專利名稱：可用于混凝土塊體面面對(duì)心碰撞試驗(yàn)的方法、系統(tǒng)及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于土木工程領(lǐng)域，具體涉及一種適合于不同情況下，兩混凝土塊體面面
對(duì)心碰撞試驗(yàn)的方法、系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
混凝土結(jié)構(gòu)倒塌仿真分析中，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入大變形階段后，其部分構(gòu)件或構(gòu)件的一 部分可能脫離主體結(jié)構(gòu)而運(yùn)動(dòng)。脫離構(gòu)件或塊體運(yùn)動(dòng)過程中可能會(huì)發(fā)生碰撞，碰撞是倒塌 階段塊體間相互作用的主要方式。忽略碰撞問題直接的后果就是兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的塊體，如 果發(fā)生碰撞，也互不影響，而是"穿心而過"。然而，目前國內(nèi)外文獻(xiàn)中還沒有發(fā)現(xiàn)基于試驗(yàn) 提出合理的混凝土塊體碰撞模型。 在自然科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域，基于不同的研究目的，碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)一般包括試驗(yàn) 裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。目前已有的碰撞試驗(yàn)裝置基本包括三類垂直軌道裝置、單擺裝置和 水平軌道裝置。水平軌道裝置中，碰撞物體的原動(dòng)力必須借助外部力，需要一套較復(fù)雜的動(dòng) 力加載裝置。而且，為減小摩擦力而設(shè)計(jì)的特殊碰撞軌道費(fèi)用較高，不易實(shí)現(xiàn)。將普通的單 擺裝置應(yīng)用于混凝土塊體碰撞時(shí)，碰撞塊體在下擺過程中會(huì)出現(xiàn)"小擺"現(xiàn)象，使得預(yù)想的 碰撞形式(面面對(duì)心)難以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，已有的單擺和垂直軌道裝置中，都是將被碰撞物體 始終固定，這樣使得無法預(yù)知碰撞后被碰撞塊體的動(dòng)力響應(yīng)。此外，由于塊體實(shí)際碰撞方式 (面面對(duì)心)很難精確控制，以及塊體碰撞面的不平整等因素影響，加速度傳感器在塊體上 的埋置位置對(duì)數(shù)據(jù)采集與處理結(jié)果將造成很大干擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種試驗(yàn)的方法、系統(tǒng)，可用于混凝土塊體面面對(duì)心碰撞 試驗(yàn)研究。 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明的解決方案是 —種可用于混凝土塊體面面對(duì)心碰撞試驗(yàn)的方法。 采用改進(jìn)的單擺和垂直軌道試驗(yàn)裝置，不借助外部力，且可觀測被碰撞塊體碰撞 后的動(dòng)力響應(yīng)。 通過正確的傳感器埋置位置，在現(xiàn)有裝置基礎(chǔ)上，可使得試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)更為可靠。
實(shí)現(xiàn)上述方法的系統(tǒng)，包括單擺試驗(yàn)裝置，垂直軌道試驗(yàn)裝置，數(shù)據(jù)采集裝置。該 單擺試驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)兩混凝土塊體碰撞時(shí)沒有初始相對(duì)加速度；該垂直軌道試驗(yàn)裝置可實(shí) 現(xiàn)兩混凝土塊體碰撞時(shí)存在初始相對(duì)加速度。 該單擺試驗(yàn)裝置中，碰撞塊體和被碰撞塊體分別通過不同的擺桿或擺繩懸掛；在 兩塊體頂端設(shè)有帶縱橫軌道的懸掛鋼構(gòu)架；碰撞塊體的擺桿通過懸掛繩，外加剛度較大的 輕質(zhì)合金套管組成；通過手拉葫蘆調(diào)節(jié)碰撞塊體的初始擺起高度。依靠該結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)兩 混凝土塊體碰撞時(shí)沒有初始相對(duì)加速度。 該垂直軌道裝置中設(shè)有兩光圓鋼筋軌道作為碰撞塊體的下落軌道；被碰撞塊體下
3端設(shè)置四根支撐彈簧。依靠該結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)兩混凝土塊體碰撞時(shí)存在初始相對(duì)加速度。
在兩塊體正對(duì)于其碰撞面的側(cè)面固定一沖擊型加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括 沖擊型加速度傳感器和高頻數(shù)據(jù)采集儀。 上述方法/系統(tǒng)的應(yīng)用，包括質(zhì)量比變化碰撞試驗(yàn)、初始相對(duì)碰撞速度變化碰撞 試驗(yàn)、絕對(duì)質(zhì)量變化碰撞試驗(yàn)、有初始相對(duì)加速度碰撞試驗(yàn)、混凝土強(qiáng)度變化碰撞試驗(yàn)、有 效碰撞面積變化碰撞試驗(yàn)。
由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益效果 在三個(gè)方面解決了目前試驗(yàn)系統(tǒng)中存在的缺陷(1)碰撞塊體和被碰撞塊體分別 采用不同的擺桿或擺繩懸掛，使得在單擺試驗(yàn)裝置中，被碰撞塊體碰撞后的動(dòng)力響應(yīng)可被 觀測。同時(shí)碰撞塊體的特殊擺桿可擬制或減小其"小擺"現(xiàn)象。(2)在被碰撞塊體下設(shè)置四 根彈簧，使得在垂直軌道試驗(yàn)裝置中，被碰撞塊體碰撞后的動(dòng)力響應(yīng)可被觀測。(3)將傳感 器安裝在合適的位置，使得試驗(yàn)觀測結(jié)果更為可靠。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的單擺試驗(yàn)裝置進(jìn)行碰撞試驗(yàn)圖。 1-鋼構(gòu)架，2-支撐柱，3-支撐橫梁，4-碰撞塊體，5-被碰撞塊體，6-加速度傳感 器，7-碰撞塊體的吊索與套管，8-被碰撞塊體的吊索，9-被碰撞塊體的吊環(huán)，10-墊板， 11-抱箍，12-碰撞塊體釋放裝置。 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的垂直軌道試驗(yàn)裝置進(jìn)行碰撞試驗(yàn)圖。 21-支撐鋼架，22-帶螺桿的彈簧套筒，23-彈簧，共四根，24-光圓鋼筋軌道，25-加 速度傳感器，26-碰撞塊體，27-被碰撞塊體，28-木板，29-墊片和螺帽，210- 丁字型掛鉤， 211-拉起和釋放繩子。 圖3為本發(fā)明的碰撞塊體懸掛鋼構(gòu)架示意圖。 31-縱向軌道，32-橫向軌道，33-懸掛吊孔，34-連接螺栓。 圖4為本發(fā)明實(shí)施例的碰撞塊體制作示意圖。 圖5為本發(fā)明實(shí)施例的被碰撞塊體制作示意圖。 I-預(yù)留孔道，II-碰撞面，III-預(yù)埋吊環(huán)，IV-預(yù)埋鋼板，V-加速度傳感器。
圖6為小擺現(xiàn)象示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。 本發(fā)明混凝土塊體碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)，由單擺和垂直軌道兩套試驗(yàn)裝置，和一套數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)組成。為解決技術(shù)問題，發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括三點(diǎn)，分別是
(1)單擺試驗(yàn)裝置系統(tǒng)。如圖l所示，碰撞塊體4和被碰撞塊體5分別采用不同的 擺桿7或擺繩8懸掛，使得兩塊體碰撞后均能在碰撞方向自由運(yùn)動(dòng)。碰撞塊體的擺桿7通 過懸掛繩，外加剛度較大(空心合金銅管臂厚約2 3mm，直徑約30mm，其截面抗彎剛度EI 約1.0X10SkN'm2)的輕質(zhì)合金套管組成(擺繩由套管中心穿過)，且外套管下端穿過塊體 的預(yù)留孔道(圖4為塊體制作示意圖)，上端不穿過其頂端鋼構(gòu)件1的懸掛孔。這樣使得 碰撞塊體下擺時(shí)的"小擺"現(xiàn)象(如圖5所示，當(dāng)擺繩繞固定點(diǎn)0運(yùn)動(dòng)到與平衡位置成e工角度位置處時(shí)，混凝土塊體的中軸線不再與擺繩處于同一直線上，即塊體不再處于圖中的
虛線位置處，而是繞吊環(huán)頂點(diǎn)o'轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度e2。而且，隨著ej勺變化92也在不斷變 化。此現(xiàn)象被稱為"小擺"現(xiàn)象。)被擬制或減小，從而更好地控制兩塊體碰撞方式。輕質(zhì) 套管不會(huì)對(duì)兩塊體碰撞產(chǎn)生明顯影響，且套管頂端不穿過鋼構(gòu)架l的懸掛孔，可避免在套 管頂端產(chǎn)生約束碰撞力。在頂端支撐橫梁3上固定一帶有縱向和橫向軌道的鋼構(gòu)架i。通 過調(diào)節(jié)縱、橫軌道間距，可使得兩塊體處于預(yù)想的位置，同時(shí)可滿足不同尺寸混凝土塊體的
要求。通過固定在碰撞塊體后方橫梁上的手拉葫蘆12調(diào)節(jié)其初始擺起高度。 (2)垂直軌道試驗(yàn)裝置系統(tǒng)。通過兩光圓鋼筋軌道24作為碰撞塊體26的下落軌
道，其可使兩塊體實(shí)現(xiàn)預(yù)想的碰撞方式，同時(shí)碰撞后保護(hù)其他試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)人員不受到
傷害。光圓鋼筋軌道與塊體預(yù)留孔道的摩擦力很小，因此，其對(duì)兩塊體碰撞的影響可被忽
略。被碰撞塊體27下端設(shè)置四根剛度適當(dāng)小的支撐彈簧23，可使得被碰撞塊體27碰撞后
可在碰撞方向運(yùn)動(dòng)。彈簧23剛度適當(dāng)小，一方面使得彈簧力對(duì)兩塊體碰撞的影響盡可能
小，另一方面要保證彈簧在塊體碰撞過程中有一定的變形能力。 (3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在兩塊體正對(duì)于其碰撞面的側(cè)面固定一沖擊型加速度傳感器 (單擺試驗(yàn)系統(tǒng)中6或垂直軌道試驗(yàn)系統(tǒng)中25)，記錄兩塊體在整個(gè)碰撞過程中的加速度時(shí) 程曲線。這樣使得兩塊體由于實(shí)際并非完全面面對(duì)心碰撞，或碰撞面的不平整等因素導(dǎo)致 的塊體轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)碰撞方向加速度觀測的影響最小，試驗(yàn)結(jié)果更為可靠。 對(duì)于單擺和垂直軌道試驗(yàn)裝置系統(tǒng)中的碰撞塊體釋放裝置，可以通過類似裝置替 換，只要能滿足適度調(diào)節(jié)塊體高度和實(shí)現(xiàn)預(yù)定塊體釋放方式(快速且無轉(zhuǎn)動(dòng)自由釋放)即 可；對(duì)于垂直軌道試驗(yàn)裝置系統(tǒng)中被碰撞塊體下設(shè)置的支撐彈簧，可以通過類似裝置替換， 只要能滿足碰撞前其能支撐被碰撞塊體靜止不動(dòng)，碰撞后被碰撞塊體可以驅(qū)使其向下運(yùn) 動(dòng)，且其作用給被碰撞塊體的阻力與碰撞力相比可忽略(5%以內(nèi))即可，如彈性橡膠帶懸 掛、液壓或氣壓缸支撐等。 若能增加高速攝像裝置系統(tǒng)，則能實(shí)時(shí)記錄整個(gè)碰撞試驗(yàn)過程，便于觀察兩塊體 的碰撞方式。同時(shí)，經(jīng)過分析處理可得兩塊體碰撞前后的速度等信息，便于對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的結(jié)果提供進(jìn)一步的驗(yàn)證。從而使得試驗(yàn)效果更佳。 采用上述試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行兩混凝土塊體面面對(duì)心碰撞試驗(yàn)，在圖1或圖2所示實(shí)例 中，首先將兩塊體4、5或26、27調(diào)節(jié)至預(yù)想的位置，爾后將加速度傳感器6或25安裝在塊 體的預(yù)埋鋼板(圖4和5中IV)上。通過手拉葫戸(圖1釋放裝置12中)將碰撞塊體4 或26調(diào)節(jié)至預(yù)定高度，即可進(jìn)行試驗(yàn)。進(jìn)行碰撞試驗(yàn)存在試件本身、試驗(yàn)裝置等不同方面， 還應(yīng)包括試驗(yàn)方案。比如，設(shè)計(jì)質(zhì)量比變化、初始相對(duì)碰撞速度變化、絕對(duì)質(zhì)量變化、有初始 相對(duì)加速度時(shí)初始相對(duì)碰撞速度變化、混凝土強(qiáng)度變化、有效碰撞面積變化等因素，以研究 其各自對(duì)兩塊體碰撞的影響。此不贅述。 上述對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。 熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般 原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本 領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范 圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種可用于混凝土塊體面面對(duì)心碰撞試驗(yàn)的方法，其特征在于單擺試驗(yàn)裝置中，通過對(duì)兩塊體采用不同的擺桿或擺繩，且初始時(shí)被碰撞塊體靜止處于平衡位置，從而實(shí)現(xiàn)兩塊體沒有初始相對(duì)加速度的不同情況面面對(duì)心碰撞；垂直軌道試驗(yàn)裝置中，設(shè)置兩光圓鋼筋軌道作為碰撞塊體的下落軌道，且在被碰撞塊體下端設(shè)置支撐彈簧，從而實(shí)現(xiàn)兩混凝土塊體在初始碰撞時(shí)有初始相對(duì)加速度的不同情況面面對(duì)心碰撞。
2. 實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的系統(tǒng)，其特征在于，包括單擺試驗(yàn)裝置，垂直軌道試驗(yàn) 裝置，數(shù)據(jù)采集裝置；該單擺試驗(yàn)裝置中，碰撞塊體和被碰撞塊體分別通過不同的擺桿或擺 繩懸掛；在兩塊體頂端設(shè)有帶縱橫軌道的懸掛鋼構(gòu)架；碰撞塊體的擺桿通過懸掛繩，外加 剛度較大的輕質(zhì)合金套管組成；通過手拉葫蘆調(diào)節(jié)碰撞塊體的初始擺起高度；該垂直軌道裝置中設(shè)有兩光圓鋼筋軌道作為碰撞塊體的下落軌道；被碰撞塊體下端設(shè) 置四根支撐彈簧；該數(shù)據(jù)采集裝置包括沖擊型加速度傳感器和高頻數(shù)據(jù)采集儀；該沖擊型加速度傳感 器設(shè)置于兩塊體正對(duì)于其碰撞面的側(cè)面。
3. 權(quán)利要求l所述的方法的應(yīng)用，其特征在于將該方法用于以下試驗(yàn)質(zhì)量比變化碰 撞試驗(yàn)、初始相對(duì)碰撞速度變化碰撞試驗(yàn)、絕對(duì)質(zhì)量變化碰撞試驗(yàn)、有初始相對(duì)加速度碰撞 試驗(yàn)、混凝土強(qiáng)度變化碰撞試驗(yàn)、有效碰撞面積變化碰撞試驗(yàn)。
全文摘要
一種可用于混凝土塊體面面對(duì)心碰撞的試驗(yàn)方法及系統(tǒng)，主要包括單擺和垂直軌道兩套試驗(yàn)系統(tǒng)和一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。單擺試驗(yàn)系統(tǒng)中，對(duì)碰撞塊體和被碰撞塊體分別采用兩幅不同的擺桿或擺繩，以滿足不同大小的兩塊體實(shí)現(xiàn)預(yù)想的面面對(duì)心碰撞；垂直軌道系統(tǒng)中，通過兩光圓鋼筋軌道作為碰撞塊體的下落軌道，其可使兩塊體實(shí)現(xiàn)預(yù)想的碰撞方式，被碰撞塊體下端設(shè)置四根支撐彈簧，可使得被碰撞塊體碰撞后可在碰撞方向運(yùn)動(dòng)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采用沖擊型加速度傳感器和高頻數(shù)據(jù)采集儀，試驗(yàn)中加速度傳感器安裝在碰撞塊體或被碰撞塊體正對(duì)于其碰撞面的側(cè)面。該試驗(yàn)方法及系統(tǒng)可用于不同情況下混凝土塊體的面面對(duì)心碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)觀測結(jié)果可靠。
文檔編號(hào)G01N3/30GK101750252SQ20081020414
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月5日
發(fā)明者侯健, 林峰, 顧祥林 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)