钢-复合材料防撞设施结构耗能性能的测试、评价方法与流程

1.本发明涉及钢-复合材料防撞设施结构耗能性能的测试、评价方法；属于道路桥梁防撞设施测试领域。


背景技术：

2.随着桥梁数量的日益增多和航运需求的不断增加，航道桥的桥墩受到船舶撞击的概率大大增加，国内外出现了多起船撞桥墩致毁的事故。船撞桥事故不但威胁船舶的通行安全，还严重影响桥梁的运营安全，带来巨大的人身安全威胁和财产损失，有时还会造成生态灾难。
3.为降低船-桥碰撞等事故的发生带来的经济损失，提升公共基础设施的安全性，航道桥梁目前普遍安装钢和纤维复合材料(即钢-复合材料)相结合的墩柱防撞设施，包括固定式和漂浮式。然而，众多厂家生产的钢-复合材料防撞设施产品质量参差不齐，耗能性能未知，防护效果不确定。产品质量标准缺失，尚未建立统一的评价体系。设计人员在制定桥梁防撞设施方案的过程中存在困难。
4.在公开号为cn214363166u的专利文件中，公开了一种钢覆复合材料固定式桥墩防撞设施，该专利由复合材料壳体和内腔填充的闭孔效能材料组成，复合材料壳体上设置固定孔，使用化学螺栓与桥墩进行固定；该项专利中防撞设施对桥墩的防护性能不明确，结构在船舶撞击过程中的耗能性能未知，难以与其他防撞设施进行比选。
5.在公开号为cn112431120a的专利文件中，公开了一种浮动式钢覆复合材料的桥梁防撞设施；该专利外壳为钢覆复合材料板，内部为复合材料防腐层、钢板、复合材料缓冲管和耗能闭孔材料，并对各材料的力学性能进行规定；该项专利中结构在撞击作用下的耗能程度未有衡量指标，其耗能性能无法直观获得。
6.综上，防撞设施结构耗能能力是吸收船舶动能、降低船舶对桥梁墩柱撞击能量的重要防护指标。防撞设施的耗能能力不足会导致船舶的动能大部分由桥梁墩柱吸收，可能导致墩柱的损伤破坏甚至影响桥梁的安全运营。因此，对防撞设施耗能能力的评定对于桥梁防撞方案的设计和选用有极为重要的指导意义，也可用于指导防撞设施的结构设计、生产和制定未来的发展方向。因此，提供一种钢-复合材料防撞设施的结构耗能能力的测试、评价方法具有重要的现实意义和广阔的应用前景。


技术实现要素：

7.本发明针对上述问题提供了钢-复合材料防撞设施结构耗能性能的测试、评价方法。
8.本发明采用如下技术方案：
9.本发明所述的钢-复合材料防撞设施结构耗能性能的测试方法，基于重锤冲头、质量配重块和吊臂组成的摆锤装置对钢-复合材料防撞设施进行冲击，位于重锤冲头的撞击部内侧设有压电式力传感器，采用速度传感器监测摆锤装置中重锤冲头的冲击前瞬时速度
及冲击后瞬时速度；该测试评价方法如下：
10.步骤一、根据钢-复合材料防撞设施的结构力学性能，选取合适的摆锤质量及冲击高度，摆锤装置的重锤冲头冲击钢-复合材料防撞设施的前面钢板中心点；
11.步骤二、在摆锤装置对钢-复合材料防撞设施的冲击过程中，采用速度传感器获取摆锤装置冲击钢-复合材料防撞设施前的瞬时运动速度v1和摆锤装置冲击钢-复合材料防撞设施后分离时的瞬时运动速度v2；
12.步骤三、根据步骤二中获取到的摆锤装置的撞击前瞬时运动速度v1和撞击后瞬时运动速度v2，通过下式计算冲击过程中摆锤装置的动能降低值；
[0013][0014]
式中：δe——冲击过程中摆锤装置动能降低值、e
k1
——撞击前摆锤瞬时动能、e
k2
——撞击后摆锤瞬时动能、m——摆锤质量、v1——撞击前摆锤瞬时运动速度、v2——撞击后摆锤瞬时运动速度；
[0015]
本发明所述的钢-复合材料防撞设施结构耗能性能的测试方法，该钢-复合材料防撞设施结构的耗能性能评价方法为：
[0016]
步骤一、若冲击过程中摆锤装置的动能降低值δe》0.4e
k1
，则该钢-复合材料防撞设施结构耗能性能良好；
[0017]
步骤二、若冲击过程中摆锤装置的动能降低值0.2e
k1
《δe《0.4e
k1
，则该钢-复合材料防撞设施结构耗能性能中等；
[0018]
步骤三、若冲击过程中摆锤装置的动能降低值δe《0.2e
k1
，则该钢-复合材料防撞设施结构耗能性能较差。
[0019]
本发明所述的钢-复合材料防撞设施结构耗能性能的测试方法，通过质量配重块的数量用于配置摆锤装置的质量，所述吊臂的底端布置质量配重块，质量配重块的冲击端设有重锤冲头。
[0020]
有益效果
[0021]
本发明提供的钢-复合材料防撞设施结构耗能性能的测试、评价方法，综合多个特征指标，标准清晰，步骤明确，可操作性强，具有良好的经济性、可推广性，是对防撞设施领域现有测试评价体系空白的有力补充。
[0022]
测试方法方面，本方法所采用的试验设施简易，占地面积较小，传感器选用常见，相关设施置备方便，可以适应不同尺寸、不同结构布置形式的钢-复合材料防撞设施的测试工作，具有良好的推广性。测试过程采用半自动化形式，由试验人员触发、传感器自动采集记录，人员间隔较远，安全性高，易于操作。防撞设施的结构耗能性能的评价指标采集方便，数据提取计算方便。
[0023]
评价方法方面，本方法基于大量的工程评测经验，提出基于冲击前后瞬时速度和动能定理的防撞设施耗能能力计算方法，并制订明确的评价标准等级。评价步骤明确易行，对比结果直观，能够充分反映结构耗能性能的特征，适应工程实际的需要，对钢-复合材料防撞设施的生产和发展具有较好的指导意义。
附图说明
[0024]
图1为本发明的测试评价方法流程图。
[0025]
图2为本发明的冲击测试装置整体结构示意图。
[0026]
图3为本发明的各传感器布置图及连接示意图。
具体实施方式
[0027]
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028]
如图所示：摆锤装置2包括重锤冲头21、质量配重块22和吊臂23。摆锤装置2的顶端设有铰接部。摆锤装置2采用拖拽方式拉动至不同高度位置以产生不同冲击荷载。
[0029]
如图该测试评价方法采用的数据采集系统4包括速度传感器31、数据采集仪32和数据存储设备33。
[0030]
速度传感器31设置在混凝土刚性墙1侧面靠近冲击点处的相应位置。速度传感器31通过数据线与数据采集仪32的数据输入端相连；数据采集仪32的输出端与数据存储设备33的输入端相连。
[0031]
实施例一：
[0032]
步骤一、为摆锤装置2安装一定数量的质量配重块22使其质量达到1000kg。
[0033]
在混凝土刚性墙1上布置钢-复合材料防撞设施3，并在混凝土刚性墙1的侧面靠近冲击点处的相应位置设置速度传感器31。速度传感器31为：光电门速度传感器。
[0034]
速度传感器31的数据传输给数据采集仪32，经过信号处理后，进入数据存储设备33进行保存。
[0035]
步骤二、对厚度为300mm的某型号钢—复合材料防撞设施进行编号和固定；根据该型号钢-复合材料防撞设施的结构力学性能，选取合适的摆锤质量为1000kg，冲击高度为0.459m，使其摆动到最低点时的理论速度为3m/s。通过手拉葫芦将1000kg摆锤提升至高度为0.459m，释放脱钩器使摆锤绕上端固定铰自由向下摆动，运动过程中摆锤的重力势能转化为动能。摆锤由上述高度向下摆动，并与钢—复合材料防撞设施撞击，对其进行一次冲击加载；各传感器采集摆锤冲击加载过程的速度等数据，并传输至数据存储设备保存。
[0036]
步骤三、该钢-复合材料防撞设施厚度h＝300mm，质量为1000kg摆锤由0.459m的高度下摆冲击加载。在摆锤装置对钢-复合材料防撞设施的冲击过程中，采用光电门速度传感器获取摆锤装置冲击钢-复合材料防撞设施前的瞬时运动速度v1＝3.11m/s,摆锤装置冲击钢-复合材料防撞设施后分离时的瞬时运动速度v2＝2.43m/s；
[0037]
步骤四、根据获取到的摆锤装置的撞击前瞬时速度v1和撞击后瞬时速度v2，通过下式计算摆锤装置的动能降低值；
[0038]
[0039]
式中：δe——冲击过程中摆锤装置动能降低值、e
k1
——撞击前摆锤瞬时动能、e
k2
——撞击后摆锤瞬时动能、m——摆锤质量、v1——撞击前摆锤瞬时运动速度、v2——撞击后摆锤瞬时运动速度；
[0040]
步骤五、由步骤四得到的冲击过程中摆锤的动能降低值:
[0041][0042][0043]
0.2e
k1
《δe《0.4e
k1
[0044]
摆锤的动能降低值δe符合0.2e
k1
《δe《0.4e
k1
，该钢-复合材料防撞设施结构耗能性能中等，需进一步优化结构布置方案。
[0045]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。