CN116296906A - 用于桥梁frp拉索的落锤冲击试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置，采用全自动化***操控整个试验过程，方便高效。此外，不仅可以实现在不同跨径、预张力及倾斜角度等多种工况下对桥梁FRP拉索进行冲击，还可以对FRP拉索进行冲击后的原位抗弯及抗拉残余性能测试，避免了拆卸拉索对试验结果的准确性产生不利影响，便于研究人员多角度掌握FRP拉索的抗冲击失效机理，为实际工程产业化应用提供理论指导。本发明解决了现有技术中无法实现对不同跨径、预张力以及倾斜角度等组合工况下FRP拉索抗冲击性能测试的难题。

Description

用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，具体涉及一种用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置。

背景技术

平行钢丝索和钢绞线索是目前缆索承重体系桥梁中最主要的拉索应用形式，其优良的力学特性使得桥梁结构近年来朝向大跨轻柔的方向发展。拉索作为缆索承重体系桥梁最主要的受力构件，在环境等多种因素造成的拉索腐蚀会对桥梁结构产生严重的安全后果。

纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer，简称FRP)具有轻质、高强、耐久性好、抗疲劳性优良等优点可代替传统钢材，制成的拉索应用于桥梁结构，不但能改善结构耐久性，更能提升结构的跨径与承载力。

随着我国机动车保有量的日益增长，交通运营需求也越来越高。桥梁拉索在实际运营过程难免会受到车辆等冲击荷载的作用，当冲击荷载超过拉索自身的抵抗能力时，拉索极易发生断裂，严重导致桥梁结构发生坍塌。而具有正交各向异性特点的FRP索在冲击荷载下更容易发生这种现象。因此，在工程应用前有必要进行大量试验和理论分析对桥梁拉索的横向受力性能及残余性能进行探究。目前现有技术中还未有对不同跨径、预张力以及倾斜角度等组合工况下FRP索抗冲击性能测试装置。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置，以解决现有技术中还未实现对不同跨径、预张力以及倾斜角度等组合工况下FRP拉索抗冲击性能测试的难题。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置，包括：

基座，所述基座通过多根立柱架设有顶板，所述顶板与所述基座之间安装有导向杆；

相对设置的两墩台，所述墩台位置可调地安装于所述基座，所述墩台可翻转地安装有用于安装拉索锚具的支承板；

锤击组件，包括滑块、锤体和提升装置，所述滑块开设有导向孔，所述导向杆可活动地穿设于所述导向孔中，所述提升装置通过链条连接于所述滑块，所述滑块通过电磁吸附于所述锤体，所述锤体设置于所述两墩台之间；

用于电磁吸附所述锤体的防回弹件，可拆卸地安装于所述基座且设置于所述锤体的下方，所述基座安装有用于采集所述锤体至所述防回弹件之间距离值的距离传感器；

控制器，连接于所述提升装置、所述距离传感器和所述防回弹件。

进一步的，所述墩台的相对两侧分别形成有耳板，所述耳板开设有两条形孔，至少一所述条形孔呈弧形，所述支承板设置于两所述耳板之间，所述支承板的相对两侧分别形成有插杆，所述插杆可活动地穿设于所述条形孔且伸至所述耳板的外侧，所述插杆安装有用于锁定所述耳板的锁定件。

进一步的，所述两墩台上支承板的相对侧形成有限位板，所述限位板开设有供FRP拉索穿设的穿孔。

进一步的，所述滑块和所述防回弹件分别安装有电磁件。

进一步的，所述基座上安装形成有加固梁，所述墩台位置可调地安装于所述加固梁的相对两端。

进一步的，所述加固梁和所述基座开设有通孔，所述防回弹件可拆卸地安装于所述加固梁上以遮蔽所述通孔，所述基座铺设于地基，所述地基开设有容置孔，所述容置孔对准于所述通孔，所述容置孔中可升降地安装有用于测试所述FRP拉索抗弯残余性能的加载头。

进一步的，所述容置孔内可升降地安装有台板，所述台板上竖设有加载千斤顶，所述加载头安装于所述加载千斤顶。

进一步的，所述加载千斤顶的顶部安装有供所述FRP拉索穿设的容置框，所述加载头安装于所述容置框的框口的上部。

本发明提供一种用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置的施工方法，包括以下步骤：

将待测FRP拉索的两端分别通过锚具安装于两墩台的支承板上；

调节所述两墩台在基座上的位置以及支承板的翻转角度，使得所述FRP拉索呈预设倾斜角度设置于所述基座的预设位置；

通过控制器开启提升装置以令锤体悬设于待测FRP拉索的上方；

滑块断电从而所述锤体下落冲击所述待测FRP拉索，距离传感器采集所述锤体至防回弹件之间的距离值；

所述控制器基于所述距离值启动所述防回弹件，使得所述锤体在接近基座时，电磁吸附于所述防回弹件避免所述锤体二次反弹。

本发明的有益效果在于，本发明提出的用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置，采用全自动化***操控整个试验过程，方便高效。此外，不仅可以实现在不同跨径、预张力及倾斜角度等多种工况下对桥梁拉索进行冲击，还可以对拉索进行冲击后的原位抗弯及抗拉残余性能测试，防止了冲击后对拉索进行拆卸从而对试验结果的准确性造成影响，便于研究人员多角度掌握拉索的抗冲击失效机理，为实际工程产业化应用提供理论指导。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例的用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置的结构示意图。

图2为本发明实施例的用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置的内部结构示意图。

图3为本发明实施例的用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置的内部结构正视图。

图4为本发明实施例的FRP拉索的倾斜角度调节示意图。

图5为本发明实施例的FRP拉索的设置位置调节示意图。

图6为本发明实施例的加载头的使用状态示意图。

图7为本发明实施例的第一种形式的加载头的结构示意图。

图8为本发明实施例的第二种形式的加载头的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

参阅图1至图8所示，本发明提供了一种用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置，包括：基座1、两墩台2、锤击组件、防回弹件4、控制器。

在本实施例中，基座为优质钢板基座。基座1通过多根立柱12架设有顶板11。顶板11与基座1之间安装有导向杆13。顶板和基座分别呈矩形。立柱的数量为四根。四根立柱呈矩形设置。立柱的上端通过法兰连接于顶板。立柱的下端通过法兰连接于基座。导向杆的两端通过螺纹连接有顶板、基座的螺纹孔。在导向杆安装完后，导向杆的两端处于拉紧状态。

两墩台2相对设置。两墩台2分别位置可调地安装于基座1。墩台2可翻转地安装有支承板21。支承板21用于安装拉索6锚具。

作为一种较佳的实施方式，基座1上安装形成有加固梁14。墩台2位置可调地安装于加固梁14的相对两端。

在本实施例中，加固梁呈双T形梁。加固梁开设有多个第一定位孔。多个第一定位孔沿加固梁的长度方向间隔设置。墩台开设有多个第二定位孔。第二定位孔对准于第一定位孔并且通过螺栓进行连接。

参阅图5所示，通过第二定位孔对准于不同位置上的第一定位孔，进而调节墩台在加固梁上的位置。

作为一种较佳的实施方式，墩台2的相对两侧分别形成有耳板22。耳板22开设有两处条形孔。至少一处条形孔呈弧形。支承板21设置于两耳板22之间。支承板21的相对两侧分别形成有插杆211。插杆211可活动地穿设于条形孔且伸至耳板22的外侧。插杆211安装有用于锁定耳板22的锁定件。

在本实施例中，一墩台的耳板上开设有一圆形孔和一条形孔，圆形孔的内径适配于插杆的外径，使得插杆仅能在圆形孔中发生转动，该墩台耳板条形孔的内弧面朝向圆形孔设置，另一墩台耳板上分别开设有呈弧形的两条形孔。这三处呈弧形的条形孔均以圆形孔为圆心设置得到。

在最外侧的条形孔，即长度最长的条形孔的旁边标刻有角度值。以靠近圆心处的条形孔作为最内侧的条形孔，条形孔的长度自最内侧的条形孔向最外侧的条形孔的方向逐渐增大。参阅图4所示，通过对两支承板的翻转角度进行调节设置即可进行FRP拉索在不同倾斜角度下的抗冲击性能测试。

作为一种较佳的实施方式，两墩台2上的支承板21的相对侧形成有限位板212。限位板212开设有供FRP拉索6穿设的穿孔。依托所述限位板，采用预紧装置可以对FRP拉索施加预张力或进行原位抗拉残余性能测试。

FRP拉索通过锚具固定安装于支承板，具体的，通过预紧螺母或千斤顶、力传感器等安装于限位板的穿孔的两侧，通过预紧螺母或千斤顶可以实现对拉索施加预张力，力的大小通过力传感器进行测量记录。相关操作完成后即可进行拉索在不同预张力下的抗冲击性能测试。此外，在冲击试验结束后，对预紧螺母施加二次扭矩或采用千斤顶施加二次张力，从而可以对FRP拉索进行冲击后的抗拉残余性能测试。

锤击组件包括滑块31、锤体32和提升装置33。滑块31开设有导向孔。导向杆13可活动地穿设于导向孔中。提升装置33通过链条连接于滑块31。滑块31通过电磁吸附于锤体32。锤体32设置于两墩台2之间。

提升装置包括电机。电机通过链条、链轮连接于滑块。通过电机的输出轴的正反转以令滑块上下升降。

电机采用刹车电机，在断电或设备关闭的情况下会发生自锁，在拉力的作用下锤体不会意外掉落。

采用链条提升锤体，与高强钢丝绳相比，链条的弹性小，从而使高度测量更加准确，且链条具有更高的强度，不易发生磨损。

锤体采用分体式设计，包括主锤体和副锤体两部分，主锤体与副锤体之间通过高强螺栓进行连接。副锤体直接与试件进行接触，拆卸更换时较为方便。锤体采用高强钢板加工而成，抗冲击性能好，不会因为铸造缺陷而发生锤体断裂。

防回弹件4用于电磁吸附锤体32。防回弹件4可拆卸地安装于基座1且设置于锤体32的下方。基座1安装有用于采集锤体32至防回弹件4之间的距离值的距离传感器7。

在本实施例中，滑块31和防回弹件4分别安装有电磁件。电磁件通过通断电流以产生磁性或磁性消失，进而实现锤体的下落以及防回弹件吸附下落后的锤体。

距离传感器采用红外传感器。当冲击能量较大时，拉索发生失效断裂，锤体在重力作用下继续跌落，在接近基座时相应的位置信号被红外感应设备感知，与之关联的防回弹件的电磁件启动，以电磁力的方式通过夹具将锤体夹紧吸附并锁定，从而有效防止锤体的反弹对拉索造成二次损伤。

作为一种较佳的实施方式，加固梁14和基座1开设有通孔。防回弹件4可拆卸地安装于加固梁14以遮蔽通孔。基座1铺设于地基。地基开设有容置孔。容置孔于对准于通孔。容置孔中可升降地安装有用于测试FRP拉索6抗弯残余性能的加载头5。

原位静载***包括顶升千斤顶、台板、力传感器、加载千斤顶以及加载头等部分，位于基座所处水平地面以下一定深度范围内有限面积的地基容置孔中。参阅图7和图8，容置孔内可升降地安装有台板51，台板51上竖设有加载千斤顶52，加载头5安装于加载千斤顶52上。具体的，顶升千斤顶竖设于容置孔中，顶升千斤顶的数量为多根，台板51安装于多根顶升千斤顶上，力传感器垫设于台板51和加载千斤顶52之间。

在本实施例中，加载头有两种类型，如图7所示，加载头为下压型的加载头；如图8所示，加载头为上顶型的加载头。

继续参阅图6和图7，加载千斤顶的顶部安装有供FRP拉索6穿设的容置框53。下压型的加载头5安装于容置框的框口的上部。

在FRP拉索冲击测试中，若冲击能量较小，此时FRP拉索未发生失效断裂，冲击结束后，启动电机将锤体提升至原来抓脱锤装置所固定的位置，拆掉位于加固梁顶部的防回弹件。再通过操控顶升千斤顶即可对原位静载***的加载千斤顶及台板的高度进行位置调整，从而使得加载头伸至加固梁的上方。进行FRP拉索抗冲击性能测试时，将加载头降落至基座所处水平地面以下，再于加固梁上安装防回弹件以遮蔽加固梁的通孔即可，两类试验互不影响。

在原位静载***中上顶型和下压型的加载头可以分别在拉索背冲击侧和受冲击侧位置对拉索加载进行抗弯残余性能测试，相关力学参数指标由力传感器进行导出记录。

在本实施例中，控制器连接于提升装置33、距离传感器7和防回弹件4。控制器采用PLC可编程序控制器来设计，电子触摸屏供用户直接操作，旋转编码器来采集和控制落锤高度，使得抓锤、提锤、零位、冲击成为一套全自动化的过程。

继续参阅图1，本发明的用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置还包括围护结构。围护结构包括在冲击试验机的四周设有封闭的电磁性防护门。防护门朝四个方向都可以开启，方便对试件进行送料以及相关设备部件的安装和拆除。防护门设有感应设备，当防护门打开时，本发明的用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置通过控制器会自锁，相应设备不可进行操作，保证试验人员的安全。

在安装好待测拉索试件后，正式试验开始前，关闭防护门，可以有效防止试验过程中断裂试件飞溅造成危险，防护门上安装有感应设备，未完全关闭时试验机会发生自锁，同时警示灯开始闪烁。试验开始后，落锤启动灯亮起，滑块释放锤体从而冲击待测FRP拉索试件。在冲击过程中，安装于待测拉索试件上的传感器受到的冲击力以及试件的变形通过相应设备传输到电脑上，进而得到冲击力-时间曲线、冲击力-位移曲线等所需要的指标。

保持待测FRP拉索试件的索长不变，再次移动墩台的位置，即可实现锤体在不同冲击位置时拉索的抗冲击性能测试。

在本实施例中，待测拉索试件为可以FRP棒材型拉索、FRP绞线型索以及FRP片材型拉索，相应的锚具形式可以采用黏结式锚具、夹片式锚具和机械夹持式锚具等。

本发明提供一种用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置的施工方法，包括以下步骤：

S1：将待测FRP拉索6的两端分别通过锚具安装于两墩台2的支承板21上。

S2：调节两墩台2在基座1上的位置以及支承板21的翻转角度，使得FRP拉索6呈预设倾斜角度设置于基座1的预设位置。

S3：控制器开启提升装置33以令锤体32悬设于待测FRP拉索6的上方。

S4：滑块31断电以令锤体32下落冲击待测FRP拉索6，距离传感器7采集锤体32至防回弹件4之间的距离值。

S5：控制器基于距离值启动防回弹件4，使得锤体32在接近基座1时，电磁吸附于防回弹件4避免锤体32二次反弹。

在实际运营过程中待测FRP拉索可能遇到较小冲击能量的作用，此时在待测FRP拉索表面可能会出现肉眼可见的损伤，但待测FRP拉索并未发生完全断裂，或者在拉索的内部还可能会出现肉眼不可见的损伤。这些情况下虽然可以继续承载，但需要对拉索冲击后的残余性能进行测试。此时，由于锤体未跌落至基座上，因此在冲击试验结束后首先将锤体提升至原来位置后，再将位于加固梁上的防回弹件拆卸掉。

原位静载装置位于基座所处水平地面以下一定深度处的容置孔的地面上，由可顶升千斤顶提升台板，使得加载头伸至加固梁的上方进行抗弯残余性能测试。

对冲击后的待测FRP拉索在受冲击侧及背冲击侧进行加载得到的抗弯残余性能是不同的。图7表示的加载头可以对冲击后的FRP拉索在受冲击侧位置施加向下的作用力直至完全断裂失效，图8表示的加载头可以对冲击后的FRP拉索在背冲击侧的位置施加竖直向上的作用力进行抗弯残余性能测试，相关数据通过力传感器传输至电脑进行记录。

待测FRP拉索冲击后的抗拉残余性能对于评估其力学性能也具有重要的指导意义。通过对预紧螺母施加二次扭矩或采用千斤顶对FRP拉索进行二次张拉直至失效，即可记录冲击后待测FRP拉索的抗拉残余性能变化规律以评估拉索的力学性能。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置，其特征在于，包括：

基座，所述基座通过多根立柱架设有顶板，所述顶板与所述基座之间安装有导向杆；

相对设置的两墩台，所述墩台位置可调地安装于所述基座，所述墩台可翻转地安装有用于安装拉索锚具的支承板；

锤击组件，包括滑块、锤体和提升装置，所述滑块开设有导向孔，所述导向杆可活动地穿设于所述导向孔中，所述提升装置通过链条连接于所述滑块，所述滑块通过电磁吸附于所述锤体，所述锤体设置于所述两墩台之间；

用于电磁吸附所述锤体的防回弹件，可拆卸地安装于所述基座上且设置于所述锤体的下方，所述基座安装有用于采集所述锤体至所述防回弹件之间的距离值的距离传感器；

控制器，连接于所述提升装置、所述距离传感器和所述防回弹件。

2.根据权利要求1所述的用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置，其特征在于，所述墩台的相对两侧分别形成有耳板，所述耳板开设有两处条形孔，至少一处所述条形孔呈弧形，所述支承板设置于两所述耳板之间，所述支承板的相对两侧分别形成有插杆，所述插杆可活动地穿设于所述条形孔且伸至所述耳板的外侧，所述插杆安装有用于锁定所述耳板的锁定件。

3.根据权利要求2所述的用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置，其特征在于，所述两墩台上支承板的相对侧形成有限位板，所述限位板开设有供FRP拉索穿设的穿孔。

4.根据权利要求1所述的用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置，其特征在于，所述滑块和所述防回弹件分别安装有电磁件。

5.根据权利要求1所述的用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置，其特征在于，所述基座形成有加固梁，所述墩台位置可调地安装于所述加固梁的相对两端。

6.根据权利要求5所述的用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置，其特征在于，所述加固梁和所述基座开设有通孔，所述防回弹件可拆卸地安装于所述加固梁以遮蔽所述通孔，所述基座铺设于地基，所述地基开设有容置孔，所述容置孔对准于所述通孔，所述容置孔中可升降地安装有用于测试所述FRP拉索抗弯残余性能的加载头。

7.根据权利要求6所述的用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置，其特征在于，所述容置孔内可升降地安装有台板，所述台板上竖设有加载千斤顶，所述加载头安装于所述加载千斤顶。

8.根据权利要求7所述的用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置，其特征在于，所述加载千斤顶的顶部安装有供所述FRP拉索穿设的容置框，所述加载头安装于所述容置框的框口的上部。

9.一种如权利要求1～8中任意一项所述的用于桥梁FRP拉索的落锤冲击试验装置的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待测FRP拉索的两端分别通过锚具安装于两墩台的支承板上；

调节两所述墩台在基座上的位置以及支承板的翻转角度，使得所述FRP拉索呈预设倾斜角度设置于所述基座的预设位置；

通过控制器开启提升装置以令锤体悬设于待测FRP拉索的上方；

滑块断电以令所述锤体下落冲击所述待测FRP拉索，距离传感器采集所述锤体至防回弹件之间的距离值；

所述控制器基于所述距离值启动所述防回弹件，使得所述锤体在接近基座时，电磁吸附于所述防回弹件避免所述锤体二次反弹。

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