矩形杆件空间结构连续倒塌试验自动化初始失效装置的制作方法

本发明涉及空间结构、钢结构、结构试验技术，特别涉及一种矩形杆件空间结构连续倒塌试验自动化初始失效装置。

背景技术：

近年来，结构抗连续性倒塌已经成为工程研究的热点问题，结构抗连续倒塌的设计和分析也因此受到更多关注。实际工程中涉及的结构类型繁多且复杂，不同结构均存在连续倒塌的风险，大量难题亟待解决。

在结构连续倒塌试验过程中，通常引入一种初始失效装置来模拟结构内部关键构件或节点因偶然因素发生的破坏。对于大跨空间结构，通常采用人工锯断、钢夹等方式引入初始化失效装置。这些机械式初始破坏装置往往只能模拟圆钢管杆件的初始失效，且触发时需要人工操作，很难保证试验的准确性和安全性。在此基础上，部分研究学者提出了钢夹式电磁铁初始破坏装置，可以模拟杆件中部的初始破坏，但上述初始破坏装置主要适用于圆形截面杆件，无法应用于矩形截面杆件，也无法模拟节点失效以及节点与杆件的连接失效。为了能更加准确的模拟矩形杆件空间结构初始失效构件以及周围杆件的受力状态，需研发一套适用于矩形杆件空间结构连续倒塌试验的初始失效装置，可以有效的模拟杆件失效、节点失效和连接失效，保证试验的准确性、安全性和可重复性。

技术实现要素：

本发明基于装配式空心毂节点单层柱面网壳连续倒塌试验研究，为了能更加准确的模拟矩形杆件空间结构初始失效构件以及周围杆件的受力状态，提供一套适用于矩形杆件空间结构连续倒塌试验的初始失效装置，利用电磁铁通电有强磁，断电失去磁力的原理，实现矩形管和装配式节点连接处的自动失效，可以有效的模拟杆件失效、节点失效和连接失效，保证试验的准确性、安全性和可重复性。

本发明所采用的技术方案是：一种矩形杆件空间结构连续倒塌试验自动化初始失效装置，所述矩形杆件空间结构的待破坏节点包括装配式空心毂节点和与所述装配式空心毂节点相连接的矩形杆件，所述矩形杆件靠近待破坏节点的部分切除除上翼缘外的两腹板和下翼缘，形成矩形杆件本体和与所述矩形杆件本体相连接的切除部分上翼缘；采用所述初始失效装置替代所述矩形杆件的切除部分；所述初始失效装置包括：

开口矩形管，所述开口矩形管设置在所述矩形杆件本体和所述装配式空心毂节点之间，并位于所述切除部分上翼缘的下方；所述开口矩形管的下表面和所述切除部分上翼缘的上表面均设置有加劲肋；

相互配合的第一电磁铁和第二电磁铁，所述第一电磁铁设置在所述开口矩形管的开口内，所述第二电磁铁设置在所述切除部分上翼缘的下表面，并与所述第一电磁铁相对布置；所述第一电磁铁和所述第二电磁铁能在通电时相互吸合，使得所述开口矩形管连接所述矩形杆件本体和所述装配式空心毂节点；以及，

弹簧，所述弹簧设置在所述开口矩形管与所述切除部分上翼缘之间，使得所述初始失效装置在断电后与所述矩形杆件本体、所述装配式空心毂节点分离，实现矩形杆件与装配式空心毂节点的连接失效。

进一步地，所述开口矩形管的截面尺寸与所述矩形杆件的切除部分的截面尺寸相同，使得所述开口矩形管在连接所述矩形杆件本体与所述装配式空心毂节点时，所述开口矩形管与所述切除部分上翼缘的共同截面尺寸与所述矩形杆件本体的截面尺寸相同。

进一步地，所述初始失效装置还包括相互配合的第一滑槽和第二滑槽，所述第一滑槽设置在所述矩形杆件本体的端部，所述第二滑槽设置在所述开口矩形管与所述矩形杆件本体相对一侧的端部；所述第一滑槽能在所述第一电磁铁和所述第二电磁铁相互吸合时插入至所述第二滑槽内，实现所述开口矩形管与所述矩形杆件本体的连接。

进一步地，所述初始失效装置还包括与所述装配式空心毂节点的端部杆件封板相配合的第三滑槽，所述第三滑槽设置在所述开口矩形管与所述装配式空心毂节点相对一侧的端部；所述杆件封板能在所述第一电磁铁和所述第二电磁铁相互吸合时插入至所述第三滑槽内，实现所述开口矩形管与所述装配式空心毂节点的连接。

进一步地，所述第一电磁铁和所述第二电磁铁吸合后的整体高度不大于所述开口矩形管的开口高度。

进一步地，所述弹簧与所述开口矩形管垂直布置。

本发明的有益效果是：

本发明初始失效装置基于装配式空心毂节点单层柱面网壳连续倒塌试验研究，公开了一种矩形杆件空间结构连续倒塌试验自动化初始失效装置，该失效装置由种滑槽、电磁铁、弹簧、开口矩形管和加劲肋组成。其中三种滑槽尺寸根据矩形管自主设计，弹簧和电磁铁型号根据矩形管在工作过程中所受到的拉力(压力)选择，开口矩形管开口深度根据电磁铁尺寸确定，为方便安装，开口矩形管两侧可根据需要设置安装孔，加劲肋长度由矩形管开口深度决定。本初始失效装置与矩形杆件、节点通过滑槽相互连接，电磁铁通电时，初始失效装置连同矩形杆件正常工作，断电后初始失效装置与矩形杆件分离，具有自动化程度高、安装方便安全、可以保证轴向受力性能和可重复使用的优点。

本发明初始失效装置与现有技术相比主要有以下优势：

(1)本发明初始失效装置适合采用矩形钢管的结构。

(2)本发明初始失效装置可用于模拟杆件失效、节点与矩形杆件的连接失效，当所有杆件与节点连接处均设置初始失效装置时，也可有效模拟节点失效。

(3)本发明初始失效装置由滑槽、加劲肋、弹簧、矩形管和电磁铁组成，制作简单、安装方便。

(4)本发明初始失效装置保证了在轴力作用下该失效装置与被替换杆件有相同的受力性能。

(5)电磁铁通电，初始失效装置连同矩形杆件正常工作，断电后初始失效装置与矩形管分离，自动化程度较高。

(6)该装置可以精确的模拟初始失效构件以及周围杆件的受力状态，可重复程度较高。

附图说明

图1a：本发明矩形杆件空间结构连续倒塌试验自动化初始失效装置正视图；

图1b：本发明矩形杆件空间结构连续倒塌试验自动化初始失效装置俯视图；

图2a：本发明的第一滑槽正视图；

图2b：本发明的第一滑槽侧视图；

图2c：本发明的第一滑槽俯视图；

图3a：本发明的第二滑槽正视图；

图3b：图3a的a-a剖面图

图3c：本发明的第二滑槽侧视图；

图3d：本发明的第二滑槽俯视图；

图4a：本发明的第三滑槽正视图；

图4b：图4a的b-b剖面图

图4c：本发明的第三滑槽侧视图；

图4d：本发明的第三滑槽俯视图；

图5a：本发明装配完成后的矩形杆件、自动化初始失效装置和装配式空心毂节点正视图；

图5b：本发明装配完成后的矩形杆件、自动化初始失效装置和装配式空心毂节点俯视图；

图6a：本发明的第一滑槽模型图；

图6b：本发明的第二滑槽模型图；

图6c：本发明的第三滑槽模型图；

图6d：本发明的弹簧模型图；

附图标注：

1——矩形杆件；11——矩形杆件本体；

12——切除部分上翼缘；13——杆件封板；

2——装配式空心毂节点；

3——初始失效装置；31——开口矩形管；

32——第一电磁铁；33——第二电磁铁；

34——弹簧；35——第一滑槽；

36——第二滑槽；37——第三滑槽；

38——安装孔；

4——加劲肋。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明矩形管空间结构连续倒塌自动化初始失效装置3，主要连接一个待破坏的节点和与待破坏节点相连接的杆件。所述待破坏节点与初始失效装置3之间通过封板和滑槽连接，所述杆件与初始失效装置3之间通过滑槽连接，滑槽与初始失效装置3和杆件之间均采用焊接连接，电磁铁与初始失效装置3和杆件之间采用螺栓连接，加劲肋4与初始失效装置3和杆件之间采用焊接连接。

下面结合附图对本发明初始失效装置3做进一步的说明。

如图1所示，一种矩形杆件空间结构连续倒塌试验自动化初始失效装置3，所述矩形杆件空间结构的待破坏节点包括装配式空心毂节点2和与所述装配式空心毂节点2相连接的矩形杆件1，所述矩形杆件1主要承受轴力作用。所述矩形杆件1靠近待破坏节点的部分切除除上翼缘外的两腹板和下翼缘，形成矩形杆件本体11和与所述矩形杆件本体11相连接的切除部分上翼缘12。

采用所述初始失效装置3替代所述矩形杆件1的切除部分。所述初始失效装置3包括开口矩形管31、相互配合的第一电磁铁32和第二电磁铁33、弹簧34、相互配合的第一滑槽35和第二滑槽36、以及与所述装配式空心毂节点2的端部杆件封板13相配合的第三滑槽37。

所述开口矩形管31设置在所述矩形杆件本体11和所述装配式空心毂节点2之间，并位于所述切除部分上翼缘12的下方。所述开口矩形管31的截面尺寸与所述矩形杆件1的切除部分的截面尺寸相同，使得所述开口矩形管31在连接所述矩形杆件本体11与所述装配式空心毂节点2时，所述开口矩形管31与所述切除部分上翼缘12的共同截面尺寸与所述矩形杆件本体11的截面尺寸相同。所述开口矩形管31的下表面和所述切除部分上翼缘12的上表面均设置有加劲肋4，所述加劲肋4均通过点焊与所述开口矩形管31、所述切除部分上翼缘12连接。

所述第一电磁铁32设置在所述开口矩形管31的开口内，所述第一电磁铁32的两端通过螺栓与所述开口矩形管31固定连接；所述第二电磁铁33设置在所述切除部分上翼缘12的下表面，并与所述第一电磁铁32相对布置；所述第一电磁铁32和所述第二电磁铁33吸合后的整体高度不大于所述开口矩形管31的开口高度。所述第一电磁铁32和所述第二电磁铁33能在通电时相互吸合，使得所述开口矩形管31连接所述矩形杆件本体11和所述装配式空心毂节点2。

所述弹簧34设置在所述开口矩形管31与所述切除部分上翼缘12之间，所述弹簧34与所述开口矩形管31垂直布置，使得所述初始失效装置3在断电后与所述矩形杆件本体11、所述装配式空心毂节点2分离，实现矩形杆件1与装配式空心毂节点2的连接失效。

所述第一滑槽35焊接连接在所述矩形杆件本体11的端部，所述第二滑槽36焊接连接在所述开口矩形管31与所述矩形杆件本体11相对一侧的端部。所述第一滑槽35能在所述第一电磁铁32和所述第二电磁铁33相互吸合时插入至所述第二滑槽36内，实现所述开口矩形管31与所述矩形杆件本体11的连接。

所述第三滑槽37焊接连接在所述开口矩形管31与所述装配式空心毂节点2相对一侧的端部；所述杆件封板13能在所述第一电磁铁32和所述第二电磁铁33相互吸合时插入至所述第三滑槽37内，实现所述开口矩形管31与所述装配式空心毂节点2的连接。

初始状态下，矩形杆件1与装配式空心毂节点2相连。随后在需要引入初始破坏的位置，将本发明初始失效装置3替换部分矩形杆件1，由于弹簧34弹力较大，可先通过拧紧穿过安装孔38的螺栓使弹簧34处于正常工作状态，在电磁铁接通电源后释放安装螺栓，完成替换。本发明初始失效装置3在安装完成后可以自由拆卸，替换后的初始失效装置3和矩形杆件本体11总长度应和初始矩形杆件1的总长度相同，保证试验的准确性。试验过程中，电磁铁断电后由于弹簧34弹力作用，第一滑槽35和第二滑槽36分离，第三滑槽37与杆件封板13分离，实现矩形杆件1与装配式空心毂节点2的连接失效。

本发明初始失效装置3的设计方法如下：

本发明初始失效装置3连接矩形杆件1宽为b，高为h，管厚tm，面积为a，平面内抗弯截面模量wx，平面外抗弯截面模量wy，矩形杆件1受到的轴力为n；电磁铁吸力为f，单根弹簧34弹力为f，弹簧34长度为l，压缩率为β，钢材摩擦系数为μ。

为了保证滑槽连接安全可靠以及初始失效装置3的安全有效，本发明初始失效装置3各组件构造要求如下：

1、电磁铁(第一电磁铁32和第二电磁铁33)、弹簧34

为保证初始失效装置3中电磁铁既可以正常安装，又不影响其受力性能，电磁铁尺寸(第一电磁铁32和第二电磁铁33整体尺寸)需满足：

he<h(1)

be<1.5b(2)

上式中，he为电磁铁高度，be为电磁铁宽度。

为保证电磁铁正常工作时，初始失效装置3的轴向受力性能与被替换杆件的轴向受力性能相同，电磁铁磁力应满足：

f>2.5f(3)

为保证始失效装置中弹簧34既可以正常安装，又可以在电磁铁断电后保证初始失效装置3正常分离，弹簧34需满足：

2f>3μn(4)

l(1-β)≤h-2tm(5)

2、第一滑槽35(如图2a至2c所示)

图2a至图2c中，h1为第一滑槽35的下翼缘高度，即第一滑槽35的总高度；h11为第一滑槽35上翼缘高度；h12为第一滑槽35的腹板高度；b1为第一滑槽35的下翼缘宽度，即第一滑槽35的总宽度；b11为第一滑槽35上翼缘宽度；b12为宽度上第一滑槽35腹板边缘至上翼缘边缘的距离；t1为第一滑槽35上翼缘、腹板和下翼缘厚度；tc1为第一滑槽35的总体厚度，tc1＝3×t1。

为保证初始失效装置3轴向受力性能与被替换杆件的轴向受力性能一致，第一滑槽35应满足：

(b11-2b12)h12>a(6)

为保证初始失效装置3平面内抗弯性能与被替换杆件平面内抗弯性能一致，第一滑槽35应满足：

为保证初始失效装置3平面外抗弯性能与被替换杆件平面外抗弯性能一致，第一滑槽35应满足：

3、第二滑槽36(如图3a至图3d所示)

图3a至图3d中，h2为第二滑槽36的总高度，h2＝h1；h21为第二滑槽36腹板高度，h21＝h11；h22为第二滑槽36的腹板开口高度，h22＝h12；b2为第二滑槽36的总宽度；b23为第二滑槽36腹板开口宽度；t2为第二滑槽36翼缘、腹板厚度；tc2为第二滑槽36的总体厚度。

为保证第一滑槽35、第二滑槽36可以正常连接，第二滑槽36应满足：

b11-2b12<b23(11)

为保证初始失效装置3轴向受力性能与被替换杆件的轴向受力性能一致，第二滑槽36应满足：

b2t2+2h21t2>a(12)

为保证初始失效装置3平面内抗弯性能与被替换杆件平面内抗弯性能一致，第二滑槽36应满足：

为保证初始失效装置3平面外抗弯性能与被替换杆件平面外抗弯性能一致，第二滑槽36应满足：

4、第三滑槽37(如图4a至图4d所示)

图4a至图4d中，h3为第三滑槽37的总高度；h3为第三滑槽37上、下翼缘开口高度，h3＝h；h33为第三滑槽37的腹板开口高度；b3为第三滑槽37的总宽度；b3为第三滑槽37上、下翼缘开口宽度，b3＝b；t3为第三滑槽37翼缘、腹板厚度；tc3为第三滑槽37的总体厚度。

为保证初始失效装置3轴向受力性能与被替换杆件的轴向受力性能一致，第三滑槽37应满足：

b3(h3-h33)+t3h33>a(17)

为保证初始失效装置3平面内抗弯性能与被替换杆件平面内抗弯性能一致，第三滑槽37应满足：

为保证初始失效装置3平面外抗弯性能与被替换杆件平面外抗弯性能一致，第三滑槽37应满足：

实施例1

考虑加工误差、方便安装以及满足杆件承载力要求，所有滑槽腹板、翼缘厚度均应该大于矩形管壁厚2倍，第二滑槽36的腹板厚底比第一滑槽35的开口宽度小0.5mm-1mm，第一滑槽35的腹板厚度比第二滑槽36的开口宽度小0.5mm-1mm，第三滑槽37的开口宽度大于杆件封板13的厚度0.5mm-1mm，加劲肋4的长度大于开口矩形管31的开口长度10mm-15mm，安装孔38的直径不大于开口矩形管31宽度的0.3倍。

本发明初始失效装置3在使用过程中，可以在各个滑槽内部和杆件封板13四周涂抹润滑油，使其摩擦力减小，更容易分离。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。