钢筋混凝土梁近距离爆炸动态实验测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及混凝土结构动态响应测试技术领域，尤其涉及钢筋混凝土梁近距离爆炸动态实验测试系统及测试方法。

背景技术

钢筋混凝土结构因其优异的力学性能被广泛用于民用建筑、军事工程和核防护工程等方面。而爆炸载荷由于具有能量高、作用时间短、毁伤效果严重的特点，其对钢筋混凝土结构的毁伤越来越受到工程设计人员的重视。

钢筋混凝土梁是建筑结构的重要组成部分，当爆炸发生后钢筋混凝土梁由于受到整体或局部破坏而出现承载力及刚度的明显下降，从而影响其正常使用，最终造成建筑物连续倒塌现象。有鉴于此，不得不强调钢筋混凝土梁抗爆设计的必要性。但是在此之前，需要对爆炸载荷作用下钢筋混凝土梁的动态响应和毁伤模式有着清楚的了解。

目前为止，国内外关于爆炸载荷作用下钢筋混凝土梁的动态响应研究已经取得了很丰富的成果，并且提出了很多经验公式，并总结出了很多技术手册。但是这些丰富的成果更多是基于远距离爆炸，而关于近距离爆炸载荷对钢筋混凝土结构的毁伤研究内容较少，缺乏相关的经验公式。此外，近距离爆炸载荷在结构上的分布和远距离爆炸载荷在结构上的分布相差很大，而且近距离爆炸载荷的测试手段也十分有限，无法基于现有的经验公式或技术手册去评估近距离爆炸载荷作用下钢筋混凝土结构。因此，对近距离爆炸载荷作用下钢筋混凝土结构的动态响应和毁伤模式的研究是十分必要的。

发明内容

鉴于上述分析，本发明旨在提供钢筋混凝土梁近距离爆炸动态实验测试系统及测试方法，以解决现有的试验系统无法系统和全面地测试近距离爆炸时钢筋混凝土梁的动态响应和毁伤模式的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

钢筋混凝土梁近距离爆炸动态实验测试系统，包括基座、上铰支座和下铰支座，所述基座用于固定上铰支座、下铰支座和被测试的钢筋混凝土梁，所述上铰支座和下铰支座分别位于钢筋混凝土梁的上方和下方，所述下铰支座下方设有测力传感器。

进一步地，所述基座包括底座和固定架，所述固定架与底座可拆卸地连接。

进一步地，所述上铰支座包括第一压板、第一滚轴和第一铰支座垫板，所述第一滚轴为圆柱体，位于所述第一压板和第一铰支座垫板之间，所述第一压板和第一铰支座垫板都设有第一弧形凹槽。

进一步地，所述上铰支座安装在钢筋混凝土梁的两端的上方，所述第一压板通过垫块与所述固定架连接。

进一步地，所述下铰支座包括第二压板、第二滚轴和第二铰支座垫板，所述第二滚轴为圆柱体，位于第二压板和第二铰支座垫板之间，所述第二压板和第二铰支座垫板设有第二弧形凹槽。

进一步地，还包括动态测力装置，所述动态测力装置包括测力传感器、第三压板和底板，所述测力传感器通过内六角螺栓固定在第三压板和底板之间，所述第二铰支座垫板与第三压板面面接触。

进一步地，所述底板上设有导柱，所述导柱与所述底板固定连接，所述第二铰支座垫板上的相应位置设有导孔，所述导柱穿过所述导孔连接所述底板和所述第二铰支座垫板。

进一步地，还包括反射超压传感器，所述反射超压传感器通过固定装置固定在钢筋混凝土梁上。

进一步地，还包括挠度测试装置，所述挠度测试装置由拉线位移传感器和支架组成，所述拉线位移传感器的拉线和钢筋混凝土梁中预先埋好的环扣通过铁丝或者螺栓连接。

钢筋混凝土梁近距离爆炸动态实验测试方法，使用上述技术方案所述的钢筋混凝土梁近距离爆炸动态实验系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：安装并固定实验系统；

步骤2：安装反射超压传感器和挠度测试装置；

步骤3：正式实验。

本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明的钢筋混凝土梁近距离爆炸动态实验测试系统及测试方法，，可以完整地记录近距离爆炸载荷作用下钢筋混凝土梁的动态响应过程(挠度、反力、应变等)，同时可以得到近距离爆炸时混凝土梁不同位置的反射超压分布，为研究钢筋混凝土梁近距离抗爆机理研究提供思路和参考。

(2)本发明采用铰支结构和测力传感器结合的方式，实现了近距离爆炸载荷作用下钢筋混凝土梁的动态反力测试，并有效消除了爆炸作用下混凝土梁的剪切毁伤，为研究梁的弯曲提供了方便。

(3)本发明的测试系统及测试方法可得到被测试的钢筋混凝土梁不同位置的冲击波压力测试信号，防止由于炸药摆放不均匀、爆炸产物干扰、地面不平整等多种环境原因产生的不同位置的冲击波压力测试信号不同而产生的测量误差。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例钢筋混凝土梁近距离爆炸动态实验测试系统的结构示意图；

图2为本发明实施例上铰支座和下铰支座的安装位置示意图；

图3为本发明实施例基座的结构示意图；

图4为本发明实施例上铰支座的爆炸图；

图5为本发明实施例下铰支座和动态测力装置的爆炸图；

图6为本发明实施例固定装置的结构示意图；

图7为本发明实施例挠度测试装置的结构示意图。

附图标记：

1-基座，11-底座，12-固定架，2-上铰支座，21-第一压板，22-第一滚轴，23-第一铰支座垫板，3-下铰支座，31-第二压板，32-第二滚轴，33-第二铰支座垫板，4-动态测力装置，41-第三压板，42-测力传感器，43-底板，44-内六角螺栓，45-绝缘环，46-橡胶圈，5-挠度测试装置，51-拉线位移传感器，52-支架，6-固定装置，7-反射超压传感器，8-炸药，9-垫块；

100-钢筋混凝土梁。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

实施例1

本发明的一个实施例，如图1至图7所示，公开了钢筋混凝土梁近距离爆炸动态实验测试系统，包括基座1、上铰支座2和下铰支座3，基座1用于固定上铰支座2、下铰支座3和被测试的钢筋混凝土梁100，上铰支座2和下铰支座3分别位于钢筋混凝土梁100的上方和下方，下铰支座3下方设有测力传感器42。

本实施例的钢筋混凝土梁近距离爆炸动态实验测试系统采用铰支结构和测力传感器结合的方式，实现了近距离爆炸载荷作用下钢筋混凝土梁的动态反力测试，并有效消除了爆炸作用下混凝土梁的剪切毁伤，为研究梁的弯曲提供了方便。

具体地，基座1包括底座11和固定架12，底座11为整个实验测试系统提供支撑，固定架12与底座11可拆卸地连接(如，螺栓连接)，并可根据钢筋混凝土梁100的截面尺寸更换不同的固定架12。固定架12一方面能够约束钢筋混凝土梁100在宽度方向的位置，另一方面能够固定上铰支座2。

进一步地，上铰支座2包括第一压板21、第一滚轴22和第一铰支座垫板23，第一滚轴22为圆柱体，位于第一压板21和第一铰支座垫板23之间。第一压板21和第一铰支座垫板23都设有第一弧形凹槽，第一弧形凹槽的直径与第一滚轴22的直径一致，使得第一滚轴22能够在第一压板21和第一铰支座垫板23之间相对转动。

进一步地，上铰支座2放置在钢筋混凝土梁100的两端的上方，第一压板21通过垫块9与固定架12连接，从而在钢筋混凝土梁100发生弯曲变形时避免了钢筋混凝土梁100竖直方向上的反向弹跳。

示例性地，第一压板21上设有螺栓孔，固定架12的顶板上相应位置也设有螺栓孔，垫块9设有通孔，螺栓穿过第一压板21、垫块9和固定架12的顶板，将第一压板21与固定架12固定连接。

本实施例中，下铰支座3包括第二压板31、第二滚轴32和第二铰支座垫板33，第二滚轴32为圆柱体，位于第二压板31和第二铰支座垫板33之间。第二压板31和第二铰支座垫板33设有第二弧形凹槽，第二弧形凹槽的直径与第二滚轴32的直径一致，使得第二滚轴32能够在第二压板31和第二铰支座垫板33之间相对转动。

下铰支座3位于钢筋混凝土梁100和底座11之间。本实施例中，通过上下铰支的方式固定约束钢筋混凝土梁100，在爆炸载荷作用下钢筋混凝土梁100在弯曲的同时上下铰支座会发生转动，从而减轻了剪切破坏对钢筋混凝土梁100动态响应的影响。

进一步地，本实施例的实验测试系统还包括动态测力装置4，动态测力装置4包括测力传感器42、第三压板41和底板43，第三压板41设有沉孔，测力传感器42通过内六角螺栓44固定在第三压板41和底板43之间。第二铰支座垫板33与第三压板41面面接触。

进一步地，第三压板41和测力传感器42之间还设有绝缘环45，绝缘环45一方面能够约束测力传感器42的位置，另一方面能够提供缓冲，避免第三压板41和测力传感器42直接接触，对测力传感器42造成破坏。

进一步地，底板43上设有导柱，导柱与底板43固定连接，第二铰支座垫板33上的相应位置设有导孔，导柱穿过导孔连接底板43和第二铰支座垫板33，从而避免在非垂直载荷作用下第二铰支座垫板33和第三压板41之间发生滑移。

进一步地，为了避免下铰支座3在受到瞬时强冲击时破坏，导柱上还设有橡胶圈46，橡胶圈46的外径大于导孔的内径，一方面限制第二铰支座垫板33下移的距离，另一方面在下铰支座3受到瞬时强冲击时提供缓冲。

本实施例中，当钢筋混凝土梁100在冲击载荷作用下发生弯曲变形时，钢筋混凝土梁100的两端会对下铰支座3产生垂直向下的作用力。作用力通过下铰支座3传递到动态测力装置4上。测力传感器42在受到压力作用下产生压电信号，通过外接的动态数据采集仪和电荷放大器即可记录动态测力装置4的信号。根据动态测力传感器42的灵敏度，将压电信号换算为力信号，即为钢筋混凝土梁100在冲击载荷作用下的动态反力信号。

进一步地，为了记录钢筋混凝土梁100不同位置冲击波的波形压力信号，本实施例还设有反射超压传感器7。反射超压传感器7通过固定装置6固定在钢筋混凝土梁100上。

具体地，固定装置6为长条形板，固定装置6沿长度方向设有多个安装孔，用于安装反射超压传感器7。固定装置6的两端设有螺纹孔，通过螺栓固定在垫块9和固定架12之间。

进一步地，本实施例的钢筋混凝土梁近距离爆炸动态实验测试系统还设有挠度测试装置5。挠度测试装置5由拉线位移传感器51和支架52组成，拉线位移传感器51的拉线和钢筋混凝土梁100中预先埋好的环扣通过铁丝或者螺栓连接。当钢筋混凝土梁100发生变形时，拉线长度发生变化，拉线位移传感器51测量钢筋混凝土梁100在爆炸载荷作用下发生弯曲时的挠度变化，变化信号由外接的数据采集仪或者示波器记录。

实施例2

本发明的一个实施例，公开了一种钢筋混凝土梁近距离爆炸动态实验测试系统，适用于比例距离r≥0.3m/kg

本实施例中，底座11为框架结构，尺寸为100cm*50cm*60cm。固定架12高度为42cm，且顶部和底部分别设有4个和6个φ20mm的螺栓孔，分别用于连接上铰支座2和底座11。两个固定架12通过螺栓固定在底座11上，且两个固定架12之间的距离为15cm。

上铰支座2的第一压板21尺寸为55cm*20cm*5cm；第一滚轴22直径为12cm，长度为12.5cm；第一铰支座垫板23尺寸为20cm*12.5cm*4.5cm。第二压板31和第二铰支座垫板33设有弧形凹槽，使得第二滚轴32能够在第二压板31和第二铰支座垫板33之间相对转动。第一压板21上设有φ20mm的螺栓孔，通过长螺栓将第一压板21、垫块9和固定架12顶板固定连接，从而在钢筋混凝土梁100发生弯曲变形时避免了钢筋混凝土梁100竖直方向上的反向弹跳。

下铰支座3固定在基座1上，且位于两个固定架12之间，第二压板31和第二铰支座垫板33的尺寸与第一铰支座垫板23尺寸相同，第二滚轴32尺寸与第一滚轴22尺寸相同。

实施例3

本发明的一个实施例，公开了钢筋混凝土梁近距离爆炸动态实验测试方法，使用实施例1的钢筋混凝土梁近距离爆炸动态实验系统，具体包括以下步骤：

步骤1：安装并固定实验系统主体：

固定基座1，安装好动态测力装置4和下铰支座3。其中动态测力装置4的测力传感器42通过内六角螺栓44固定在第三压板41和底板43之间，实验前，给测力传感器42施加一定的预载荷，避免在突然冲击作用下测力传感器42发生损坏，影响实验结果。

随后采用吊车等设备将钢筋混凝土梁100放置好，放置好垫块9，使用长螺栓将上铰支座2和基座1固定好，从而约束好钢筋混凝土梁100。

步骤2：安装反射超压传感器7和挠度测试装置5：

安装反射超压传感器7和挠度测试装置5并连接到信号采集装置。实验前，进行预触发测试，检查各传感器信号响应是否正常，确保传感器能够正常工作。

步骤3：正式实验：

通过吊线将指定药量的炸药8固定在钢筋混凝土梁100上的指定高度，随后引爆炸药8，钢筋混凝土梁100受到冲击波的冲击，拉线位移传感器51记录钢筋混凝土梁100在爆炸冲击载荷作用下的挠度曲线；动态测力装置4记录钢筋混凝土梁100在爆炸冲击载荷作用下的反力变化曲线；反射超压传感器7记录炸药爆炸形成的冲击波载荷在钢筋混凝土梁100长度方向的分布情况。

根据测量得到的钢筋混凝土梁100的挠度曲线、反力变化曲线和载荷分布，以及在爆炸载荷作用下钢筋混凝土梁100的破坏程度，能够更好地对钢筋混凝土梁100进行毁伤评估。

综上所述，本发明实施例提供的钢筋混凝土梁近距离爆炸动态实验测试系统及测试方法，提出了一种近爆载荷作用下钢筋混凝土梁变形和冲击波超压载荷的测试方法，可以完整地记录近距离爆炸载荷作用下钢筋混凝土梁的动态响应过程(挠度、反力、应变等)，同时可以得到近距离爆炸时混凝土梁不同位置的反射超压分布，为研究钢筋混凝土梁近距离抗爆机理研究提供思路和参考；本发明采用铰支结构和测力传感器结合的方式，实现了近距离爆炸载荷作用下钢筋混凝土梁的动态反力测试，并有效消除了爆炸作用下混凝土梁的剪切毁伤，为研究梁的弯曲提供了方便。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。