一种竖向可观察式结构柱抗爆试验装置及试验方法与流程

一种竖向可观察式结构柱抗爆试验装置及试验方法
1.技术领域
2.本发明涉及一种竖向可观察式结构柱抗爆试验装置及试验方法，属于土木工程结构柱抗爆性能研究试验装置技术领域。


背景技术：

3.近年来，世界范围内的恐怖袭击和意外爆炸事件不断发生，造成严重的人员伤亡和经济损失，同时也造成恶劣的政治和社会影响。而结构柱作为高层建筑、体育馆、桥梁等土木工程建筑结构的关键受力构件，如何防止结构柱在爆炸荷载作用下的严重损坏和坍塌是工程设计人员和科研工作者亟需解决的重大问题。
4.爆炸荷载为非常规荷载，是一种峰值高、历时短的强动载，爆炸冲击波与结构柱的相互作用十分复杂，因此结构柱抗爆试验成为了研究结构柱抗爆性能的主要研究手段之一。结构柱抗爆试验装置为抗爆试验关键装置，其一般由钢筋混凝土基体（爆坑）、千斤顶弹簧装置、支撑钢架组成。支撑钢架固定在爆坑中用以支撑结构柱以及固定位移、压力等传感器位置。千斤顶弹簧装置施加轴力于结构柱用以模拟真实结构中柱所受的竖向轴力，其反力直接作用于爆坑。
5.因此爆坑的受力性能成为影响试验结果关键因素之一，试验表明，由于传统结构柱抗爆试验装置中千斤顶弹簧装置的反力直接作用于爆坑，虽然爆坑四个拐角处配筋已作加密处理，但在多次爆炸荷载作用下，爆坑仍出现明显裂缝，影响试验结果，且不能多次重复使用造成人力物力财力的浪费。
6.另外，由于传统结构柱抗爆试验装置一般采用水平放置，用千斤顶弹簧装置施加的轴力模拟结构柱自重。在爆炸试验中，由于结构柱水平放置造成视线遮挡，结构柱在爆炸荷载下柱表面的裂缝开展，变形都不能直接被观测记录。并且用千斤顶弹簧装置施加的轴力来模拟结构柱自重的方式并不能真实地模拟结构柱在结构中原本的受力状态。
7.总之，现有技术存在的问题是：一方面结构柱抗爆试验装置反力直接作用在爆坑上使得爆坑难以重复使用，在大尺寸结构柱、大当量炸药爆炸的情况下爆坑损坏严重影响试验结果；另一方面结构柱抗爆试验装置水平放置，千斤顶弹簧装置施加轴力的方式不能真实模拟结构柱在结构中原本的受力状态，且由于水平放置导致的视线遮挡使得结构柱表面裂缝开展和变形不能直接被观测记录。


技术实现要素：

8.本发明提供一种竖向可观察式结构柱抗爆试验装置及试验方法，不仅可以真实模拟结构柱受力状态，而且可观察记录结构柱受力的全过程，达到重复利用不易损坏结构柱的目的。
9.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种竖向可观察式结构柱抗爆试验装置，包括钢筋混凝土爆坑，还包括放置在钢筋混凝土爆坑内的结构柱以及弹性部件；所述钢筋混凝土爆坑包括钢筋混凝土结构主体，其包括地基、爆坑房以及弹性部件放置区，爆坑房立设在地基表面，爆坑房的一个侧面为迎爆面；在地基内开设弹性部件放置区，弹性部件放置区与迎爆面同侧，在弹性部件放置区内安装弹性部件，爆坑房设置迎爆面的一侧固设结构柱，结构柱的底端伸入弹性部件放置区与弹性部件相抵；前述结构柱垂直地基布设，结构柱每侧与爆坑房接触位置布设前角钢；还包括内支架，所述内支架包括上端板、下端板、左拉杆以及右拉杆，所述上端板位于结构柱的顶部，下端板位于结构柱的底部，左拉杆以及右拉杆分别位于结构柱的两侧，上端板的一端通过左拉杆与下端板的一端连接，上端板的另一端通过右拉杆与下端板的另一端连接，且左拉杆与右拉杆平行布设；左拉杆、右拉杆分别穿设匹配的结构柱侧的前角钢背爆面；在地基内穿设气管穿管，其与弹性部件连通；作为本发明的进一步优选，所述前角钢包括左前角钢和右前角钢，左前角钢以及右前角钢分别布设在结构柱两侧；作为本发明的进一步优选，所述左前角钢包括左角钢、压力计座以及固定钩，左角钢的一侧贴合结构柱的一侧布设，其另一侧为迎爆面，在左角钢的迎爆面上布设若干压力计座和若干六角螺栓，且压力计座和六角螺栓交替焊接在左角钢的迎爆面上；在左角钢的背爆面上焊接若干固定钩；作为本发明的进一步优选，所述右前角钢包括右角钢、压力计座以及固定钩，右角钢的一侧贴合结构柱的另一侧布设，右角钢的另一侧为迎爆面，在右角钢的迎爆面上布设若干压力计座和若干六角螺栓，且压力计座和六角螺栓交替焊接在右角钢的迎爆面上；在右角钢的背爆面上焊接若干固定钩；作为本发明的进一步优选，在爆坑房内预埋若干根穿线管，且穿线管数与压力计座数匹配；所述穿线管为pvc管，每根穿线管均由压力计座的背部中心位置穿设爆坑房与检测系统形成连通；作为本发明的进一步优选，所述弹性部件为气动气缸活塞机构，其一端与下端板接触，另一端与结构柱的底端接触；气动气缸活塞机构与所述气管穿管连通；气动气缸活塞机构的气缸内径大于或者等于400mm，其承受压力大于或者等于15mpa，活塞的轴力大于或者等于188吨；作为本发明的进一步优选，还包括下围护结构，其置于弹性部件放置区开口处；所述下围护结构包括呈方形的围护钢板，其与弹性部件放置区开口大小匹配，在围护钢板的朝向外侧的壁面焊接若干锚固钩；作为本发明的进一步优选，在结构柱的顶部覆设上横向支撑，其包括上横向钢板，所述上横向钢板呈u形设置，u形垂直部分的两个端部向外延伸，且延伸部分垂直于u形的垂直部分；上横向钢板的横向部分贴合结构柱的顶部，其延伸部分贴合匹配前角钢的顶部；在上横向钢板的延伸部分相对前角钢的一面焊接六角螺栓，延伸部分的另一面焊
接若干锚固钩，上横向钢板的横向部分与结构柱相反的一面同样焊接若干锚固钩；作为本发明的进一步优选，在爆坑房的迎爆面上还布设左钢板和右钢板，左钢板匹配左前角钢，右钢板匹配右前角钢，在左钢板以及右钢板的背爆面焊接若干锚固钩；一种基于任一所述竖向可观察式结构柱抗爆试验装置的试验方法，具体包括以下步骤：步骤s1：根据爆坑尺寸进行混凝土支模，固定气管穿管、前角钢、穿线管、内支架、下围护结构、上横向支撑以及迎爆面钢板；步骤s2：在混凝土模型内浇筑混凝土，养护28天；步骤s3：将压力传感器通过六角螺栓与压力计座连接，连接传感器、数据采集系统以及计算机，进行信号调试；步骤s4：在弹性部件放置区内安装气动气缸活塞机构，调节气动气缸活塞机构的高度与结构柱高度一致；步骤s5：将预埋的气管穿管与气动气缸活塞机构的气缸连通管，高压气源通过气管穿管充入气缸内；步骤s6：结构柱吊入爆坑房内，调整其位置；步骤s7：通过布置在远端的高压氮气瓶对气动气缸活塞机构充气，当压力表达到预定数值后拧紧气瓶阀门；步骤s8：用钢板盒子将弹性部件放置区从开口端遮蔽住，用橡胶垫和包铁皮对爆坑上表面缝隙进行密封；步骤s9：在结构柱上吊装炸药、雷管，检查测试系统和气动气缸活塞机构压力，确认无误后起爆。
10.通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：1、本发明提供的试验装置中内支架结合弹性装置、结构柱构成自平衡系统，使得反力未直接作用在爆坑上，增加了爆坑的使用耐久性，使得爆坑不易损坏可以重复使用，降低了试验成本；2、本发明提供的试验装置中，结构柱立设在地基上，考虑了结构柱自重的影响，更加真实模拟结构柱在结构中的受力状态，使得试验结果更加准确；3、本发明提供的试验装置中，结构柱立设在地基上，竖向放置的方式可以使得结构柱在爆炸荷载作用下的受力全过程可观察和记录，为试验分析提供更多的数据。
附图说明
11.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
12.图1是本发明提供的优选实施例的整体结构示意图；图2是本发明提供的图1侧视图；图3是本发明提供的优选实施例的钢筋混凝土结构主体示意图；图4a-图4b是本发明提供的优选实施例的前角钢结构示意图，其中图4a为左前角钢结构示意图，图4b为右前角钢结构示意图；图5是本发明提供的优选实施例的内支架示意图；图6是本发明提供的优选实施例的下围护结构示意图；
图7是本发明提供的优选实施例的上横向支撑结构示意图；图8a-图8b是本发明提供的优选实施例的迎爆面钢板结构示意图，其中图8a为左钢板结构示意图，图8b为右钢板结构示意图；图9是本发明提供的内支架构成的自平衡体系结构示意图。
13.图中：100为弹性部件，200为结构柱，300为爆坑，311为地基，312为爆坑房，313为弹性部件放置区，320为气管穿管，330为前角钢，331为左前角钢，332为右前角钢，333为左角钢，334为右角钢，335为压力计座，340为穿线管，351为上端板，352为下端板，353为左拉杆，354为右拉杆，360为下围护结构，361为围护钢板，370为上横向支撑，371为上横向钢板，380为迎爆面钢板，381为左钢板，382为右钢板，410为六角螺栓，420为锚固钩，430为固定钩。
具体实施方式
14.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本技术的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
15.现有技术中，结构柱抗爆试验装置一般由钢筋混凝土基体（爆坑）、千斤顶弹簧装置、支撑钢架组成，千斤顶弹簧装置的反力直接作用于爆坑，在多次爆炸荷载作用下，爆坑容易出现明显裂缝，无法重复利用；同时，现有的结构柱常常是水平放置，容易造成视线的遮挡，导致变形无法被直接观测与记录。基于上述问题，本技术旨在提供一种竖向可观察式结构柱抗爆试验装置。
16.此试验装置中包含一个自平衡系统，可以使得反力不直接作用于爆坑，降低了爆坑损坏的程度，爆坑可以重复利用；同时结构柱是立设在地基上的，方便观察受力的全过程，更加真实模拟结构柱在试验中的受力状态。
17.图1结合图2所示，本技术包括钢筋混凝土爆坑300，还包括放置在钢筋混凝土爆坑内的结构柱200以及弹性部件100；所述钢筋混凝土爆坑包括钢筋混凝土结构主体，图3所示，其包括地基311、爆坑房312以及弹性部件放置区313，爆坑房立设在地基表面，爆坑房的一个侧面为迎爆面；在地基内开设弹性部件放置区，弹性部件放置区与迎爆面同侧，在弹性部件放置区内安装弹性部件，爆坑房设置迎爆面的一侧固设结构柱，结构柱的底端伸入弹性部件放置区与弹性部件相抵；图5所示，还包括内支架，所述内支架包括上端板351、下端板352、左拉杆353以及右拉杆354，所述上端板位于结构柱的顶部，下端板位于结构柱的底部，左拉杆以及右拉杆分别位于结构柱的两侧，上端板的一端通过左拉杆与下端板的一端连接，上端板的另一端通过右拉杆与下端板的另一端连接，且左拉杆与右拉杆平行布设；左拉杆、右拉杆分别穿设匹配的结构柱侧的前角钢330背爆面。图9所示，结构柱、内支架以及弹性装置三者形成了试验装置中的自平衡系统，力只在体系内部传递，使结构柱轴向反力不再直接作用于爆坑边框上，当发生爆炸时，爆坑仅承受从前向后的冲击波作用，爆坑不易损坏，从而实现大尺寸结构柱、大当量炸药抗爆试验的试验装置的重复使用，降低试验成
本。
18.在本技术的优选实施例中，弹性部件选用的是气动气缸活塞机构，其一端与下端板接触，另一端与结构柱的底端接触；气动气缸活塞机构与所述气管穿管320连通，通过气管穿管向气动气缸活塞机构充入适当的高压气体以施加轴向力；通过气管穿管的设置还可以实现在较远处为气动气缸活塞机构提供高压气体，保证试验过程中高压气体的提供不受爆炸冲击波的影响；在这里需要阐述的是，本技术中，气动气缸活塞机构的气缸内径大于或者等于400mm，其承受压力大于或者等于15mpa，活塞的轴力大于或者等于188吨，可以充分满足结构柱受高轴力、大轴压比的实验条件。这是因为高压气体刚度小，试验过程中允许结构柱发生一定的轴向变形，由于气瓶阀门已经固定了高压气体的压力值，因此试验中可以使得在结构柱轴向变形的情况下保持作用在柱上的轴压稳定不变。
19.在本技术中，在结构柱每侧与爆坑房接触位置布置布设前角钢，这是因为试验前压力传感器需要通过穿线管340内的测试导线连接至爆坑房后的测试系统进行调试，压力传感器的安装就需要前角钢的帮助；具体的，图4a-图4b所示，所述前角钢包括左前角钢331和右前角钢332，左前角钢以及右前角钢分别布设在结构柱两侧。所述左前角钢包括左角钢333、压力计座335以及固定钩430，左角钢的一侧贴合结构柱的一侧布设，其另一侧为迎爆面，在左角钢的迎爆面上布设若干压力计座和若干六角螺栓410，且压力计座和六角螺栓交替焊接在左角钢的迎爆面上；在左角钢的背爆面上焊接若干固定钩。所述右前角钢包括右角钢334、压力计座以及固定钩，右角钢的一侧贴合结构柱的另一侧布设，右角钢的另一侧为迎爆面，在右角钢的迎爆面上布设若干压力计座和若干六角螺栓，且压力计座和六角螺栓交替焊接在右角钢的迎爆面上；在右角钢的背爆面上焊接若干固定钩。压力计座的设置就是为了在试验前将压力传感器通过六角螺栓安装在压力计座上，在爆坑房内预埋若干根穿线管，且穿线管数与压力计座数匹配；所述穿线管为pvc管，测试导线通过穿线管直至爆坑房后的测试系统，与检测系统形成连通；先调试测试系统，再将气动气缸活塞机构放置在弹性部件放置区与气管穿管连通，由于结构柱是固定在气动气缸活塞机构顶部的，那么通过气动气缸活塞机构冲入的高压气体即可实现对结构柱轴向力的施加。
20.在前述关于现有技术的缺陷中，还提到一个问题，现有的结构柱常常是水平放置，容易造成视线的遮挡，因此在本技术中，结构柱垂直地基布设，也就是说，爆坑房用来竖向放置结构柱，由于竖向放置可以考虑结构柱自重，更加真实地模拟结构柱在真实结构中的受力状态，另外竖向放置没有视线遮挡，可以在爆坑房内部架设高速摄像机，直接观察记录结构柱在爆炸荷载作用下的受力全过程，为试验分析提供更多数据；同时爆坑房预留了供测试导线走线的穿线管，保证了试验过程中测试导线不受爆炸冲击波的影响而断裂，测试导线里的信号传输能稳定进行。
21.在试验过程中，弹性部件放置区在爆炸冲击波作用下容易遭到破坏坍塌，因此本技术还设置了如图6所示的下围护结构360，其置于弹性部件放置区开口处；所述下围护结构包括呈方形的围护钢板361，其与弹性部件放置区腔室大小匹配，在围护钢板的朝向外侧的壁面焊接若干锚固钩420。下围护结构的设置提高了爆坑的耐久性，使得爆坑能够多次重复使用。另外也在试验过程中为结构柱底端提供支撑作用。
22.结构柱的底端需要提供支撑，同样的，其顶端也需要提供支撑，图7所示，在结构柱的顶部覆设上横向支撑370，其包括上横向钢板371，所述上横向钢板呈u形设置，u形垂直部
分的两个端部向外延伸，且延伸部分垂直于u形的垂直部分；上横向钢板的横向部分贴合结构柱的顶部，其延伸部分贴合匹配前角钢的顶部；在上横向钢板的延伸部分相对前角钢的一面焊接六角螺栓，延伸部分的另一面焊接若干锚固钩，上横向钢板的横向部分与结构柱相反的一面同样焊接若干锚固钩。上横向支撑的设置，用来在试验过程中为结构柱顶端提供支撑作用。
23.图8a-图8b所示，在爆坑房的迎爆面上还布设左钢板381和右钢板382，左钢板匹配左前角钢，右钢板匹配右前角钢，在左钢板以及右钢板的背爆面焊接若干锚固钩，以图1给出的视图角度来阐述的话，锚固钩焊接在所述左钢板和所述右钢板背爆面，左钢板通过锚固钩固定现浇在爆坑房迎爆面左边，右钢板通过锚固钩固定现浇在爆坑房迎爆面右边；迎爆面钢板380用来直接承受爆炸冲击波的作用，其塑性变形可以吸收一部分的爆炸产生的能量，使得爆炸传给爆坑的能量较小，提高爆坑耐久性。
24.另外需要阐述的是，本技术中提供的锚固钩，图中均可明显看出，其实一个u型结构状的钩体，钩体的两个垂直部分端部向对方延伸弯曲。
25.最后，本技术还提供了基于前述阐述的试验装置的试验方法，具体包括以下步骤：步骤s1：根据爆坑尺寸进行混凝土支模，固定气管穿管、前角钢、穿线管、内支架、下围护结构、上横向支撑以及迎爆面钢板；步骤s2：在混凝土模型内浇筑混凝土，养护28天；步骤s3：将压力传感器通过六角螺栓与压力计座连接，连接传感器、数据采集系统以及计算机，进行信号调试；步骤s4：在弹性部件放置区内安装气动气缸活塞机构，调节气动气缸活塞机构的高度与结构柱高度一致；步骤s5：将预埋的气管穿管与气动气缸活塞机构的气缸连通管，高压气源通过气管穿管充入气缸内；步骤s6：结构柱吊入爆坑房内，调整其位置；步骤s7：通过布置在远端的高压氮气瓶对气动气缸活塞机构充气，当压力表达到预定数值后拧紧气瓶阀门；步骤s8：用钢板盒子将弹性部件放置区从开口端遮蔽住，用橡胶垫和包铁皮对爆坑上表面缝隙进行密封，防止爆炸冲击波损坏气缸和导线；步骤s9：在结构柱上吊装炸药、雷管，检查测试系统和气动气缸活塞机构压力，确认无误后起爆。
26.综上可知，本技术提供的竖向可观察式结构柱抗爆试验装置，可考虑结构柱自重因素真实模拟结构柱受力状态，同时结构柱受力全过程可观察记录，可重复利用不易损坏的结构柱抗爆试验装置。
27.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
28.本技术中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
29.本技术中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
30.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。