基于压膜效应的梁式构件抗爆炸作用试验装置及测试方法

1.本发明涉及基于压膜效应的梁式构件抗爆炸作用试验装置及测试方法，属于梁式构件抗爆炸试验技术领域。


背景技术：

2.抗爆炸结构中，具有类比刚度的弱联结框架梁或围框约束的板不宜简化为简支或固支梁式构件。在爆炸作用下梁式构件的下边缘出现拉伸，在某些情况下其纵向变形受到支座的约束，使得梁式构件端部产生挤压，并使受拉区的伸长受到限制，同时在结构的内部产生纵向压力。且由于纵向压力属于梁式构件下部受拉区的偏心力，因而会进一步在支座与构件接触边界产生弯矩作用。同时，纵向压力与弯矩的共同作用(即压膜效应)随梁式构件挠度变化而变化，并导致结构的抗力和破坏模式发生改变。
3.一般而言，压膜效应会导致梁式构件的抗力明显提高，而传统屈服线理论并没有考虑压膜效应对梁式构件的抗力影响，例如现有的设计规范把压膜效应对抗力的影响看作一种安全储备而不以深入研究，或者笼统地将基于屈服线理论得到的结构抗力乘以1.5～2.0系数进行考虑，导致严重低估梁式构件的结构承载力，从而导致承载力难以得到合理利用，并增加了梁式构件的制造材料和制作成本。因此，弄清压膜效应对梁式构件结构抗力的作用机理可以更加准确预测梁式构件的结构承载能力(抗力)，使梁式构件的承载力能得到合理的利用，并节省制造材料和制造成本。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供基于压膜效应的梁式构件抗爆炸作用试验装置及测试方法，旨在获取相关的实验数据，以供研究弄清压膜效应对梁式构件结构抗力的作用机理。
5.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
6.第一方面，本发明提供了基于压膜效应的梁式构件抗爆炸作用试验装置，包括混凝土支墩和位于滚凝土支墩上的梁式构件，还包括：
7.压膜作用加载机构，所述压膜作用加载机构包括分别与梁式构件纵向两端壁位于中性面以下的部分贴合的垫块、多根位于垫块和梁式构件之间的圆形钢管、以及对称设于梁式构件底部纵向两侧的滚轴；
8.多个电阻应变片，位于梁式构件纵向至少一侧的所述圆形钢管横截面分别装有所述电阻应变片，用于监测所在圆形钢管的压缩应变数据；
9.多个位移传感器，多个所述位移传感器设于梁式构件正下方且纵向间隔分布，用于监测梁式构件的不同部位的垂向位移；以及数据采集装置，所述数据采集装置用于在梁式构件受爆炸荷载与压膜效应共同作用的不同时刻，采集各个电阻应变片监测到的压缩应变数据以及各个位移传感器监测到的垂向位移数据，以供后续与圆形钢管已知的弹性模量、直径、长度l、泊松比u、加载角α和各圆形钢管的轴线与中性面的距离di结合进行计算和
统计分析，获得所有圆形钢管在所述不同时刻为梁式构件提供的纵向总约束力数据n和总抵抗弯矩数据m，从而获得在爆炸荷载作用下梁式构件不同时刻垂向位移所对应的压膜作用大小、以及在爆炸荷载与压膜效应下梁式构件的挠度-时间关系。
10.进一步的，所述梁式构件纵向两侧设有两个垫块，所述一垫块通过高强度环氧树脂与梁式构件两侧端壁紧密结合，所述垫块侧壁均布设有半圆形的第一凹槽，二者紧密结合形成圆形凹槽，同时圆形钢管的直径与水平凹槽相适，以供圆形钢管卡入，所述一垫块通过高强度环氧树脂与梁端壁紧密结合，所述另一垫块与混凝土支墩紧密结合。
11.进一步的，所述圆形钢管的数量与圆形凹槽一致，且所述垫块的上端面与梁式构件水平中轴线重合。
12.进一步的，所述梁式构件水平架设于两水平间隔设置的滚轴上，以便爆炸作用后梁能够纵向自由伸缩，所述滚轴立于混凝土支墩上方，混凝土支墩固结于刚性地面，两混凝土支墩之间还连接有刚性横梁，所述刚性横梁通过钢板固定于混凝土支墩处，多个位移传感器装于刚性横梁位于梁式构件正下方的位置，且从对应梁式构件纵向中心的位置向其中一个混凝土支墩的方向间隔均均分布。
13.进一步的，对称设于所述梁式构件纵向两侧的圆形钢管的数量均为三根，且垂向两两相邻的圆形钢管的轴线间距均为d。
14.如权利要求所述的基于压膜效应的梁式构件抗爆炸作用试验装置及测试方法，其特征在于：还包括计算及分析装置，计算及分析装置执行基于圆形横截面受到均布荷载时应力与应变的关系并获得纵向总约束力数据n和总抵抗弯矩数据m，以及获得在爆炸荷载与压膜效应下梁式构件的挠度-时间关系。
15.进一步的，如上述任意一项所述基于压膜效应的梁式构件抗爆炸作用试验装置的试验方法，包括步骤：
16.s1、布置试验装置，并在梁式构件中央的正上方一定高度处设置炸药；
17.s2、引爆炸药以对梁式构件的上表面施加爆炸荷载；
18.s3、通过数据采集分析装置在梁式构件受爆炸荷载作用的不同时刻，采集各个电阻应变片监测到的压缩应变数据以及各个位移传感器监测到的垂向位移，以供后续与圆形钢管已知的弹性模量、直径、长度l、泊松比、加载角α和各圆形钢管的轴线与中性面的距离di结合进行计算和统计分析，获得所有圆形拉杆在所述不同时刻为梁式构件提供的纵向总约束力数据n和总抵抗弯矩数据m，从而获得在爆炸荷载作用下梁式构件不同时刻垂向位移所对应的压膜作用大小、以及在爆炸荷载与压膜效应下梁式构件的挠度-时间关系。
19.进一步的，所述步骤s3中，纵向总约束力数据n和总抵抗弯矩数据m基于圆形横截面受到均布荷载时应力与应变的关系进行计算获得，具体为：
20.由下至上，每对称的两根圆形钢管7提供的纵向约束力：
[0021][0022]
所有圆形钢管7提供的总纵向约束力：
[0023]
n＝∑niꢀꢀ
公式(2)；
的含义是两个或两个以上。
[0039]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0040]
实施例1
[0041]
本发明提出一种基于压膜效应的梁式构件抗爆炸作用试验装置。
[0042]
在本发明实施例中，如图1至4所示，该基于压膜效应的梁式构件抗爆炸作用试验装置，包括压膜作用加载机构1、多个电阻应变片2、多个位移传感器3以及数据采集装置(未图示)。
[0043]
其中，压膜作用加载机构1包括分别与梁式构件100纵向两端壁位于中性面以下的部分贴合的垫块5、夹板8、多根位于垫块5和夹板8之间的圆形钢管7、以及对称设于梁式构件100底部纵向两侧的滚轴4。所述垫块5和垫块8的相向壁面分别成型有相对的半圆形的第一凹槽111、和第二凹槽121可供圆形钢管7卡入，以防止试验过程中圆形钢管7发生滑动错位，垫块5通过高强度环氧树脂与梁端壁紧密结合，垫块8与混凝土支墩200紧密结合，同时利用对称设于梁式构件100底部纵向两侧的滚轴4，以便爆炸作用后梁式构件100能够纵向自由伸缩，以使钢管7、垫块5、夹板8和梁式构件100发生一致的摆动，并通过圆形钢管7的纵向约束作用对梁式构件100的端部形成纵向压力和弯矩联合作用(即压膜效应)。位于梁式构件100纵向至少一侧的所述圆形钢管7分别装有所述电阻应变片2，用于监测所在圆形钢管7的压缩应变数据εi。多个所述位移传感器3设于梁式构件100下方且纵向间隔分布，用于监测梁式构件100的不同部位的垂向位移。数据采集装置用于在梁式构件100受爆炸荷载与压膜效应共同作用的不同时刻，采集各个电阻应变片2监测到的压缩应变数据εi以及各个位移传感器3监测到的垂向位移数据。以供后续与圆形钢管7已知的弹性模量es、直径d、长度l、泊松比μ、加载角α和各圆形钢管7的轴线与中性面的距离di(即力臂)结合进行计算和统计分析，获得所有圆形钢管7在所述不同时刻为梁式构件100提供的纵向总约束力数据n和总抵抗弯矩数据m(圆形钢管7为梁式构件100提供的所述纵向总约束力数据n和总抵抗弯矩数据m最终通过垫块5、8作用于梁式构件100的端部并形成纵向压力和弯矩联合作用)，从而获得在爆炸荷载作用下梁式构件100不同时刻垂向位移所对应的压膜作用大小、以及在爆炸荷载与压膜效应下梁式构件100的挠度-时间关系，并以此定量判断压膜效应对梁式构件抗爆炸承载力的影响，进而使梁式构件100的承载力能得到合理的利用，并节省制造材料和制造成本。
[0044]
在本发明实施例中，所述圆形钢管7的数量可以为两根、三根、四根、五根或者更多，圆形钢管7的直径与位于垫块5的半圆形的第一凹槽111和垫块8的半圆形的第二凹槽121形成的圆形凹槽相适，供圆形钢管7卡入，以防止试验过程中圆形钢管7发生滑动错位。具体地，所述圆形钢管7的数量优选与半圆形的第一凹槽111和第二凹槽121一致，所述圆形钢管7的长度与垫块5和垫块7的宽度一致，且圆形钢管7的轴线延长线优选与垫块5和垫块8的中轴线垂直相交，便于确定圆杆钢管7的轴线与中性面的距离di。
[0045]
在本发明实施例中，所述垫块8与梁式构件100端壁通过高强度环氧树脂紧密结
合，所述梁式构件100梁式构件水平架设于两水平间隔设置的滚轴4上，所述滚轴4只提供竖向的支持力，并不会限制梁的水平运动和弯曲，以便爆炸作用后梁式构件100能够纵向自由伸缩。在本发明实施例中，所述刚性横梁300与混凝土支墩200的连接方式有多种，例如通过卡扣结构、焊接或得通过螺纹连接结构连接。优选通过螺纹连接结构连接，在一较佳实施例中，刚性横梁300通过预留螺栓孔和钢板6与混凝土支墩200连接。可以理解地，位移传感器3为现有技术，其有多种实施方式，优选滑线电阻式位移计，其可通过数据线或者无线通信模块(如wifi通信模块、gprs通信模块或者蓝牙通信模块等的至少一种)与数据采集装置连接，通过调整数据采集装置的采样频率，例如每隔0.001毫秒采集相应位移传感器3检测到的一个垂向位移数据，并自动地把不同时刻对应的挠度记录下来，进而得到试验过程中梁式构件100的挠度-时间关系曲线。
[0046]
可以理解地，电阻应变片2为现有技术，其粘贴于相应于相应圆形钢管7的横截面处，并通过数据线或者无线通信模块(如wifi通信模块、gprs通信模块或者蓝牙通信模块等的至少一种)与数据采集装置连接，通过调整数据采集装置的采样频率，例如每隔0.001毫秒采集相应电阻应变片2检测到的一个压缩应变数据εi。
[0047]
在本发明实施例中，所述梁式构件100水平架设于两水平间隔设置的滚轴4上，滚轴4对梁式构件100两端的垂向运动进行限制，并不限制梁的水平运动和弯曲，以保证梁式构件100在受到爆炸作用后在纵向方向可以自由伸缩，梁式构件100优选等截面，其截面形状优选长方形或者正方形。所述滚轴4立于混凝土支墩200上方，所述混凝土支墩200固结于刚性地面，两混凝土支墩200之间还连接有刚性横梁300，所述刚性横梁300通过钢板6固定于混凝土支墩200处。所述位移传感器3的数量可以为两个、三个、四个、五个或者更多，如图1所示，为三个的情况，三个位移传感器3纵向间隔装于刚性横梁300位于梁式构件100正下方的位置，可在保证准确检测梁式构件100的相应部位的垂向位移的同时，避免位移传感器3受爆炸冲击波冲击而损坏。
[0048]
优选地，所述位移传感器3从对应梁式构件100纵向中心的位置向其中一个混凝土支墩200的方向间隔均均分布。刚性横梁300由角钢制成，其两端与混凝土支墩200可拆卸固连。
[0049]
可以理解地，纵向总约束力数据n和总抵抗弯矩数据m可基于圆形横截面受到均布荷载时应力与应变的关系进行计算获得，具体为：
[0050]
由下至上，每对称的两根圆形钢管7提供的纵向约束力：：
[0051][0052]
所有圆形钢管7提供的总纵向约束力：
[0053]
n＝∑niꢀꢀ
公式(2)；
[0054]
由下至上，每对称的两根圆形钢管7提供的抵抗弯矩为：
[0055]
mi＝ndiꢀꢀ
公式(3)；
[0056]
所有圆形拉杆14提供的总抵抗弯矩：
[0057]
m＝∑miꢀꢀ
公式(4)；
[0058]
将公式(1)代入公式(2)可得到所有圆形钢管7提供的总纵向约束力n，将公式(3)代入公式(4)可得到所有圆形钢管7提供的总抵抗弯矩m，其中，es为圆形钢管7的弹性模量、d为圆形钢管7的直径、l为圆形钢管7的长度、μ为圆形钢管7的泊松比、α为圆形钢管7受到均布荷载时的加载角、di为圆形钢管7的轴线与中性面的距离，均为已知量，εi为相应电阻应变片2检测到的由下至上第i根圆形钢管7的压缩应变，i为1，2，3......，n。
[0059]
以对称设于梁式构件100纵向两侧的圆形钢管7的数量均为三根、且由下至上圆形钢管的轴线与梁中性面的距离为di(即d1对应于由下至上第一根圆形钢管与梁中性面的距离)为例所有圆形钢管7提供的总纵向约束力：
[0060][0061]
所有的圆形钢管7提供的总抵抗弯矩：
[0062][0063]
具体地，还包括计算及分析装置，计算及分析装置可执行上述基于圆形横截面受到均布荷载时应力与应变的关系计算并获得纵向总约束力数据n和总抵抗弯矩数据m，以及获得在爆炸荷载与压膜效应下梁式构件100的挠度-时间关系，并以此定量判断压膜效应对梁式构件抗爆炸承载力的影响。具体地，所述计算及分析装置可以为存储于数据采集装置的存储器中的计算机软件，也可以是独立于数据采集装置外的装置。
[0064]
在介绍了本发明基于压膜效应的梁式构件抗爆炸作用试验装置的实施方式之后，接下来将对采用本发明基于压膜效应的梁式构件抗爆炸作用试验方法的实施方式进行介绍。基于压膜效应的梁式构件抗爆炸作用试验装置的具体结构见上述实施例，重复之处可不作赘述。
[0065]
本发明还提出了一种基于压膜效应的梁式构件抗爆炸作用试验方法，包括步骤：
[0066]
s1、布置试验装置，并在梁式构件100中央的正上方一定高度处设置炸药；
[0067]
具体地，所述炸药优选tnt球形炸药，其悬挂于梁式构件100纵向中心的正上方位置，炸药与梁式构件100的垂向距离可根据试验需求并结合炸药的当量以及梁式构件100的材质、长度和横截面大小等因素而定。
[0068]
s2、引爆炸药以对梁式构件100的上表面施加爆炸荷载(即对梁式构件100产生爆炸冲击波作用)；
[0069]
具体地，炸药的引爆有多种实施方式，以保证试验的安全性和不影响试验的顺利进行为准。例如，可利用4号铜电雷管进行远距离中心引爆，炸药爆炸后主要对梁式构件100的上表面施加爆炸荷载；此外，通过改变炸药质量可获得不同比例爆距的爆炸荷载，施加不同大小的爆炸作用。
[0070]
s3、通过数据采集分析装置在梁式构件100受爆炸荷载作用的不同时刻，采集各个电阻应变片2监测到的压缩应变数据εi以及各个位移传感器3监测到的垂向位移，以供与圆形钢管已知的弹性模量es、直径d、长度l、泊松比μ、加载角α和各圆形钢管的轴线与中性面
的距离di结合进行计算和统计分析，获得所有圆形钢管7在所述不同时刻为梁式构件100提供的纵向总约束力数据n和总抵抗弯矩数据m，从而获得在爆炸荷载作用下梁式构件100不同时刻垂向位移所对应的压膜作用大小、以及在爆炸荷载与压膜效应下梁式构件100的挠度-时间关系，并以此定量判断压膜效应对梁式构件抗爆炸承载力的影响，进而使梁式构件100的承载力能得到合理的利用，正确指导工程抗爆设计，并节省制造材料和制造成本。
[0071]
在本发明实施例中，所述步骤s3中，纵向总约束力数据n和总抵抗弯矩数据m可基于圆形横截面受到均布荷载时应力与应变的关系进行计算获得，具体为：
[0072]
由下至上，每对称的两根圆形钢管7提供的纵向约束力：：
[0073][0074]
所有圆形钢管7提供的总纵向约束力：
[0075]
n＝∑niꢀꢀ
公式(2)；
[0076]
由下至上，每对称的两根圆形钢管7提供的抵抗弯矩为：
[0077]
mi＝ndiꢀꢀ
公式(3)；
[0078]
所有圆形拉杆14提供的总抵抗弯矩：
[0079]
m＝∑miꢀꢀ
公式(4)；
[0080]
将公式(1)代入公式(2)可得到所有圆形钢管7提供的总纵向约束力n，将公式(3)代入公式(4)可得到所有圆形钢管7提供的总抵抗弯矩m，其中，es为圆形钢管7的弹性模量、d为圆形钢管7的直径、l为圆形钢管7的长度、μ为圆形钢管7的泊松比、α为圆形钢管7受到均布荷载时的加载角、di为圆形钢管7的轴线与中性面的距离，均为已知量，εi为相应电阻应变片2检测到的由下至上第i根圆形钢管7的压缩应变，i为1，2，3......，n。
[0081]
以对称设于梁式构件100纵向两侧的圆形钢管7的数量均为三根、且由下至上圆形钢管的轴线与梁中性面的距离为di(即d1对应于由下至上第一根圆形钢管与梁中性面的距离)为例所有圆形钢管7提供的总纵向约束力：
[0082][0083]
所有的圆形钢管7提供的总抵抗弯矩：
[0084][0085]
可以选择地，在步骤s2中，可通过调整数据采集装置的采样频率，例如每隔0.001毫秒采集相应电阻应变片2检测到的一个压缩应变数据εi以供计算，以及采集位移传感器3检测到的一个垂向位移数据，并自动地把不同时刻对应的挠度记录下来，进而得到试验过程中梁式构件100的挠度-时间关系曲线。
[0086]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。