一种预应力混凝土安全壳抗冲击性能的测试系统及方法与流程

1.本发明属于核电工程研究设计领域，涉及一种预应力混凝土安全壳抗冲击性能的测试系统及方法。


背景技术：

2.核电厂预应力混凝土安全壳是防止大规模放射性物质外泄的最后一道物理防线。除了要承受内部事故下的压力外，还要承受一些意外事件导致的冲击荷载。如内部管道破裂导致的甩击，龙卷风卷起的树木、钢管甚至是小汽车撞击，中小型飞机的坠毁冲击。此外，核电厂设计中需要考虑的非常重要的一个外部事件是商用大飞机的恶意撞击。飞机和汽车撞击中，外部蒙皮和桁架框架往往在与刚度较大的混凝土壳体撞击时发生溃缩，主要造成结构的整体效应。而其中的发动机，重量大，构件尺寸厚重，一般容易造成局部穿透破坏。因此，测定预应力混凝土安全壳在这种特殊工况下的抗冲击性能非常重要。
3.最直接和可信的测定预应力混凝土安全壳抗冲击性能的方法是进行冲击试验，将发动机这种硬质飞射物施加一定速度，直接冲击到足尺的预应力混凝土安全壳结构上。但足尺或大比例试验一般用于型号定型后的验证。目前国内三代核电站的预应力混凝土安全壳结构一般直径30～40m，高度70～80m。飞机发动机重量一般也在数吨级别，将其加速到飞机的巡航速度100～300m/s产生撞击，也需要专门的试验装备。总体看足尺试验耗费非常巨大，可能造成的破坏也很有可能是局部损伤穿透。因此，需要提供一种合适的方法，测定预应力混凝土安全壳在类似发动机这种硬飞射物撞击下的抗冲击性能。同时，提供的方法还应该适用于开展较大量的试验，以便探索预应力混凝土安全壳体受冲击破坏的机理，用于验算或者改进相关设计。
4.可检索到混凝土抗冲击及混凝土靶相关专利基本都是采用落锤或摆锤相关的方法，打击素混凝土试块，最主要的目的是测试材料本身的抗冲击性能，而未引入结构本身的特性，如中国专利申请(申请号cn201010158871)公开的一种混凝土自动冲击测试仪及其测试方法、中国专利申请(申请号cn201310147117)公开的一种混凝土及砂浆自动抗冲击实验仪、中国专利申请(申请号cn201711113811)公开的一种混凝土抗冲击性能的检测装置及方法、中国专利申请(申请号cn201711235189)公开的一种混凝土疲劳冲击试验装置及其试验方法、中国专利申请(申请号cn201811081749)公开的一种超高速侵彻条件下混凝土靶中测试系统及方法。但这些专利与混凝土靶相关的专利也多着眼于混凝土材料本身的性质，尤其是没有包含对预应力这种特殊结构的考虑。但是，发明人发现，上述发明专利都无法通过简化方法，评估预应力混凝土安全壳这种特殊结构的抗冲击性能。


技术实现要素：

5.针对现有技术中所存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种预应力混凝土安全壳抗冲击性能的测试系统及方法，以更加简便、便于重复的测定预应力混凝土安全壳的抗冲击性能，同时可以探索预应力混凝土安全壳体受冲击破坏的机理，用于验算或者改进相关
设计。
6.为实现此目的，本发明提供一种预应力混凝土安全壳抗冲击性能的测试系统，所述测试系统包括弹体、靶板、靶箱；其中：
7.所述弹体为实心金属圆柱体，用于模拟刚性飞射物；
8.所述靶箱用于防止测试过程中产生的碎片飞溅伤人或造成设备损坏；所述靶箱内部设置有测试装置、回收装置，所述靶箱前部开有打击弹体进入孔；
9.所述靶板为预应力钢筋混凝土靶板，固定于所述靶箱内部，用于代表所述预应力钢筋混凝土安全壳进行抗冲击性能测试。
10.进一步，进行测试时，采用气炮或摆锤式装置将所述弹体加速到一定速度，飞入所述靶箱中撞击所述靶板；
11.所述弹体从所述打击弹体进入孔飞入所述靶箱，或者将所述气炮或摆锤式装置的发射管伸入所述打击弹体进入孔中。
12.进一步，所述靶箱包括靶箱上盖、靶箱底座，所述靶箱上盖与靶箱底座通过靶箱上下盖固定螺栓固定；所述靶箱截面呈圆形。
13.进一步，所述测试装置包括两道测速通电丝网片，所述测速通电丝网片通电且有连续的电信号；所述弹体飞过所述测速通电丝网片并打断所述测速通电丝网片上的丝网时，通过电信号间断时间差算得所述弹体的剩余速度。
14.进一步，所述回收装置包括砂石袋，用于所述弹体回收和防护；
15.所述靶箱后端的上部设置有活动盖，通过所述活动盖进行所述砂石袋的装填或取出。
16.进一步，所述靶板内部的纵向钢筋数量、拉筋排布密度、混凝土强度等级根据所述预应力钢筋混凝土安全壳及缩比因素确定。
17.进一步，所述靶板中设置有多个预应力筋，所述预应力筋采用预应力混凝土用螺纹钢筋，所述预应力筋的端头使用预应力筋端头锚固件固定；
18.所述预应力筋之间的净距至少大于所述弹体直径的两倍以上；将所述弹体在所述靶板上的设计打击点设置为被所述预应力筋双向箍紧的区域；
19.除了所述弹体击打或击穿的靶板正面、背面，在所述靶板的其余每个端面均设置端部钢垫板，包括上端钢垫板、下端钢垫板、两个侧端钢垫板、两个固定用侧垫板；每个所述预应力筋端头锚固件都作用于所述端部钢垫板上。
20.进一步，所述靶箱内设置有一对用于放置所述靶板的斜撑板：靶架左斜撑板、靶架右斜撑板；靶板的两个所述固定用侧垫板分别与所述靶架左斜撑板、靶架右斜撑板相贴合；
21.通过在所述靶架左斜撑板、靶架右斜撑板上垫钢板来调整高度，使得所述设计打击点与所述打击弹体进入孔的中心线重合。
22.进一步，所述靶板后方设置金属挡片，以遮挡住所述弹体从靶板背面飞出时带出的飞尘。
23.本发明还提供一种预应力混凝土安全壳抗冲击性能的测试方法，所述方法基于上述预应力混凝土安全壳抗冲击性能的测试系统实现，包括如下步骤：
24.s1、固定靶板、布置靶箱：将所述靶板固定在靶箱内后，在所述靶箱中放置所述金属挡片、测试装置、回收装置；
25.s2、弹体撞击靶板：采用气炮或摆锤式装置将所述弹体加速到一定速度，所述弹体经所述打击弹体进入孔飞入靶箱；
26.s3、探索预应力混凝土安全壳体受冲击破坏的机理，用于验算或者改进所述预应力混凝土安全壳体的相关设计。
27.本发明的有益效果在于，采用本发明所提供的一种预应力混凝土安全壳抗冲击性能的测试系统及方法，可以通过弹体、靶板、靶箱、及设置于靶箱内部的测试装置、回收装置等构成的测试系统来测试预应力混凝土安全壳抗冲击性能。本发明提供的测试系统及方法通过预应力筋给靶板施加预加力，以模拟原型预应力钢筋混凝土安全壳中的预应力钢束施加预加力；而且，预应力筋的端头使用预应力筋端头锚固件固定，并设置端部钢垫板传递预应力，从而近似模拟实际的预应力混凝土安全壳周围约束条件；通过分析靶板受到冲击后的破坏机理可以探索预应力混凝土安全壳体受冲击破坏的机理，用于验算或者改进相关设计。本发明所提供测试系统及方法可以节省单组实验造价，便于重复测定预应力混凝土安全壳的抗冲击性能。
附图说明
28.图1为本发明实施方式提供的预应力混凝土安全壳抗冲击性能的测试系统的靶板示意图。
29.图2为本发明实施方式提供的预应力混凝土安全壳抗冲击性能的测试系统的靶板在靶箱内固定示意图。
30.图3为本发明实施方式提供的预应力混凝土安全壳抗冲击性能的测试系统的靶箱内布置示意图。
31.图4为本发明实施方式提供的预应力混凝土安全壳抗冲击性能的测试方法示意图。
具体实施方式
32.为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行进一步清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。
33.如图1～3所示，本发明实施方式所提供的一种预应力混凝土安全壳抗冲击性能的测试系统，包括弹体、靶板、靶箱、及设置于靶箱内部的测试装置、回收装置等；其中：
34.所述弹体，设计为硬质实心金属圆柱体，用于模拟刚性飞射物。试验时，可采用气炮或摆锤式装置将其加速到一定速度，飞入靶箱撞击靶板。所述硬质实心金属圆柱体的尺寸、重量等参数，可根据具体计算工况进行等效设计。
35.所述靶箱，其主要功能是在试验室环境下，防止碎片飞溅伤人或造成设备损坏，同时还提供靶板的固定，并完成如弹体剩余速度等参数的测试。还可对穿透形态下飞出的弹体进行回收。所述靶箱截面呈圆形，以尽量容纳更大面积的靶板。顶部有盖可开合，便于放置以及移出靶板和其他试验相关部件。靶箱前部开有合适的打击弹体进入孔12，弹体从所述打击弹体进入孔12飞入靶箱，也可直接将气炮等装置的发射管直接伸入所述打击弹体进入孔12中。所述靶箱中，靶板后方的截面向下加大便于放置薄金属挡片13和测速通电丝网
片14。混凝土制成的靶板正面收到冲击后，若弹体穿透靶板，则弹体从靶板背面飞出时带出大量碎片和灰尘；若弹体未能穿透，应力波也会传播至靶板背面，形成层裂，造成碎片飞出。如要捕捉弹体从背面穿出的状态，则需要防止大量碎片、飞尘扩散，以免其遮挡高速摄影视线。因此，在靶板后方设置薄金属挡片13，弹体和极少部分碎片可穿过该薄金属挡片13，但大部分的飞尘被遮挡住，进而能够获得清晰的视线，也避免干扰测速通电丝网片14。薄金属挡片13后方设置有用作测试装置的两道所述测速通电丝网片14，各自通电且有连续的电信号。在弹体飞过并打断测速通电丝网片14上的丝网时，可通过电信号间断时间差算得弹体的剩余速度。靶箱最后方堆有用作回收装置的砂石袋16，靶箱后端的上部设置有活动盖15，以方便在靶箱上盖7固定后，通过活动盖15进行砂石袋16的装填或取出。结构松散的砂石具有非常优良的耗能能力，带有余速的弹体可被滞留于砂石中，后期再从砂石中回收弹体即可。通过判断弹体是否未产生较大变形，可以判断其能否实现测试刚性飞射物打击的试验意图。
36.所述靶板为预应力钢筋混凝土靶板，其代表预应力钢筋混凝土安全壳，用于测试预应力钢筋混凝土安全壳的抗冲击性能，是整个靶板系统的核心和关键所在。预应力钢筋混凝土安全壳最重要的特点在于，采用预应力钢束对钢筋混凝土壳体施加了一个预加力，以抵抗事故下内部产生的压力。因此，所述靶板除了内部配有与预应力钢筋混凝土安全壳相似的普通钢筋、具有可比拟的混凝土壳体厚度外，最重要的，还应模拟预应力钢束对预应力钢筋混凝土安全壳施加的预加力，给所述靶板施加预加力。
37.在预应力钢筋混凝土安全壳中，预应力钢束是通过预先张拉，产生回缩趋势，通过端头锚具传力到钢筋混凝土构件上，使混凝土构件产生预应力。在上述过程中，由于端头锚具位置的回缩等情况，会不可避免的导致预应力钢束施加的预加力的损失。预应力钢束越长，张拉时拉出长度越大，锚具回缩对其造成的影响也就越小。而受限于弹体发射装置的能量，靶板重量无法太大，靶板尺寸也无法太大，以节省单组实验造价，便于重复。因此，所述靶板尺寸远小于预应力钢筋混凝土安全壳，如果采用与预应力钢筋混凝土安全壳原型同样的方法给所述靶板施加预加力，无法使靶板产生与预应力钢筋混凝土安全壳同样的预应力，甚至由于锚固端锚夹具较大、传力段过长等，使其根本不具可实施性。因此，如何在较短的靶板上便捷的施加预加力，并使得混凝土达到一定的预应力水平也是本实施方式需要解决的问题之一。
38.本发明实施方式中，靶板中设置的预应力筋3采用国标gb/t 20065-2016规定的预应力混凝土用螺纹钢筋，以代替原型预应力钢筋混凝土安全壳中由多股钢绞线制成的预应力钢束。预应力混凝土用螺纹钢筋强度较高，截面积大，因此能提供的预应力水平也较高。预应力筋3的端头使用预应力筋端头锚固件6固定，所述预应力筋端头锚固件6可采用螺纹加螺丝锚固头的锚固方式，通过螺丝咬合几乎不会产生端头滑移。如图1所示，在底部两个直角部位进行切角处理后的方形靶板的钢筋混凝土板内部，分别沿平行于靶板上端、侧端的两个相互垂直的方向预留多个孔道，在多个所述孔道中排布预应力筋3。优选的，所述预应力混凝土用螺纹钢筋分别沿平行于靶板上端、侧端的两个相互垂直的方向居中布置。
39.而预应力筋的端头伸出靶板端面的部位均设置有端部钢垫板，所有的螺丝锚固头都作用于端部钢垫板上，以端部钢垫板作为中间传力介质，将一个方向所有预应力筋3提供的预压力，共同作用于钢筋混凝土靶板截面上。如此，双向垂直排布的预应力筋3可在靶板
中心部位形成一个预应力水平较高的混凝土区域。可将弹体在靶板上的设计打击点4设置为这个被预应力筋3双向箍紧的区域。两预应力筋3之间的净距应至少大于弹体直径的两倍以上，以避免预应力混凝土用螺纹钢筋的阻挡干扰。这样就形成了一个带有较高预应力水平的钢筋混凝土区域，可以比较有代表性的评价带预应力的钢筋混凝土安全壳体的性能。由于受到冲击形成的孔洞，是沿安全壳体厚度方向开裂，起到主要阻滞作用的是拉结正面和背面钢筋网的拉筋501。需要在弹体打击区域内合理设计布置拉筋数量，以体现实际钢筋混凝土安全壳体的拉筋密度。
40.为了便于沿两个方向采用螺丝锚固头和端部钢垫板配合进行预加力施加，所述靶板设计为方形，同时考虑到靶板应固定在靶箱内，将靶板底部两个直角部位进行如图1所示的切角处理，使切角处理后靶板底部两端头形成的角度与截面为圆形的靶箱内设置的两个斜撑板相配合。除了弹体击打或击穿的靶板正面、背面，在所述靶板的其余每个端面均设置端部钢垫板，包括上端钢垫板101、下端钢垫板102、两个侧端钢垫板103、每个所述侧端钢垫板103与下端钢垫板102的一个端头之间焊接的一个固定用侧垫板104。所述端部钢垫板除了起到预应力施加传递介质、靶板固定放置的作用，还承担作为预应力靶板边界的重要作用。将靶板的两个固定用侧垫板104直接放置于靶箱内设置的两个斜撑板上即可保持稳定，或进一步焊接固定。两个斜撑板上可加垫钢板以调整高度，使得靶板上的设计打击点4与打击弹体进入孔12的中心线重合。
41.靶板尺寸有限，可看作预应力混凝土安全壳上取出的一部分，显而易见，其四周应被外围混凝土约束。上端钢垫板101、下端钢垫板102、侧端钢垫板103、固定用侧垫板104内部还设置了围绕靶板的侧面钢板箍2；除了穿出预应力筋而开洞外，侧面钢板箍2连为一体，且侧面钢板箍2外部又被端部钢垫板箍紧，可近似模拟实际的预应力混凝土安全壳周围约束条件。上端钢垫板101、侧端钢垫板103、下端钢垫板102配合预应力筋及锚固件开孔。预应力筋张拉完毕且预应力筋端头锚固后，固定用侧垫板104的两端分别与所述侧端钢垫板103与下端钢垫板102焊接牢固，且固定用侧垫板104紧贴靶板底部混凝土斜边所紧贴的侧面钢板箍2对应斜边部分。
42.所述靶板内部的纵向钢筋数量、拉筋排布密度、混凝土强度等级根据缩比因素，以预应力钢筋混凝土安全壳原型综合考虑确定。若要获得更强的边界条件，可将纵筋502伸至侧面钢板箍2处，与之焊接。
43.如图1所示，本发明实施方式还提供一种预应力混凝土安全壳抗冲击性能的测试系统中靶板的制作方法，包括如下步骤：
44.s01、制作形成侧面钢板箍2，在侧面钢板箍2内制作钢筋笼，并预留预应力筋孔道：首先制作形成侧面钢板箍2，在预应力筋穿出部位开洞。在侧面钢板箍2内制作钢筋笼，如边界条件有较强约束要求，可将纵筋502端部焊接在到侧面钢板箍2上。钢筋笼中的拉筋排布以设计打击点4为控制点，使得弹体击打或击穿区域保持有合适数量的拉筋501，以体现实际安全壳体中拉筋对穿透破坏的阻滞作用。因所评估的是预应力钢筋混凝土靶板局部抗冲击的能力，设计打击点4处于双向预应力筋3的交汇区，预应力水平高，可较好体现预应力的作用。实际安全壳体原型受冲击后，其基本破坏模式为形成沿撞击物边缘的锥形块体或裂缝。横贯安全壳体厚度向的拉筋对于阻止裂缝的开展和锥形块体的飞出起到非常重要的作用。因此拉筋排布以与安全壳体原型的体积配筋率保持一致为准。其余拉筋501以控制点为
中心向四周扩展，若不以设计打击点4作为控制点，则可能打击位置正好处于拉筋分布的空格区域，无法保证每发试验破坏锥形块体打断其周围同样数量的拉筋501，不能保持多组平行试验的一致性。钢筋笼内预埋入金属波纹管以形成预应力筋孔道。
45.s02、浇筑设计强度的混凝土：在预留预应力筋孔道的侧面钢板箍2内浇筑设计强度的混凝土。在浇筑同时，多批留样，分别在预应力张拉、弹体打靶等关键时间节点的对应龄期测试混凝土强度。
46.s03、张拉预应力筋：在混凝土达到合适的龄期和强度后，将预应力混凝土用螺纹钢筋穿入预留预应力筋孔道中，同时在靶板的各个端面放置相应的高强钢材质上端钢垫板101、下端钢垫板102、侧端钢垫板103、固定用侧垫板104，张拉预应力混凝土用螺纹钢筋。张拉时，以靶板中心为基准，先张拉距离靶板中心较远的钢筋，后张拉距离靶板中心较近的钢筋，以使靶板中心部位获得更好的箍紧效应。预应力混凝土用螺纹钢筋的端头采用螺纹加螺丝锚固头的锚固方式固定。
47.如图1～3所示，本发明实施方式还提供一种预应力混凝土安全壳抗冲击性能的测试方法，所述方法基于上述预应力混凝土安全壳抗冲击性能的测试系统实现，包括如下步骤：
48.s1、固定靶板、布置靶箱：靶箱内的布置和靶板在其中的放置情况如图2和图3所示。靶板放置于打击弹体进入孔12之后一定位置。靶箱截面呈圆形，在放置靶板位置处左右各设置有一对斜撑板：即靶架左斜撑板10、靶架右斜撑板11。所设计靶板的两个固定用侧垫板104恰好与之相贴合。靶架左斜撑板10、靶架右斜撑板11上可垫钢板以调整高度，使得靶板设计打击点4与打击弹体进入孔12的中心线重合。靶板固定后，可盖上靶箱上盖7，并用靶箱上下盖固定螺栓8将靶箱上盖7与靶箱底座9固定。通过靶箱上盖7的几处开槽放置薄金属挡片13、测速通电丝网片14。打开最后方的活动盖15，向内装填砂石袋16，用于弹体回收和防护。
49.s2、弹体撞击靶板：可采用气炮或摆锤式装置将弹体加速到一定速度，弹体从所述打击弹体进入孔12飞入靶箱；也可直接将气炮或摆锤式装置的发射管直接伸入所述打击弹体进入孔12中。靶板正面受到弹体冲击后，若弹体穿透靶板，则弹体从靶板背面飞出时带出大量碎片；弹体飞过并打断通电丝网片14上的丝网时，可通过电信号间断时间差算得弹体的剩余速度。若弹体未能穿透，应力波也会传播至靶板背面而形成层裂，造成碎片飞出。同时，通过判断弹体是否未产生较大变形，可以判断其能否实现测试刚性飞射物打击的试验意图。
50.s3、探索预应力混凝土安全壳体受冲击破坏的机理：通过分析所述靶板受到冲击后的破坏机理，可以探索预应力混凝土安全壳体受冲击破坏的机理，用于验算或者改进预应力混凝土安全壳体的相关设计。
51.优选的，还可以根据需求在靶箱上盖7上开观察孔，采用高速摄影机，记录靶板前、靶板后情形。
52.上述实施例只是对本发明的举例说明，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。