一种用于落石拦截系统中消能器动力试验的筒式导引定向冲击装置及试验方法

摘要

本发明公开了一种用于落石拦截系统中消能器动力试验的筒式导引定向冲击装置及其试验方法，包括冲击块、起吊设备、拉索、悬臂支架、拉力传感器，还包括竖直导筒，反力墙以及基坑；所述反力墙垂直设置于基坑的一侧。所述起吊设备牵引冲击块悬停于导筒内的某个标高处，释放冲击块使其沿着导筒内空腔自由下落并带动与之相连的拉索，拉索牵引消能器试件使其启动工作，通过与消能器试件相连的拉力传感器得到所需试验数据。本发明的试验装置可以修建在就近场地，试验场地不受现场环境限制，不需要每次试验时搬运试验设备到较陡峭的悬崖，能够有效降低每次的试验成本，提高工作效率，且能重复使用。

说明书

技术领域

本发明涉及边坡防护技术领域，具体为一种落石拦截系统消能器动力实验的筒式导引定向冲击装置。

背景技术

我国地势西高东低，呈阶梯状分布，地形复杂多样，山区面积广大，主要呈现为西部地形以山地、盆地、高原为主，在这些地形区中，盆地多风蚀地形；山区多冰蚀地形，青藏高原多冻土地貌。随着全球气候的变化我国已成为地质灾害最严重的国家之一。针对量大面广的落石、崩塌等地质灾害，学者和工程师们提出了多种应对措施和方法，其中，被动柔性防护就是一种被广泛使用的防护技术。防护系统消能器防性能的高低决定了防护效果的好坏，但国内目前检测落石防护系统消能器性能的试验装置仍停留在拟静力阶段，不能体现动力效果对消能器的影响，故进行落石冲击试验尤为重要，如何模拟落石防护系统消能器这一过程，让试验有立足之地，若是这一技术问题不能有效解决，就无法进行动态检测试验。

而国外同类型的落石拦截系统中消能器动力试验基本上是利用既有山崖开展冲击试压，没有引导冲击块的引导限位装置，其缺点是试验场地容易受现场环境的影响，而且试验场地往往距离市区较远，每次运送试验材料的成本相对较高，花费时间多。同时，不能保证冲击块的动能全部传递给消能器试件，给后续的受力分析带来困难，由于冲击块的轨迹不固定存在安全隐患，严重威胁试验人员的生命安全。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种就近修建的可降低试压成本，提高试验效率且能有效传递冲击作用降低安全隐患的试验装置。技术方案如下:

一种用于落石拦截系统中消能器动力试验的筒式导引定向冲击装置，包括：

用于产生冲击动能的冲击块，冲击块顶部设有吊环；

为冲击试验提供缓冲空间并起防护作用的基坑，基坑的底部设有锥形护坑；

反力墙，所述反力墙竖直设置于所述基坑的一侧，所述反力墙上设置有间距500mm×500mm的锚孔；在锥形护坑正上方的反力墙上安装有竖直导筒，竖直导筒为分段结构，竖直导筒各段之间以及竖直导筒的基座与反力墙之间通过螺栓固定；

悬臂支架，所述悬臂支架通过设置在锚孔中的锚杆与反力墙固定，所述悬臂支架设置在竖直导筒两侧，竖直导筒一侧的所述悬臂支架至少包括两个，其中至少一个悬臂支架上固定有定滑轮，至少一个悬臂支架上连接有消能器；

用于提升并释放试件的起吊设备，所述起吊设备能够将冲击块悬吊于竖直导筒正上方；

用于传递冲击力的拉索，所述拉索两端分别连接至竖直导筒两侧的悬臂支架上连接的消能器，所述拉索中段依次绕过竖直导筒一侧的定滑轮、穿过所述吊环、绕过竖直导筒另一侧的定滑轮。

进一步地，反力墙在2/3高度处的墙面上有油漆标注的水平标尺，在基坑底部锥形护坑正上方的反力墙的底部有油漆标注的呈倒梯形形状的竖向标尺。

进一步地，所述消能器上连有拉力传感器。

进一步地，所述冲击块为球体，其直径为0.4m-2m，重量为0.25t-25t。

进一步地，所述起吊设备采用可移动的龙门吊。

进一步地，悬臂支架共4个，竖直导筒每侧各2个。

进一步地，所述竖直导筒为3/4圆弧的弧形筒，长度1.5m/段，直径为0.45m-2.05m，筒壁内侧光滑，筒身竖向均匀分布有环形加强龙骨，筒端龙骨均匀设置螺栓孔，筒端龙骨与基座连接，通过基座与反力墙固定。

进一步地，反力墙的高度为30m，长度为30m，所述锚孔横纵方向的间隔为500mm。

进一步地，基坑两侧设有钢轨，所述起吊设备可在钢轨上运行。

另一方面，本申请还保护一种根据上述落石防护系统消能器动力试验的筒式导引定向冲击装置的试验方法，包括以下步骤：

根据落石防护系统消能器动力试验所需冲击动能确定冲击块的尺寸和冲击速度；

根据冲击块的尺寸、冲击速度确定竖直导筒内径、尺寸、高度；

在基坑底部锥形护坑正上方的反力墙上安装、拼接竖直导筒，竖直导筒各段之间以及基座与反力墙之间通过螺栓固定；

在竖直导筒顶部两侧500mm处分别安装左侧的悬臂支架，左侧的悬臂支架在锚孔允许的情况下尽可能靠近竖直导筒或位于竖直导筒内侧不影响起吊设备起吊试块的位置，避免拉索与竖直导筒顶部摩擦，右侧的悬臂支架在竖直方向低于左侧的悬臂支架500mm，水平距离大于等于落石防护系统消能器的行程；

在待安装的消能器上用颜料或油漆对变形初始位置处进行标记，以便于在冲击过程中可以通过高速摄像机捕捉消能器的变形全过程，或者便于在冲击试验后直接测量其变形长度；

采用卸扣将拉力传感器与消能器和悬臂支架连接成整体；

利用绳夹将消能器与拉索连接，拉索从一侧的消能器伸出依次经过一侧的定滑轮、试块上的吊环、另一侧的定滑轮及消能器；

利用起吊设备提升冲击块停止在竖直导筒的顶部，并远程控制释放冲击块，冲击块沿着竖直导筒自由下落并冲击传递冲击力的拉索，传递冲击力的拉索牵引消能器和拉力传感器工作，测得消能器的拉力时程试验数据；

在冲击块下落过程中采用高速摄像机对消能器试件上的标记点进行跟踪捕捉，高速摄像机与拉力传感器的数据采集设备相连，并使用同步模块启动高速摄像机的摄像功能，以保证获得的拉力时程曲线与位移时程曲线同步，从而获得消能器在动力冲击作用下的拉力-位移性能曲线。

本发明的有益效果是：本发明的试验装置可以修建在就近的场地上，利用反力墙来安装落石拦截系统中的消能器试件，试验场地不受环境的限制，不需要每次试验时搬运试验设备到较远的山崖，试验成本低，效率高；同时，能保证冲击块的能量全部传递给消能器试件，给后续的受力分析带来方便，也解决了冲击块的轨迹不固定存在的安全隐患；且可方便重复的进行试验及数据采集。

此外，由于落石拦截系统中消能器动力性能试验结果离散性较大，为使试验结果可靠性高，需进行多次试验求取平均值作为设计依据，本试验一次能进行两个落石防护系统消能器动力性能试验一定程度上提高了试验效率。

附图说明

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

图1为本申请实施例的一种用于落石拦截系统中消能器动力试验的筒式导引定向冲击装置立体图。

图2为本申请实施例的一种用于落石拦截系统中消能器动力试验的筒式导引定向冲击装置的基坑和反力墙结构立体图。

图3为本申请实施例的一种用于落石拦截系统中消能器动力试验的筒式导引定向冲击装置的反力架立体图。

图4为本申请实施例的一种用于落石拦截系统中消能器动力试验的筒式导引定向冲击装置的模型安装局部示意图。

图5为本申请实施例的一种用于落石拦截系统消中能器动力试验的筒式导引定向冲击装置的冲击试块结构示意图。

图6位本申请实施例的一种用于落石拦截系统中消能器动力试验的筒式导引定向冲击装置的竖直导筒结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-6所示，本申请实施例的一种用于落石拦截系统中消能器动力试验的筒式导引定向冲击装置，包括用于模拟落石的冲击块1、用于提升并释放冲击块1的起吊设备2、用于传递冲击力的拉索9、用于安装消能器8和定滑轮7的悬臂支架6，其特征在于，还包括导引试块的半封闭竖直导筒5、用于安装悬臂支架6的反力墙4，以及为冲击试验提供缓冲空间并起防护作用的基坑3；所述反力墙4垂直设置于基坑3的一侧，所述反力墙4上竖直安装有用于导引试块的半封闭竖直导筒5，优选地，所述竖直导筒5为3/4圆弧的弧形筒，长度1.5m/段，直径为0.45m-2.05m，筒壁内侧光滑，筒身竖向均匀分布有环形加强龙骨，筒端龙骨均匀设置螺栓孔，筒端龙骨与基座连接，通过基座与反力墙4固定。

所述悬臂支架6设置在距离竖直导筒5顶部左右两侧500mm的反力墙4上，竖直导筒5一侧的所述悬臂支架6至少包括两个，即左侧的悬臂支架6-1，悬臂支架6-3，悬臂支架6-2，悬臂支架6-4，四个悬臂支架结构尺寸相同，悬臂支架6-2，悬臂支架6-4位于悬臂支架6-1，悬臂支架6-3相对于竖直导筒5在右侧的投影下方500mm处，左侧的悬臂支架在锚孔允许的情况下尽可能靠近竖直导筒或位于竖直导筒内侧不影响起吊设备起吊试块的位置，避免拉索与竖直导筒顶部摩擦，单侧两个悬臂支架的水平距离大于等于落石防护系统消能器的行程，其中悬臂支架6-1和悬臂支架6-2上固定有定滑轮7，悬臂支架6-3和悬臂支架6-4上连接有消能器8；所述拉索9两端分别连接至竖直导筒5两侧的反力架6上连接的消能器8，消能器8通过卸扣连接有拉力传感器10，所述拉索9中段依次经过竖直导筒5一侧的定滑轮7、冲击块上的吊环、竖直导筒5另一侧的定滑轮7。

所述反力墙4上设置有均匀分布的贯穿反力墙4的锚孔，所述悬臂支架6靠近反力墙4的一端通过设置在锚孔中的锚杆与反力墙4固定。

起吊设备2用于完成悬臂支架6、竖直导筒5的安装和冲击块1的提升，并通过自动释放装置在冲击块1达到试验要求高度后释放冲击块1，使其在竖直导筒的作用下自由下落并完成冲击试验。同时，起吊设备2可分级配备一组挂钩以满足不同的冲击能量的使用要求。挂钩离试验场地地面的最大高度为30m；起吊设备运行轨道的长度须保证起吊设备2能够在试验区域内使用，运行轨道之间的距离为24.5m。起吊设备2采用可移动龙门吊，运行轨道采用设置在基坑两侧的钢轨。

基坑3和反力墙4为冲击试验装置的重要组成部分，为了满足不同尺寸消能器8的安装，反力墙4在地面以上的高度为30m长度为30m，且反力墙4上设置有均匀分布的贯穿反力墙4的锚孔，所述锚孔横纵方向的间隔为500mm。

基坑3需满足落石拦截系统中消能器在动力试验下的变形要求，并起到防止冲击试块跌落到地面而伤害到人员和设备的作用，此外基坑3还为各种实验模型的安装、拆卸提供了操作场地。对经常承受试块冲击的基坑3底部进行局部的深挖，形成倒锥形的防护坑，以满足落石拦截系统中消能器动力试验的筒式导引定向冲击装置在落石冲击作用下最大变形的需求。

根据本申请市设立的落石防护系统消能器动力试验的筒式导引定向冲击装置的试验方法包括以下步骤：

(1)根据落石防护系统消能器动力试验所需冲击动能确定冲击块1的尺寸和冲击速度；

(2)根据冲击块1的尺寸、冲击速度确定竖直导筒内径、尺寸、高度；

(3)在基坑3底部锥形护坑正上方的反力墙4上安装、拼接竖直导筒5，竖直导筒5各段之间以及基座与反力墙4之间通过螺栓固定；

(4)在竖直导筒5两侧顶部500mm处分别安装左侧的悬臂支架6，左侧的悬臂支架6在锚孔允许的情况下尽可能靠近竖直导筒或位于竖直导筒内侧不影响起吊设备2起吊试块的位置，避免拉索9与竖直导筒5顶部摩擦，右侧的悬臂支架6在竖直方向低于左侧的悬臂支架500mm，水平距离大于等于落石防护系统消能器8的行程；

(5)在待安装的消能器上用颜料或油漆对变形初始位置处进行标记，以便于在冲击过程中可以通过高速摄像机捕捉消能器的变形全过程，或者便于在冲击试验后直接测量其变形长度；

(6)采用卸扣将拉力传感器与消能器8和悬臂支架6连接成整体；

(7)利用绳夹将消能器8与拉索9连接，拉索9从一侧的消能器8伸出依次经过一侧的定滑轮7、试块1上的吊环、另一侧的定滑轮7及消能器8；

(8)利用起吊设备2提升冲击块1停止在竖直导筒5的顶部，并远程控制释放冲击块1，冲击块1沿着竖直导筒5自由下落并冲击传递冲击力的拉索9，传递冲击力的拉索9牵引消能器8和拉力传感器工作，测得消能器的拉力时程试验数据；

(9)在冲击块下落过程中采用高速摄像机对消能器试件上的标记点进行跟踪捕捉，高速摄像机与拉力传感器的数据采集设备相连，并使用同步模块启动高速摄像机的摄像功能，以保证获得的拉力时程曲线与位移时程曲线同步，从而获得消能器在动力冲击作用下的拉力-位移性能曲线。

具体地，在本申请的一个实施例中，冲击块1为球体，直径为0.4m-2m，重量为0.25t-25t。为了便于冲击块1在起吊至指定高度后能够在竖直导筒的约束下牵引拉索下落，在冲击块1的制作过程中要预埋用于起吊和连接拉索的吊环。

由于采用自由落体的方式，冲击能量的计算公式如下：

E＝mgh

式中，m为冲击块1的质量；g为重力加速度；h为冲击试块自由下落的高度。试验时根据设计的冲击能量选择相应重量的冲击块1，设置相应的起吊高度。

试验中需要进行进行测试的内容为在不同能量能量冲击下消能器8的变形及破坏情况，具体为：1)消能器的启动力；2)消能器的动态工作拉力；3)消能器的伸长量。

采用摄像机进行试验模型变形测量，每次试验需要使用3台摄像机，包括2台高速摄像机(主要用于记录冲击块的速度及耗能器试件的变形及破坏情况)及1台普通摄像机(主要用于记录试验模型的整体变形及整体破坏情况)。另外，消能器上还连接有拉力传感器。在冲击块下落过程中采用一台高速摄像机对消能器试件上的标记点进行跟踪捕捉，高速摄像机与拉力传感器的数据采集设备相连，并使用同步模块启动高速摄像机的摄像功能，以保证获得的拉力时程曲线与位移时程曲线同步，从而获得消能器在动力冲击作用下的拉力-位移性能曲线。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。