专利名称：预应力钢丝网冲击试验装置及试验方法
技术领域：
本发明属于在飞石、落石等飞散物冲击下预应力钢丝柔性防护网的实际工作状态研究领域，适合于傍山或爆破采石场附近的道路、桥梁采用的柔性防护工程，涉及一种预应力钢丝网冲击试验装置和试验方法。
背景技术：
目前，由于山区落石、飞散物等从较高空中落下或采石场产生的爆破飞石等，对傍山道路或桥梁通行的车辆及行人安全均构成较大威胁，同时可能对路基和桥梁等结构构造物造成破坏。因此，为保障正常的交通秩序和生命财产安全，工程中常采用预应力钢丝网等柔性防护体系进行防护。然而，设计采用的柔性网体系在强度和变形上能否达到既定的防护目标，在防护工程全面实施前进行模拟落石、飞石冲击状况的实景试验是非常必要的。但是，目前对于这一类柔性防护网抗落石、飞石冲击效果的前期试验开展不足，而通常采用钢绞线和钢丝网取样样品的室内材质试验代替。由于结构尺寸的差异及仅以破断力作为评判的唯一指标，无法反映防护工程的实际情况和抗冲击变形的控制效果，这无疑对于因通行净空限制而对柔性网冲击变形有较高要求的防护工程是无法适用的。另一方面，目前工程应用中为了控制较大的冲击变形，常采用提高防护网中预应力承重缆索的张拉控制力来减小防护网冲击变形量，实践证明这一措施是非常有效的。然而,预应力承重缆索处于较高的应力状态时,冲击物减速度迅速增大,会对缆索产生巨大的冲击荷载和预应力增量，导致最不利冲击状态下预应力承重缆索的破断，从而使得防护工程整体失效。除此之外，高的应力状态对于预应力承重缆索的疲劳破坏和加速锈蚀也是非常不利的。因此，在适度的预应力状态下达到可控的冲击变形是这类柔性防护网最优设计的目标，而实现这一目标的最直接途径是通过模拟真实状态下的预应力钢丝网冲击试验来优化各项设计参数。
发明内容
为克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种预应力钢丝网冲击试验装置及试验方法，能够模拟高空落石、飞石的冲击作用，适应于工程现场的实际条件，真实地反映预应力钢丝网柔性防护工程的抗冲击变形及防护效果。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为预应力钢丝网冲击试验装置，包括由横梁I与立柱2组成的柔性网支撑框架系统，其中横梁I的上翼板预设挂网螺栓3，挂网螺栓3上张拉锚固预应力承重缆索4，预应力承重缆索4上绑扎固定有柔性防护网5 ；由轻质标尺7和装有有色液体9的封闭容器8组成的冲击变形测试系统，其中轻质标尺7的上端连接在预应力承重缆索4的交叉节点上，下端浸入有色液体9的液面以下；以及设置于柔性防护网5上方用于对其形成冲击的等效冲击质量块。
所述横梁I与立柱2均采用GBH300X 150mm的H型钢，连接结构由金属构件构成，各节点处采用M16高强螺栓6进行连接。所述挂网螺栓3在横梁I的上翼板上间隔O. 5m设置。所述挂网螺栓3采用M20高强螺栓。所述封闭容器8有五个，布置于一个正五边形的五个顶点。所述轻质标尺7的上端至下端刻度由大至小排列。所述等效冲击质量块为内部填装铅砂11的钢制砂筒10。所述钢制砂筒10外形构造为圆柱体,采用壁厚IOmm的Q235钢材制造,筒外侧壁对称焊接两个钢制把手12。本发明同时提供了基于所述试验装置的试验方法，包括如下步骤步骤一依据与飞散物的重力势能等效的原理，计算得到拟采用等效冲击质量块的重量，在试验前进行实时调整；步骤二 选择地势平坦区域，将型钢制作的横梁I与立柱2通过高强螺栓6连接，拼装形成框架；步骤三在横梁I上翼板间距O. 5m布设挂网螺栓3，张拉固定预应力承重缆索4，并在预应力承重缆索4上绑扎固定柔性防护网5 ；步骤四在预应力承重缆索4上悬挂轻质标尺7，轻质标尺7下端浸入有色液体9中，在等效冲击质量块下落撞击柔性防护网5后，根据轻质标尺7上液面痕迹的变化来测试最大瞬时挠度。其中，在所述步骤四得到的瞬时挠度过大，可能引起柔性防护网5变形侵入行车限界并影响正常通行的情况下，调整预应力承重缆索4的张拉力，提高柔性防护网5抗冲击变形能力，调整应满足容许变形限制。本发明的有益效果是(I)提供了真实模拟预应力钢丝网柔性防护工程抵御飞石、落石冲击的变形值及防护效果的试验装置及试验方法；(2)根据实际工程中飞散物的质量、飞行高度等参数，动态地调整等效冲击质量块的重量，模拟不同粒径飞散物及不同落体高度的冲击效果；(3)在试验现场不具备动态挠度测试条件的情况下仍可作为预应力承重缆索张拉控制力的调整依据；(4)试验结构安装简单，适应于现场实际条件，便于观测。
图1是本发明支撑框架及挂网体系的结构示意图。图2是本发明图1中A大样结构示意图。图3是本发明冲击变形测试系统立面图。图4是本发明冲击变形测试系统平面图。图5是本发明等效冲击质量块构造示意图
具体实施例方式
下面通过附图对本发明做进一步的详细描述和补充说明。本发明预应力钢丝网冲击试验装置中提供的支撑框架结构及挂网体系如图1所示，图2为支撑框架的梁柱节点连接形式。框架的横梁I和立柱2均采用GBH300X150mm的H型钢，连接结构由金属构件构成，各节点处采用M16的高强螺栓6进行连接。在四道横梁I的上翼缘板上间隔0.5m设置M20挂网螺栓3，其上张拉锚固预应力承重缆索4，柔性防护网5在预应力承重缆索上绑扎固定。试验支撑框架尺寸按5mX5m正方形设计，试验框架高lm，也可根据现场条件做适当调整，但考虑尺寸效应对试验结果的影响，其边长不宜小于3m。各构件可以实现工厂化加工，运输至试验现场安装，施工简单快捷。图3、图4示出了本发明柔性防护网在等效冲击质量块冲击作用下的瞬间挠度测量系统。具体的实现方式为:地面上放置五台封闭容器8，分布于一个正五边形的五个顶点处，布置完成后呈梅花形，每台封闭容器8对应安装一轻质标尺7。封闭容器8为圆柱形筒体，与试验支撑框架及预应力钢丝网分离设置，封闭容器8内装有色液体9，可为色泽鲜艳、易于辨识的橙红色染料墨水。轻质标尺7上端至下端刻度由大至小排列，其上端固定连接在预应力承重缆索4的交叉节点上，下端浸入有色液体9的液面以下。试验开始前，读取轻质标尺7上的初始液面刻度并记录，冲击试验结束后，迅速读取轻质标尺7上对应染色位置处的刻度，通过计算两者之间的差值，就能准确测量试验过程中预应力柔性防护网的瞬间最大挠度。图5示出了本发明采用的等效冲击质量块构造，所述的等效冲击质量块为空心的钢制砂筒10，砂筒内部充填体积不等的铅砂11，砂筒侧壁对称焊接两个钢制把手12，便于两名试验人员同时提握搬运。砂筒10外形构造为圆柱体，顶、底面直径D—般为0.2m，采用壁厚IOmm的Q235钢材制造。填充铅砂11高度B根据计算确定。本发明预应力钢丝网冲击试验方法:`(I)为了实现对实际工程中山区陡高边坡下或爆破采石场附近的道路桥梁区域内落石、飞石及飞散物等冲击效果的模拟，试验方法中首先应完成对现场落石、飞石的质量波动范围及极限坠落高度等参数的调研，确定最不利的冲击工况下的重力势能E，计算公式为:E=P0X (4/3X ii Xr3) XgXh0式中:E—飞散物重力势能，单位:焦耳；P 0——飞散物密度，若为坚硬花岗岩块体，则为2600Kg/m3计算；r——飞散物等效球体半径；g——重力加速度，取9.8m/s2 ;h0——飞散物的极限坠落高度。以重力势能作为等效的依据，根据试验现场实际情况，若取用等效冲击质量块抛掷高度4=25111状态下，砂筒10顶、底面直径D=0.2m时，填充铅砂11高度B (单位:m)计算公式为:B = EZ(OjXgXp1)式中:P !——铅砂密度，取11300Kg/m3计算；其他参数意义同前述。通过计算，在忽略空气阻力的微小差异外，模拟坠落高度Iitl ( 100m，直径约0.2m左右的硬质花岗岩球形落石对预应力钢丝柔性防护网的冲击作用时，砂筒10的充填铅砂11高度B约为8cm，质量可控制在40Kg范围内。由于等效冲击质量块形状规则，便于两名试验人员同时提握，并搬运至高处进行冲击试验。若经工程现场调查得到的飞散物粒径或飞行高度超出以上范围时，在增加等效冲击质量块的重量同时，可考虑用吊机等机械装置起吊后做冲击试验。(2)选择的试验区域可以在工程现场也可在其他方便试验的地势平坦区域，宜于选择桥下或建筑物旁平坦开阔区域，可视具体情况而定，仅要求试有构造物或平台可供试验人员抛掷等效冲击质量块。选定试验场地后，即可现场快速拼装形成试验框架，挂网并布设冲击变形测试系统。在抛掷等效冲击质量块后，撞击预应力钢丝网，将重力势能完全转化为动能的过程中开展相关的测试和观测。(3)张拉预应力承重缆索初始的张拉控制力可视初始挠曲状态和现场具体情况而定，对于支撑框架尺寸较大可能引起承重缆索较大预应力损失的情况，应适当增大初始张拉力。以容许的冲击变形量作为控制指标，经过2 3级的冲击试验后和张拉控制力调整后，预应力钢丝防护网可以在适度的预应力状态下达到可控的冲击变形，依此获得的试验参数作为该类柔性防护网的优化设计参数来指导实际防护工程的设计和施工过程。
权利要求
1.预应力钢丝网冲击试验装置，其特征在于，包括: 由横梁(1)与立柱(2)组成的柔性网支撑框架系统，其中横梁(1)的上翼板预设挂网螺栓(3)，挂网螺栓(3)上张拉锚固预应力承重缆索(4)，预应力承重缆索(4)上绑扎固定有柔性防护网(5)； 由轻质标尺(7)和装有有色液体(9)的封闭容器(8)组成的冲击变形测试系统，其中轻质标尺(7)的上端连接在预应力承重缆索(4)的交叉节点上，下端浸入有色液体(9)的液面以下； 以及设置于柔性防护网(5)上方用于对其形成冲击的等效冲击质量块。
2.根据权利要求1所述的预应力钢丝网冲击试验装置，其特征在于，所述横梁(I)与立柱(2)均采用GBH300X 150mm的H型钢，连接结构由金属构件构成，各节点处采用M16高强螺栓(6)进行连接。
3.根据权利要求1所述的预应力钢丝网冲击试验装置，其特征在于，所述挂网螺栓(3)在横梁(1)的上翼板上间隔0.5m设置。
4.根据权利要求1或3所述的预应力钢丝网冲击试验装置，其特征在于，所述挂网螺栓(3)采用M20高强螺栓。
5.根据权利要求1所述的预应力钢丝网冲击试验装置，其特征在于，所述封闭容器(8)有五个，布置于一个正五边形的五个顶点。
6.根据权利要求1所述的预应力钢丝网冲击试验装置，其特征在于，所述轻质标尺(7)的上端至下端刻度由大至小排列。
7.根据权利要求1所述的预应力钢丝网冲击试验装置，其特征在于，所述等效冲击质量块为内部填装铅砂(11)的钢制砂筒(10)。
8.根据权利要求7所述的预应力钢丝网冲击试验装置，其特征在于，所述钢制砂筒(10)外形构造为圆柱体，采用壁厚10mm的Q235钢材制造，筒外侧壁对称焊接两个钢制把手(12)。
9.基于权利要求1所述试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一:依据与飞散物的重力势能等效的原理，计算得到拟采用等效冲击质量块的重量，在试验前进行实时调整； 步骤二:选择地势平坦区域，将型钢制作的横梁(1)与立柱(2)通过高强螺栓(6)连接，拼装形成框架； 步骤三:在横梁(1)上翼板间距0.5m布设挂网螺栓(3)，张拉固定预应力承重缆索(4)，并在预应力承重缆索(4)上绑扎固定柔性防护网(5)； 步骤四:在预应力承重缆索(4)上悬挂轻质标尺(7)，轻质标尺(7)下端浸入有色液体(9)中，在等效冲击质量块下落撞击柔性防护网(5)后，根据轻质标尺(7)上液面痕迹的变化来测试最大瞬时挠度。
10.根据权利要求9所述试验方法，其特征在于，在所述步骤四得到的瞬时挠度过大，可能引起柔性防护网(5)变形侵入行车限界并影响正常通行的情况下，调整预应力承重缆索(4)的张拉力，提高柔性防护网(5)抗冲击变形能力，调整应满足容许变形限制。
全文摘要
预应力钢丝网冲击试验装置及试验方法，能够模拟高空飞散物的冲击作用，真实反映预应力钢丝网柔性防护工程的抗冲击变形及防护效果，冲击试验装置由柔性网支撑框架系统、冲击变形测试系统及等效冲击质量块三大部分共同组成，按照调整等效冲击质量块、拼装试验框架、挂网、布设冲击变形测试系统及分级调整承重缆索的预张力等五步骤开展试验，本发明具有结构安装简单、适应于现场实际条件、可直观量测柔性防护网瞬时冲击变形值、能够及时提供预张力优化参数等优点，尤其适合于傍山或爆破采石场附近道路桥梁采用的防飞石、落石的预应力钢丝柔性防护网工程。
文档编号G01M7/08GK103076149SQ20131000299
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月5日 优先权日2013年1月5日
发明者郭琦, 魏剑 申请人:西安建筑科技大学