落錘沖擊試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)

羅才松，陳華艷，張丙強(qiáng)，陳柏生

(1.福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院，福建 福州 350118；2.長(zhǎng)沙栢森實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410006)

1 引 言

自制教學(xué)試驗(yàn)儀器因具有較好的靈活性、較強(qiáng)的直觀性、一定的超前性和及時(shí)性以及經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)[1]，成為高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的有益選擇方向之一。自制試驗(yàn)設(shè)備可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[2]、提高師生創(chuàng)新能力[3,4]、促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[5,6]，在凸顯學(xué)科專(zhuān)業(yè)特色[7,8]等方面發(fā)揮越來(lái)越大的作用。積極有效的自制試驗(yàn)設(shè)備管理制度能夠調(diào)動(dòng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員、教師從事試驗(yàn)技術(shù)研究的積極性，使其自身業(yè)務(wù)技術(shù)水平得到提高，而且還加速了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的自我完善過(guò)程，為建設(shè)有特色的實(shí)驗(yàn)室奠定基礎(chǔ)[9]。

自制試驗(yàn)設(shè)備方面，部分高校老師[10-19]根據(jù)各自學(xué)校的實(shí)際情況，在該方面進(jìn)行了不少有益的探索，并取得了一定的成效，培養(yǎng)了學(xué)生探索和解決工程結(jié)構(gòu)實(shí)際問(wèn)題的能力，在科研及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有一定的示范應(yīng)用推廣價(jià)值，并為其他院校研制相關(guān)試驗(yàn)裝置提供了有益參考。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們使用燃?xì)?、汽?chē)、電梯、直升機(jī)等先進(jìn)設(shè)施和交通工具的比例大大提高?？紤]到全球反恐面臨的新形勢(shì)，恐怖襲擊的威脅仍然嚴(yán)峻。基于此，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[20]將以上種種沖擊作用統(tǒng)一定義為偶然荷載，并單獨(dú)增設(shè)一章進(jìn)行規(guī)定，這凸顯出偶然荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中越來(lái)越重要的地位。美國(guó)聯(lián)邦公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì)推出的指南AASHTO[21]、歐洲規(guī)范EN 1991-1-7[22]、我國(guó)的人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范[23]、鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[24]、公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[25]等均對(duì)爆破荷載或撞擊荷載的計(jì)算進(jìn)行了規(guī)定。因此，有必要對(duì)撞擊荷載作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)開(kāi)展試驗(yàn)研究。

落錘沖擊試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)是專(zhuān)門(mén)用于模擬撞擊荷載的專(zhuān)用特種設(shè)備，因其制造上的復(fù)雜性與生產(chǎn)周期的長(zhǎng)期性而被大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室拒之于門(mén)外。但科研試驗(yàn)無(wú)法用其他設(shè)備進(jìn)行替代，這導(dǎo)致很多科研項(xiàng)目試驗(yàn)研究無(wú)法正常開(kāi)展。基于此，本文詳細(xì)介紹本單位開(kāi)發(fā)研制的落錘沖擊試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，以供其他單位參考。

2 設(shè)計(jì)方案

學(xué)校結(jié)構(gòu)館內(nèi)有15.6m高的L形反力墻，橋式起重機(jī)可跨過(guò)反力墻。為了盡可能地利用實(shí)驗(yàn)室的高度空間，又不阻礙起重機(jī)的正常運(yùn)行，落錘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)高度定為與反力墻同高，起重機(jī)可通過(guò)落錘系統(tǒng)頂面，運(yùn)行無(wú)阻礙。落錘系統(tǒng)需滿足不同沖擊能量的加載，錘體配重設(shè)計(jì)成可拆卸的方式，落錘有效沖擊行程為15.6m、落錘最大配重1000kg、最大沖擊能量150000J。

3 場(chǎng)地選址

目前，國(guó)內(nèi)建有落錘系統(tǒng)的高校中，一部分將落錘系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)樓的附屬建筑單獨(dú)建設(shè)，一部分直接將落錘系統(tǒng)以一臺(tái)儀器設(shè)備的方式建于實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)，二者各有利弊。以附屬建筑單獨(dú)建設(shè)需報(bào)住建部門(mén)審批，因?yàn)檫@涉及到學(xué)校整體規(guī)劃的調(diào)整。以一棟附屬樓的方式依附于實(shí)驗(yàn)樓，改變了原實(shí)驗(yàn)樓的規(guī)劃外觀，需在建設(shè)落錘系統(tǒng)時(shí)按建設(shè)項(xiàng)目報(bào)批，這會(huì)牽扯到較多部門(mén)審批，審批周期較長(zhǎng)。落錘系統(tǒng)以附屬樓單獨(dú)建設(shè)的優(yōu)點(diǎn)是與其他試驗(yàn)設(shè)備完全隔離，對(duì)后期運(yùn)行與保養(yǎng)有利。將落錘系統(tǒng)直接以儀器設(shè)備的方式建在實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)部，則不需繁瑣的規(guī)劃審批過(guò)程，可以大大節(jié)約建設(shè)時(shí)間，及時(shí)將設(shè)備投入使用；其缺點(diǎn)是會(huì)與實(shí)驗(yàn)樓大廳內(nèi)其他設(shè)備共處一個(gè)空間，后期運(yùn)行與維護(hù)會(huì)相互影響。

學(xué)校結(jié)構(gòu)館建筑占地面積2600m2，總建筑面積為5100m2，由單層大廳與二層附屬實(shí)驗(yàn)室用房組成。結(jié)構(gòu)館大廳為3跨8m柱間距24m開(kāi)間，15跨6m柱間距90m進(jìn)深。內(nèi)有15.6m高、12m+24m的L形反力墻，12條間隔1m、30m長(zhǎng)的槽式臺(tái)座地面，20條24m長(zhǎng)、12m寬、孔間距0.5m的錨栓臺(tái)座地面。大廳配備20t/5t橋式起重機(jī)一部。綜合考慮實(shí)驗(yàn)樓的空間與后期進(jìn)行落錘試驗(yàn)需吊裝試驗(yàn)構(gòu)件的需求，可直接利用實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)的起重機(jī)吊裝試驗(yàn)構(gòu)件，不用再單獨(dú)為落錘系統(tǒng)配備一套起重機(jī)械，將落錘系統(tǒng)建設(shè)于實(shí)驗(yàn)樓入口大門(mén)旁邊8m×6m轉(zhuǎn)角處(如圖1所示)，不僅在起重機(jī)的行走范圍以內(nèi)，同時(shí)不影響實(shí)驗(yàn)室臺(tái)座的使用。

圖1 落錘系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)樓中的位置

4 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

4.1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

考慮到落錘的最大沖擊能量可達(dá)150000J，如直接將落錘系統(tǒng)建造于實(shí)驗(yàn)樓結(jié)構(gòu)地面，在進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)時(shí)，巨大的沖擊能量將對(duì)實(shí)驗(yàn)樓主體結(jié)構(gòu)造成極大的損害。因此，需將落錘系統(tǒng)基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)樓基礎(chǔ)隔開(kāi)，單獨(dú)建設(shè)落錘基礎(chǔ)?？紤]到實(shí)驗(yàn)樓所處位置為湖泊地區(qū)，落錘系統(tǒng)的基礎(chǔ)采用與實(shí)驗(yàn)樓相同的樁基，在實(shí)驗(yàn)樓主體樁基空余地方建設(shè)落錘系統(tǒng)基礎(chǔ)，建成后的落錘系統(tǒng)基礎(chǔ)如圖2所示。在落錘系統(tǒng)范圍內(nèi)，一共打入13根預(yù)應(yīng)力混凝土樁，然后通過(guò)一體式承臺(tái)將13根樁澆筑為整體，保證落錘沖擊過(guò)程中所有樁基共同受力。

圖2 一體式樁基承臺(tái)鋼筋網(wǎng)

4.2 上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的連接

落錘系統(tǒng)的上部結(jié)構(gòu)均為鋼結(jié)構(gòu)部件，在工廠制作好后運(yùn)入實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)組裝，不僅方便快捷，而且加工精度優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)制作。上部構(gòu)件主要由鋼結(jié)構(gòu)框架與塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成，如圖3所示。上部標(biāo)準(zhǔn)件與下部基礎(chǔ)之間的連接是落錘系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。如果上部標(biāo)準(zhǔn)件與下部基礎(chǔ)之間存在較大偏差，將導(dǎo)致落錘試驗(yàn)過(guò)程中落錘能量不能被樁基均勻分擔(dān)，這會(huì)使基礎(chǔ)承受偏心荷載作用，隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加，基礎(chǔ)偏心加重，這將導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)一同傾斜，從而影響落錘系統(tǒng)的正常工作，導(dǎo)致試驗(yàn)精度降低。為了保證上下部結(jié)構(gòu)連接的準(zhǔn)確性，多螺桿連接裝置在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)焊接方式將上部鋼結(jié)構(gòu)框架與下部基礎(chǔ)承臺(tái)連接為一體，確保上部結(jié)構(gòu)尺寸能完全吻合樁基承臺(tái)尺寸。

(a)鋼結(jié)構(gòu)框架 (b)塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)圖3 上部結(jié)構(gòu)部件

4.3 控制測(cè)試系統(tǒng)

控制測(cè)試系統(tǒng)是整套落錘試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，落錘釋放后測(cè)試系統(tǒng)能否同步觸發(fā)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)成為整套系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。若落錘釋放后測(cè)試系統(tǒng)沒(méi)有觸發(fā)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，則試驗(yàn)失敗。

控制測(cè)試系統(tǒng)的工作流程為：通過(guò)手動(dòng)控制落錘錘體釋放系統(tǒng)，落錘錘頭在設(shè)定高度釋放后做自由落體運(yùn)動(dòng)，當(dāng)錘頭快砸到試驗(yàn)對(duì)象時(shí)，固定于鋼結(jié)構(gòu)框架上的紅外測(cè)速儀檢測(cè)到落錘錘頭的速度(如圖4所示，試驗(yàn)前需調(diào)整紅外測(cè)速儀與固定于錘頭上感知格柵的間距，使紅外測(cè)速儀信號(hào)達(dá)到規(guī)定數(shù)字，當(dāng)試驗(yàn)過(guò)程中錘頭下落經(jīng)過(guò)紅外測(cè)速儀所處高度時(shí)，紅外測(cè)速儀獲得信號(hào))，此速度信號(hào)經(jīng)落錘信號(hào)調(diào)理器調(diào)理為電壓信號(hào)后，被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，并同步觸發(fā)高速攝像系統(tǒng)進(jìn)行同步視頻監(jiān)測(cè)。攝像系統(tǒng)觸發(fā)模式采用中間觸發(fā)模式。

圖4 紅外測(cè)速裝置

測(cè)試系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與高速攝像系統(tǒng)兩部分組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采用NI公司的高速同步數(shù)據(jù)采集模塊1塊(實(shí)際型號(hào)pxie-6358，1.25MS/s/通道下16路同步模擬輸入，16位分辨率；20MS/s AI總吞吐量)與高速同步電橋模塊2塊(實(shí)際型號(hào)pxie-4330，單模塊8路同步采樣模擬輸入通道，102.4kS/s/通道的采樣率)。高速攝像系統(tǒng)采用photron公司的UX50系列高速攝像機(jī)，分辨率為1280×720，攝像頻率為2500幀/秒。

4.4 其他組成部件

(1)導(dǎo)軌

采用光學(xué)精密導(dǎo)軌，有效行程15.6m，導(dǎo)軌表面磨光，導(dǎo)軌光潔度≤0.4，表面HRC≥45HRC，硬化處理，硬化深度5mm，表面鍍鉻防銹處理，兩條導(dǎo)軌間距為0.5m。含快速導(dǎo)軌延長(zhǎng)裝置，實(shí)現(xiàn)快速對(duì)導(dǎo)軌的延長(zhǎng)、縮短自由組合的效果，以防止進(jìn)行梁試驗(yàn)時(shí)落錘錘頭脫離軌道。

(2)落錘錘體系統(tǒng)

為適應(yīng)不同沖擊能量的加載，錘體配重設(shè)計(jì)成可拆卸方式，通過(guò)不同配重的組合組裝形成不同錘體重量。錘頭直徑22cm，凈重230kg，配有15塊單個(gè)50kg配重板，錘體有效重量范圍230kg～980kg、最大沖擊能量150000J。具有實(shí)時(shí)稱重系統(tǒng)，液晶顯示錘體總重量，錘體系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 錘體系統(tǒng)

(3)錘頭升降系統(tǒng)

提升系統(tǒng)通過(guò)擱置于鋼結(jié)構(gòu)框架頂部塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引鋼絲繩帶動(dòng)，具有單向即時(shí)自鎖功能，實(shí)現(xiàn)即停即鎖，斷電狀態(tài)自鎖。通過(guò)手動(dòng)無(wú)線遙控器簡(jiǎn)單化操作按鈕，操作方式一目了然，如圖6所示。系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置有授權(quán)操作總開(kāi)關(guān)(采用校園卡授權(quán)，避免無(wú)關(guān)人員操作，并記錄相關(guān)操作人員、操作時(shí)間)，最高位置限位保護(hù)開(kāi)關(guān)，最低位置限位保護(hù)開(kāi)關(guān)，并要求鋼絲繩始終至少具有40kg的張力。系統(tǒng)同時(shí)配備高度測(cè)量系統(tǒng)，絕對(duì)誤差范圍為±3mm，提升速度大于等于5m/min，提升能力2t。

圖6 提升操控系統(tǒng)

(4)約束邊界裝置

為了避免設(shè)備功能的單一化，將約束邊界裝置設(shè)計(jì)成多功能邊界裝置(如圖7所示)，以滿足不同約束邊界條件的要求。多功能邊界裝置可滿足對(duì)梁、板、柱三類(lèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的約束，通過(guò)L形鋼墩底部連接的球鉸實(shí)現(xiàn)鉸支座的約束功能，實(shí)現(xiàn)支撐點(diǎn)平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)±35°，且保障鉸支在沖擊過(guò)程中不脫離，并能滿足試樣沖擊后不低于50t反彈拉力作用。在L形鋼墩豎向平面鋼板上開(kāi)有間距120mm的螺栓孔，通過(guò)螺栓與試件連接形成固端約束。

(a)邊界裝置現(xiàn)場(chǎng)圖

5 功能介紹

項(xiàng)目于2019年全面建成(如圖8所示)，建成后的性能指標(biāo)完全達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求，不僅實(shí)現(xiàn)了使用上的多功能，而且還達(dá)到了服務(wù)專(zhuān)業(yè)學(xué)科的多樣化。整套系統(tǒng)不僅可對(duì)房屋建筑的梁、板、柱進(jìn)行沖擊性能試驗(yàn)，還能實(shí)現(xiàn)橋梁工程中模擬船舶撞擊橋墩的撞擊試驗(yàn)，以及車(chē)輛工程中對(duì)車(chē)輛防撞鋼梁與前后縱梁的撞擊試驗(yàn)。

(a)落錘系統(tǒng)主體部分 (b)數(shù)據(jù)采集部分 (c)視頻攝像部分圖8 落錘沖擊試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

6 應(yīng)用與效益

該落錘沖擊試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)，無(wú)論從建設(shè)方案、場(chǎng)地選址、基礎(chǔ)施工，還是從上下部結(jié)構(gòu)連接、邊界條件、系統(tǒng)集成、適用范圍等方面，都得到了學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)、專(zhuān)業(yè)技術(shù)教師以及國(guó)內(nèi)同行專(zhuān)家的高度評(píng)價(jià)。該落錘系統(tǒng)自2019年12月投入應(yīng)用以來(lái)，已開(kāi)展了本校及兄弟院校10余名研究生的畢業(yè)論文試驗(yàn)，主要有北京建筑大學(xué)、福州大學(xué)、福建農(nóng)林大學(xué)等，研究項(xiàng)目包括裝配式鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗沖擊性能研究、裝配式鋼筋混凝土框架柱沖擊性能研究、裝配式疊合梁沖擊性能試驗(yàn)、鋼板加固裝配式疊合梁沖擊性能試驗(yàn)、蜂窩梁沖擊性能試驗(yàn)、帶肋焊接工字鋼梁沖擊性能試驗(yàn)、鋼管再生混凝土橋墩沖擊性能試驗(yàn)等?；炷猎囼?yàn)構(gòu)件的最大尺寸：柱截面尺寸400mm×400mm，柱高3000mm；梁截面尺寸250mm×600mm，梁長(zhǎng)600mm。最小構(gòu)件尺寸為長(zhǎng)度1200mm的?168×4鋼管混凝土橋墩。這表明，該設(shè)備的使用范圍十分廣泛。

該設(shè)備的成功研制與實(shí)踐應(yīng)用，為多項(xiàng)科研項(xiàng)目的順利開(kāi)展、結(jié)題提供了有力支持，也為我校申請(qǐng)科研項(xiàng)目在試驗(yàn)條件方面提供了有力保障。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，該裝置也將發(fā)揮重要作用。目前，我校正開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)改革，要求可開(kāi)可不開(kāi)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要開(kāi)，已開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的課程要盡可能多開(kāi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該設(shè)備可滿足土木工程本科課程“結(jié)構(gòu)力學(xué)”中結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)部分沖擊荷載作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)、“橋梁工程”中撞擊荷載作用下橋墩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)。另外，研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，該設(shè)備亦可滿足多門(mén)土木工程專(zhuān)業(yè)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)要求，比如“高等結(jié)構(gòu)試驗(yàn)”、“高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”、“結(jié)構(gòu)振動(dòng)與控制”等課程中有關(guān)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?？梢?jiàn)，無(wú)論從本科生和研究生培養(yǎng)方面，還是從科學(xué)研究方面，該設(shè)備的研制與應(yīng)用效益顯著。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了一種適用于各類(lèi)沖擊試驗(yàn)研究的落錘沖擊試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、功能豐富、造價(jià)低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，不僅實(shí)現(xiàn)了使用上的多功能，而且還達(dá)到了服務(wù)專(zhuān)業(yè)學(xué)科的多樣化。試驗(yàn)設(shè)備研制是一個(gè)創(chuàng)造和發(fā)現(xiàn)的過(guò)程[6]，該設(shè)備的成功研制，在科研及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中起到了一定的示范作用，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、鍛煉了教師隊(duì)伍，為我校進(jìn)一步研制更復(fù)雜試驗(yàn)裝置及為其他院校研制相關(guān)試驗(yàn)裝置提供了參考。