1所述的模拟爆炸荷载下梁板结构倒塌破坏的试验装置，其特征是，所述悬空导轨(2)垂直设置于试验用的子结构试件(1)上方，所述锤头(5)位于子结构试件(1)的失效节点上方。
6.一种模拟爆炸荷载下梁板结构倒塌破坏的试验方法，其特征是，包括以下步骤：
S1：将子结构试件(1)安装至试验台(9)上，确保子结构试件(1)的失效节点截面形心与锤头(5)的截面形心竖向对准，保证冲击力作用在子结构试件(1)的轴心位置；
S2：将不带砝码的锤体(3)略微提升一定高度，进行试冲击试验，确保测量仪表与数采系统的完好，此过程确保子结构试件(1)处于弹性变形阶段；
S3：确定冲击参数；
S4：将缓冲块体(7)安装在子结构试件(1)的冲击面处，并利用锤体提升装置将锤体(3)提升到指定高度；
S5：释放锤体(3)，传感器(4)同步采集子结构试件(1)的受力、位移和应变数据，同时，通过高速摄像捕捉子结构试件(1)的破坏模式。
7.根据权利要求6所述的模拟爆炸荷载下梁板结构倒塌破坏的试验方法，其特征是，冲击参数包括锤体(3)的质量m，冲击速度v以及缓冲块体厚度d。
8.根据权利要求7所述的模拟爆炸荷载下梁板结构倒塌破坏的试验方法，其特征是，缓冲块体(7)的长与宽与子结构试件(1)的冲击面尺寸相同，缓冲块体(7)的厚度d根据锤体(3)的质量m、冲击力峰值P和冲击持时t来计算得到；步骤S4中，确定锤体(3)的质量m后，在锤体(3)上增加相应质量的砝码，使锤体(3)达到确定后的质量。
9.根据权利要求8所述的模拟爆炸荷载下梁板结构倒塌破坏的试验方法，其特征是，缓冲块体(7)的厚度d的计算方法如下：
Figure FDA0002970853980000021
其中，A、B、C、D、E、F、G为与质量有关的函数，表达式如下：
Figure FDA0002970853980000022
其中，d单位为mm，m单位为kg，v单位为m/s，P单位为kN，t单位为ms，试验前，通过数值模拟在一定TNT当量的条件下，对结构产生的冲击力时程曲线，确定冲击力峰值P与冲击持时t，根据确定的锤体(3)的质量m，带入方程组(I)和(II)，解出相应的v与d，即计算出相应的冲击速度v和缓冲块体(7)的厚度d。
10.根据权利要求6所述的模拟爆炸荷载下梁板结构倒塌破坏的试验方法，其特征是，步骤S1还包括：通过对子结构试件(1)设置侧向约束模拟真实的子结构边界条件。
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