一种预张拉式冲击试验装置及冲击试验方法

1.本发明涉及力学试验技术领域，更进一步涉及一种预张拉式冲击试验装置。此外，本发明还涉及一种冲击试验方法。


背景技术：

2.土木工程中，尤其是桥梁工程中，拉索结构易遭受风荷载、车辆荷载及相邻拉索断裂而引起的动力作用，因此明确拉索结构在动力（冲击）作用下的力学性能尤为重要。
3.目前抗冲击性能的试验装置主要有动态拉伸试验机和霍普金斯杆试验装置。其中，动态拉伸试验机的拉伸荷载及行程相对较小，难以模拟拉索结构，尤其是大型拉索结构，从遭受冲击直至破坏的整个受力情形，试验机所能提供的应力水平较低、变形量小，因此，此方法难以对拉索结构极限状态下的受力性能进行研究。霍普金斯杆试验装置则主要模拟高速冲击（应变速率高于100s-1
）下工程材料的力学性能，而拉索及其锚固系统在实际应用过程中所遭受通常是应变速率较低的低速冲击，因此霍普金斯杆试验装置对研究整个拉索结构的冲击性能并不适用。
4.更重要的是，实际应用过程中，拉索及其锚固系统承受拉力，因此，其在遭受冲击作用下已具有一定预张力。目前的试验方案均无法模拟拉索及其锚固系统受到预张力状态的抗冲击特性，试验状态与实际受力状态存在差异。
5.对于本领域的技术人员来说，拉索无法在受到预张力的状态下进行抗冲击试验，是目前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明提供一种预张拉式冲击试验装置，能够解决传统试验中无法在预拉力的条件下进行试验的技术问题，具体方案如下：一种预张拉式冲击试验装置，包括落锤机构、固定支架和滑动支架；所述落锤机构用于施加竖向冲击力；所述固定支架固定设置，其顶部设置固定锚板；所述滑动支架滑动安装于所述固定支架，所述滑动支架能够沿竖直方向滑动；所述滑动支架由上至下依次包括冲击承压板、滑动连杆和滑动锚板，所述冲击承压板用于承受所述落锤机构的冲击，所述滑动连杆的上段杆滑动贯穿所述固定锚板；所述滑动连杆的上段杆直径小于下段杆直径，且所述滑动连杆下段杆的外径大于所述固定锚板上对应的通孔内径；所述滑动连杆的上段杆直径小于下段杆直径，且所述滑动连杆下段杆的外径大于所述固定锚板上对应的通孔内径；拉索试件的两端分别固定连接锚固系统，两个所述锚固系统分别压在所述固定锚板和所述滑动锚板上施加预拉力。
7.可选地，所述滑动连杆设置尺寸突变的台阶面。
8.可选地，所述冲击承压板的中心设置中心过孔，所述拉索试件能够从所述中心过孔穿过。
9.可选地，所述固定支架还包括导向连杆和底座，所述固定锚板和所述底座分别固定于所述导向连杆的两端；所述滑动锚板与所述导向连杆滑动配合导向。
10.可选地，所述落锤机构包括提升机构、配重块、滑动导轨和锤头，所述提升机构和所述配重块由所述滑动导轨导向，所述锤头用于接触所述冲击承压板施加冲击力。
11.可选地，所述滑动连杆与所述固定锚板之间设置直线轴承，所述导向连杆与所述滑动锚板之间设置直线轴承。
12.可选地，所述滑动连杆和所述导向连杆分别设置四根；所述导向连杆位于所述滑动连杆的外围。
13.可选地，还包括防坠套筒，所述防坠套筒套装于所述滑动连杆之外，位于所述冲击承压板和所述固定锚板之间。
14.可选地，所述锚固系统包括螺纹套筒和调节螺母，所述螺纹套筒与所述拉索试件通过粘结介质或夹片实现锚固；所述调节螺母与所述固定锚板的上表面之间设置压力传感器。本发明还提供一种冲击试验方法，应用于上述任一项所述的预张拉式冲击试验装置，将拉索试件由冲击承压板中心设置的中心过孔由上至下送入，所述拉索试件的两端分别连接于锚固系统；张拉两个所述锚固系统，对所述拉索试件进行预张拉；设计并计算冲击速度、冲击能量，确定锤头配重和高度，并提升锤头；释放锤头，进行冲击试验，试验过程中采用压力传感器和应变片分别对拉索索力和应变进行全过程监测，采用电子位移计对两端锚固系统变形进行全过程监测，同时，采用高速摄像机对拉索及其锚固系统的冲击试验过程进行观测；当两个锚固系统均设置成可靠锚固，用于研究拉索自身的抗冲击性能；当其中一个锚固系统设置为可靠锚固，另一锚固系统设置为不同锚固方式、不同锚固长度及不同粘结介质的非可靠锚固系统用于研究不同锚固方式、长度及粘结介质的锚固系统的抗冲击性能。
15.本发明提供一种预张拉式冲击试验装置，滑动支架可相对于固定支架竖向移动，拉索试件的两端分别固定连接锚固系统，两个锚固系统分别压在固定锚板和滑动锚板上施加预拉力；滑动连杆的外径并不完全相等，滑动连杆的上段杆直径小于下段杆直径，且滑动连杆下段杆的外径大于固定锚板上对应的通孔内径；在施加冲击之前，调节锚固系统拉紧拉索试件，此时滑动连杆的直径变化位置顶在固定锚板的下表面，拉索试件受到预张拉的效果，模拟拉索实际使用的应用环境，此时施加冲击力与其实际工作条件相一致，解决了拉索无法在受到预张力的状态下进行抗冲击试验的问题。
16.本发明的冲击试验方法应用于预张拉式冲击试验装置，通过控制两个锚固系统的具体锚固形式，实现不同的研究内容。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为预张拉式冲击试验装置的结构示意图。
19.图中包括：落锤机构1、提升机构11、配重块12、滑动导轨13、锤头14、固定支架2、固定锚板21、导向连杆22、底座23、滑动支架3、冲击承压板31、中心过孔311、滑动连杆32、滑动锚板33、锚固系统4、螺纹套筒41、调节螺母42、压力传感器43、拉索试件5、防坠套筒6。
具体实施方式
20.本发明的核心在于提供一种预张拉式冲击试验装置，能够解决传统试验中无法在预拉力的条件下进行试验的技术问题。
21.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及具体的实施方式，对本发明的预张拉式冲击试验装置及冲击试验方法进行详细的介绍说明。
22.本发明提供一种预张拉式冲击试验装置，其中包括落锤机构1、固定支架2、滑动支架3、锚固系统4等部分；图1为预张拉式冲击试验装置的结构示意图；落锤机构1位于整个试验装置的最上方，落锤机构1用于施加竖向冲击力，通过重力的作用产生冲击，对拉索试件5施加拉伸的冲击力。
23.固定支架2固定设置，通常固定设置于地面，固定支架2的顶部设置固定锚板21，固定锚板21的位置保持固定不动；滑动支架3滑动安装于固定支架2，固定支架2对滑动支架3提供导向，滑动支架3能够沿竖直方向滑动。
24.滑动支架3由上至下依次包括冲击承压板31、滑动连杆32和滑动锚板33，三者相对固定形成一个整体。冲击承压板31位于滑动支架3的最上方，用于承受落锤机构1的冲击，滑动连杆32的上段杆滑动贯穿固定锚板21，滑动连杆32和固定锚板21配合实现导向。
25.滑动连杆32沿长度方向的尺寸并不完全相等，滑动连杆32的上段杆直径小于下段杆直径，且滑动连杆32下段杆的外径大于固定锚板21上对应的通孔内径；上段杆与下段杆的比例本发明不做具体的限定，滑动连杆32的上段杆各处直径相等，滑动连杆32的下段杆各处尺寸不做限定，优选采用各处直径相等的构造。拉索试件5的两端分别固定连接锚固系统4，两个锚固系统4分别压在固定锚板21和滑动锚板33上对拉，对拉索试件5施加预拉力。
26.结合图1，上方的锚固系统4可以压在固定锚板21的上表面，下方的锚固系统4可以压在滑动锚板33的下表面，调节两个锚固系统4的间距，使滑动锚板33和固定锚板21的间距减小，两者所能达到的最小间距由滑动连杆32限定，由于滑动连杆32的下段杆直径小于固定锚板21上对应的开孔尺寸，当滑动连杆32的上段杆与下段杆之间存在尺寸过渡区间与固定锚板21顶靠接触时，滑动锚板33和固定锚板21之间的间距达到最小，无法继续减小，此时能够使拉索试件5受到预张拉的效果，模拟拉索实际使用的应用环境。在拉索试件5自身受到预张拉作用的状态下施加冲击力，与其实际工作条件更加接近，解决了拉索无法在受到预张力的状态下进行抗冲击试验的问题，所得到的试验结果更加精准。
27.在上述方案的基础上，本发明的滑动连杆32设置尺寸突变的台阶面，也即滑动连杆32的上段杆与下段杆之间的交界处为尺寸突变结构，台阶面为环形，台阶面与滑动连杆32的轴线方向垂直。对拉索试件5施加预张拉作用时，台阶面与固定锚板21的下表面接触，
接触面更大，受力更为均匀。
28.优选地，冲击承压板31的中心设置中心过孔311，拉索试件5能够从中心过孔311穿过，中心过孔311的位置正对拉索试件5的安装位置，中心过孔311的内径大于拉索试件5的宽度，可以将拉索试件5从中心过孔311穿过，可以方便安装尺寸较长的试件。
29.更进一步，本发明的固定支架2还包括导向连杆22和底座23，固定锚板21和底座23分别固定于导向连杆22的两端，固定锚板21、导向连杆22和底座23相对固定为一体；滑动锚板33与导向连杆22滑动配合导向，滑动锚板33上设置通孔，导向连杆22从通孔中穿过，增加竖向位移的稳定性。
30.具体地，本发明的落锤机构1包括提升机构11、配重块12、滑动导轨13和锤头14，滑动导轨13固定设置，提升机构11和配重块12由滑动导轨13导向，沿竖直方向移动；锤头14用于接触冲击承压板31施加冲击力，锤头14安装于配重块12的底部，提升机构11可以将配重块12向上抬起，提升机构11放松后配重块12下落，由锤头14对冲击承压板31施加冲击力。
31.优选地，本发明在滑动连杆32与固定锚板21之间设置直线轴承，导向连杆22与滑动锚板33之间设置直线轴承，直线轴承可以降低滑动过程中的摩擦阻力，提高试验精度。
32.滑动连杆32和导向连杆22分别设置四根；导向连杆22位于滑动连杆32的外围，导向连杆22位于更靠外的位置可以提升支撑稳定性；拉索试件5位于四根滑动连杆32的中心。
33.在上述任一技术方案及其相互组合的基础上，本发明还包括防坠套筒6，防坠套筒6套装于滑动连杆32之外，位于冲击承压板31和固定锚板21之间。防坠套筒6由钢管制成，钢管内径应大于滑动连杆上段杆的直径，当拉索试件5断裂或被拉伸尺寸过长，由防坠套筒6限定整个滑动支架3的最低位置，保证冲击作用下整个滑动支架3在设定长度范围内滑动，确保试验装置、测试设备和试验人员的安全。
34.锚固系统4包括螺纹套筒41和调节螺母42，螺纹套筒41与拉索试件5通过粘结介质或夹片实现锚固，锚固系统4采用粘结式锚固系统、夹片式锚固系统或组合式锚固系统。粘结式锚固系统的粘结介质可采用水泥基材料（普通混凝土、超高性能混凝土等）和树脂基材料（环氧树脂、环氧铁砂）等。通过拧紧螺栓的方式使两个锚固系统4对拉索试件5施加拉力。
35.调节螺母42螺纹连接于螺纹套筒41；上下两个调节螺母42压在固定锚板21和滑动锚板33上施加预拉力，拧动调节螺母42可以增大或减小预拉力。
36.调节螺母42与固定锚板21的上表面设置压力传感器43，压力传感器43用于检测拉索试件5受到的拉力。本发明在位于上方的锚固系统和固定锚板21间设置压力传感器43，锤头施加的冲击载荷作用于拉索试件5，冲击载荷并非直接作用于压力传感器，从而消除了惯性力的影响。
37.本发明还提供一种冲击试验方法，应用于上述的预张拉式冲击试验装置，包括以下步骤：s1、将拉索试件5由冲击承压板31中心设置的中心过孔311由上至下送入，拉索试件5的两端分别连接于锚固系统4。
38.s2、张拉两个锚固系统4，对拉索试件5进行预张拉。
39.s3、设计并计算冲击速度、冲击能量，确定锤头配重和高度，并提升锤头。
40.s4、释放锤头，进行冲击试验，试验过程中采用压力传感器和应变片分别对拉索索力和应变进行全过程监测，由于在预张拉式冲击试验装置中，位于上方的锚固系统和固定
锚板21间设置压力传感器43，在施加冲击载荷时，可以消除压力传感器43中惯性力的影响，采用电子位移计对两端锚固系统变形进行全过程监测，同时，采用高速摄像机对拉索及其锚固系统的冲击试验过程进行观测。
41.本发明可以通过调节两个锚固系统4的锚固状态实现不同的试验目的：当两个锚固系统4均设置成可靠锚固，保证在冲击作用下锚固系统4不发生损坏而自由段拉索破坏，用于研究拉索自身的抗冲击性能。
42.当其中一个锚固系统4设置为可靠锚固，另一锚固系统4设置为不同锚固方式、不同锚固长度及不同粘结介质的非可靠锚固系统用于研究不同锚固方式、长度及粘结介质的锚固系统的抗冲击性能。
43.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。