CN114778061B - 一种悬浮隧道锚索在冲击导致断索下的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种悬浮隧道锚索在冲击导致断索下的试验装置及方法，试验装置包括试验管段，锚索支架，锚索，冲击断索击发装置和传感器测量系统。试验管段悬浮于水中使锚索处于拉紧状态。冲击断索击发装置的击发装置底座与击发装置背板、滑轨连接为整体；击发装置背板和冲击刀头背板上安装电磁铁；击发弹簧两端分别与冲击刀头背板和击发装置背板连接；冲击刀头与冲击刀头背板连接；电磁铁通电产生磁力压缩击发弹簧，电磁铁断电磁力消失，击发弹簧伸长带动冲击刀头在滑轨上快速滑动；冲击刀头的冲击力切断锚索。传感器测量系统用于测量悬浮隧道在冲击断索下的位移、加速度、索力动态响应。本发明可实现多种工况下悬浮隧道锚索受冲击而断索的试验模拟。
Description
技术领域
本发明属于桥梁与隧道工程及海洋工程技术领域，具体涉及一种悬浮隧道锚索在冲击导致断索下的试验装置及方法。
背景技术
悬浮隧道是一种全新的跨越深、宽水域的交通结构物。它主要由四部分结构构件组成，包括依靠浮力悬浮在水中的空腔管体(用以满足车辆通行需求，其直径一般在15米至25米)，一系列倾斜布置的锚索(用以平衡管体剩余浮力且限制管体变形，其倾斜角度一般为45度至60度)，锚固基础(用以锚固锚索，抵消锚索的张拉力)以及驳岸衔接段。
悬浮隧道适用于水深达到或超过100米的深海区域，综合各项因素，隧道一般安置于水面20米以下。倾斜布置的锚索，间距约50米至100米，形成水下的一张“网”支撑着隧道管体；因而相较于管体，一系列锚索在水平、竖直方向的投影面积大得多，更容易受到沉船、渔船拖网、潜艇等引起的外部冲击力荷载。另外，锚索材质多为钢绞线或纤维复合材料，横截面积小且承受相当大的拉力，在外部冲击作用下，易导致锚索材料的局部损伤或是拉应力骤然增大，进而断裂失效，这将严重威胁悬浮隧道结构安全。
目前针对悬浮隧道的动力响应研究，一般采用理论分析或是数值模拟，但这两类方法依据的假定较多，很难反映水流环境中(静水、波流环境)悬浮隧道锚索承受冲击导致断裂情况下的真实情况。
基于缩尺模型，进行悬浮隧道试验研究，则是一种有效的技术手段。因此，为探究水流环境下，悬浮隧道锚索在外部冲击荷载导致断裂失效的结构响应，很有必要发明一种悬浮隧道在冲击导致锚索断裂下的试验装置及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种悬浮隧道锚索在冲击导致断索下的试验装置及方法，为研究水中悬浮隧道在遭受外部沉船、潜艇等冲击荷载作用下导致锚索断裂的动力响应提供试验模型和模拟方法，进行多种工况(包括断裂锚索位置、外部冲击荷载强度、冲击物形状等)下的悬浮隧道冲击-断索动力响应试验。弥补理论分析、有限元数值模拟手段的不足，为悬浮隧道锚索抗冲击断索设计提供依据。
为此，本发明提供的一种悬浮隧道锚索在冲击导致断索下的试验装置，包括试验管段，锚索支架，锚索，冲击断索击发装置和传感器测量系统。
所述的试验管段为空腔管体，端部防水密封；所述的锚索支架由两根刚性梁构成；所述的锚索材质为细钢丝或细复合材料丝，一端与试验管段固定连接，另一端与锚索支架固定连接。
所述的冲击断索击发装置，包括击发装置底座，击发装置背板，滑轨，电磁铁，击发弹簧，击发弹簧固定螺丝，滚动轴承，冲击刀头，冲击刀头背板和刀头固定螺丝。
所述的冲击断索击发装置，击发装置底座与击发装置背板、滑轨连接为整体；击发装置背板和冲击刀头背板上安装电磁铁；击发弹簧两端，通过击发弹簧固定螺丝分别与冲击刀头背板和击发装置背板连接；冲击刀头与冲击刀头背板底部安装滚动轴承，实现在滑轨上的滑动；冲击刀头通过刀头固定螺丝与冲击刀头背板连接。
所述的冲击断索击发装置，电磁铁通电产生磁力，击发弹簧处于压缩状态；电磁铁断电时磁力瞬时消失，击发弹簧伸长，带动击发装置背板和冲击刀头在滑轨上快速滑动；击发弹簧的弹性势能转化为冲击刀头的动能，冲击刀头将冲击力作用到锚索上，使锚索受冲击刀头冲击而断裂失效；由于锚索破断，进而模型产生振动。
所述的冲击断索击发装置，击发装置底座始终不接触锚索支架；在电磁铁通电，击发弹簧处于压缩状态时，滑轨与锚索不相互接触；当电磁铁断电，击发弹簧带动冲击刀头滑动，仅冲击刀头的尖端接触并切断一根锚索，而不影响其余的锚索正常受力。
所述的传感器测量系统，包括安装在试验管段上的位移传感器、加速度传感器用于测量试验管段的动态位移和加速度，以及安装在锚索端部的拉力传感器用于测量锚索的拉力。
所述的试验装置安装在水槽中，试验环境为静水条件或波流动水条件。
在保证展开长度不变的情况下，更换不同弹性系数的击发弹簧，用于改变击发弹簧压缩时的弹性势能，从而调整击发弹簧恢复展开状态时传递给冲击刀头的动能。
更换不同材质以及不同尖端形状的冲击刀头，用于模拟锚索承受的不同冲击形式及其不同的断裂破坏模式。
本发明还提供了一种采用上述悬浮隧道锚索在冲击导致断索下的试验装置的动力响应试验分析方法，包括以下主要的试验步骤：
步骤一：将试验管段、锚索支架、锚索连接完成，安装传感器系统；放置于试验水槽中，并将锚索支架固定在试验水槽底部，试验管段在浮力作用下悬浮于水中，且使锚索处于拉紧状态；
步骤二：安装冲击断索击发装置的各部分零件，并放置于试验水槽中；若水流环境为波流动水环境，则应当把冲击断索击发装置安放于水流方向下游，减少冲击断索击发装置对波流荷载的影响；
步骤三：调整冲击断索击发装置的安装位置，确保击发弹簧处于伸展状态时，冲击刀头尖端能把冲击荷载准确作用到锚索中间位置；
步骤四：连接传感器系统与计算机数据采集系统；向试验水槽中注水至合适高度，电磁铁保持通电状态，击发弹簧处于压缩状态；若水流环境为波流动水环境，还需打开试验水槽的造波、造流装置；
步骤五：打开计算机数据采集系统；控制电磁铁突然断电；存储各传感器测得的动态信号数据，分析试验管段和锚索在冲击导致锚索断裂下的动力响应；
步骤六：更换受冲击荷载已断裂的锚索；更换不同的冲击刀头与击发弹簧；改变冲击断索击发装置的安装位置；进行多种工况(包括不同刀头形状、冲击能量、断索位置)的冲击断索试验。
本发明的有益效果在于：
(1)现有悬浮隧道锚索失效引起的结构振动研究，少有考虑锚索失效的触发原因，本发明用于模拟真实结构在水下外部冲击物与锚索接触碰撞，从而导致锚索断裂(可能是由于锚索被冲击物脆性切断，也可能是由于锚索局部损伤导致拉应力过大而断裂)的动力学行为。
(2)悬浮隧道冲击断索击发装置构造明确、安全可靠，能够实现悬浮隧道单根锚索受外部冲击力而破断的模拟，同时配合传感器系统采集锚索冲击断索瞬态过程中悬浮隧道的位移、加速度以及锚索拉力的时程信号。
(3)悬浮隧道冲击断索击发装置的冲击刀头与击发弹簧设计为可更换式，更换击发弹簧实现冲击物动能大小的调整，更换冲击刀头实现不同外部冲击物形状、冲击速度的模拟；其次，改变冲击断索击发装置的安装位置，进而改变拟断裂锚索的位置；最终达到多种冲击断索试验工况的模拟。
附图说明
图1为本发明悬浮隧道锚索在冲击导致断索下的试验装置的整体结构示意图；
图2为本发明试验装置的侧视示意图；
图3为本发明试验装置的俯视示意图；
图4为本发明冲击刀头的细节构造示意图；
图5为本发明击发弹簧的细节构造示意图；
图中，1.试验管段，2.锚索支架，3.锚索，4.击发装置底座，5.击发装置背板，6.滑轨，7.电磁铁，8.击发弹簧，9.击发弹簧固定螺丝，10.滚动轴承，11.冲击刀头，12.冲击刀头背板，13.刀头固定螺丝。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参照图1～5所示，本发明提供一种悬浮隧道锚索在冲击导致断索下的试验装置，包括试验管段1，锚索支架2，锚索3，冲击断索击发装置和传感器测量系统。
试验管段1为空腔管体，端部防水密封；所述的锚索支架2由两根刚性梁构成；所述的锚索3材质为细钢丝或细复合材料丝，一端与试验管段1固定连接，另一端与锚索支架2固定连接。
冲击断索击发装置，包括击发装置底座4，击发装置背板5，滑轨6，电磁铁7，击发弹簧8，击发弹簧固定螺丝9，滚动轴承10，冲击刀头11，冲击刀头背板12和刀头固定螺丝13。
冲击断索击发装置，击发装置底座4与击发装置背板5、滑轨6连接为整体；击发装置背板5和冲击刀头背板12上安装电磁铁7；击发弹簧8两端，通过击发弹簧固定螺丝9分别与冲击刀头背板12和击发装置背板5连接；冲击刀头11与冲击刀头背板12底部安装滚动轴承10，实现在滑轨6上的滑动；冲击刀头11通过刀头固定螺丝13与冲击刀头背板12连接。
试验装置安装在水槽中，试验环境为静水条件或波流动水条件。
冲击断索击发装置，电磁铁7通电产生磁力，击发弹簧8处于压缩状态；电磁铁7断电时磁力瞬时消失，击发弹簧8伸长，带动击发装置背板5和冲击刀头11在滑轨6上快速滑动；击发弹簧8的弹性势能转化为冲击刀头11的动能，冲击刀头11将冲击力作用到锚索3上，使锚索3受冲击刀头11冲击而断裂失效；由于锚索3破断，进而模型产生振动。
冲击断索击发装置，击发装置底座4始终不接触锚索支架2；在电磁铁7通电，击发弹簧8处于压缩状态时，滑轨6与锚索3不相互接触；当电磁铁7断电，击发弹簧8带动冲击刀头11滑动，仅冲击刀头11的尖端接触并切断一根锚索3，而不影响其余的锚索3正常受力。
如图1和图5所示，在保证展开长度不变的情况下，更换不同弹性系数的击发弹簧8，用于改变击发弹簧8压缩时的弹性势能，从而调整击发弹簧8恢复展开状态时传递给冲击刀头11的动能。
如图1和图4所示，更换不同材质以及不同尖端形状的冲击刀头11，用于模拟锚索3承受的不同冲击形式及其不同的断裂破坏模式。
传感器测量系统，包括安装在试验管段1上的位移传感器、加速度传感器用于测量试验管段1的动态位移和加速度，以及安装在锚索3端部的拉力传感器用于测量锚索3的拉力。
本发明采用上述悬浮隧道锚索在冲击导致断索下的试验装置的动力响应试验分析方法，包括以下主要的试验步骤：
步骤一：将试验管段1、锚索支架2、锚索3连接完成，安装传感器系统；放置于试验水槽中，并将锚索支架2固定在试验水槽底部，试验管段1在浮力作用下悬浮于水中，且使锚索3处于拉紧状态；
步骤二：安装冲击断索击发装置的各部分零件，并放置于试验水槽中；若水流环境为波流动水环境，则应当把冲击断索击发装置安放于水流方向下游，减少冲击断索击发装置对波流荷载的影响；
步骤三：调整冲击断索击发装置的安装位置，确保击发弹簧8处于伸展状态时，冲击刀头11尖端能把冲击荷载准确作用到锚索3中间位置；
步骤四：连接传感器系统与计算机数据采集系统；向试验水槽中注水至合适高度，电磁铁7保持通电状态，击发弹簧8处于压缩状态；若水流环境为波流动水环境，还需打开试验水槽的造波、造流装置；
步骤五：打开计算机数据采集系统；控制电磁铁7突然断电；存储各传感器测得的动态信号数据，分析试验管段1和锚索3在冲击导致锚索3断裂下的动力响应；
步骤六：更换受冲击荷载已断裂的锚索3；更换不同的冲击刀头11与击发弹簧8；改变冲击断索击发装置的安装位置；进行多种工况(包括不同刀头形状、冲击能量、断索位置)的冲击断索试验。
Claims (4)
1.一种悬浮隧道锚索在冲击导致断索下的试验装置，其特征在于：包括试验管段(1)，锚索支架(2)，锚索(3)，冲击断索击发装置和传感器测量系统；
所述的试验管段(1)为空腔管体，端部防水密封；所述的锚索支架(2)由两根刚性梁构成；所述的锚索(3)材质为细钢丝或细复合材料丝，一端与试验管段(1)固定连接，另一端与锚索支架(2)固定连接；
所述的冲击断索击发装置，包括击发装置底座(4)，击发装置背板(5)，滑轨(6)，电磁铁(7)，击发弹簧(8)，击发弹簧固定螺丝(9)，滚动轴承(10)，冲击刀头(11)，冲击刀头背板(12)和刀头固定螺丝(13)；
所述的冲击断索击发装置，击发装置底座(4)与击发装置背板(5)、滑轨(6)连接为整体；击发装置背板(5)和冲击刀头背板(12)上安装电磁铁(7)；击发弹簧(8)两端，通过击发弹簧固定螺丝(9)分别与冲击刀头背板(12)和击发装置背板(5)连接；冲击刀头(11)与冲击刀头背板(12)底部安装滚动轴承(10)，实现在滑轨(6)上的滑动；冲击刀头(11)通过刀头固定螺丝(13)与冲击刀头背板(12)连接；
所述的冲击断索击发装置，电磁铁(7)通电产生磁力，击发弹簧(8)处于压缩状态；电磁铁(7)断电时磁力瞬时消失，击发弹簧(8)伸长，带动击发装置背板(5)和冲击刀头(11)在滑轨(6)上快速滑动；击发弹簧(8)的弹性势能转化为冲击刀头(11)的动能，冲击刀头(11)将冲击力作用到锚索(3)上，使锚索(3)受冲击刀头(11)冲击而断裂失效；由于锚索(3)破断，进而模型产生振动；
所述的冲击断索击发装置，击发装置底座(4)始终不接触锚索支架(2)；在电磁铁(7)通电，击发弹簧(8)处于压缩状态时，滑轨(6)与锚索(3)不相互接触；当电磁铁(7)断电，击发弹簧(8)带动冲击刀头(11)滑动，仅冲击刀头(11)的尖端接触并切断一根锚索(3)，而不影响其余的锚索(3)正常受力；
所述的传感器测量系统，包括位移传感器、加速度传感器、拉力传感器；位移传感器、加速度传感器布置在试验管段(1)上，用于测量试验管段(1)的动态位移和加速度，拉力传感器安装在锚索(3)端部，用于测量锚索(3)的拉力；
所述的试验装置安装在水槽中，试验环境为静水条件或波流动水条件。
2.根据权利要求1所述的一种悬浮隧道锚索在冲击导致断索下的试验装置，其特征在于：在保证展开长度不变的情况下，更换不同弹性系数的击发弹簧(8)，用于改变击发弹簧(8)压缩时的弹性势能，从而调整击发弹簧(8)恢复展开状态时传递给冲击刀头(11)的动能。
3.根据权利要求1所述的一种悬浮隧道锚索在冲击导致断索下的试验装置，其特征在于：更换不同材质以及不同尖端形状的冲击刀头(11)，用于模拟锚索(3)承受的不同冲击形式及其不同的断裂破坏模式。
4.采用上述权利要求1～3任一项所述的悬浮隧道锚索在冲击导致断索下的试验装置的动力响应试验分析方法，其特征在于，包括以下主要的试验步骤：
步骤一：将试验管段(1)、锚索支架(2)、锚索(3)连接完成，安装传感器系统；放置于试验水槽中，并将锚索支架(2)固定在试验水槽底部，试验管段(1)在浮力作用下悬浮于水中，且使锚索(3)处于拉紧状态；
步骤二：安装冲击断索击发装置的各部分零件，并放置于试验水槽中；若水流环境为波流动水环境，则应当把冲击断索击发装置安放于水流方向下游，减少冲击断索击发装置对波流荷载的影响；
步骤三：调整冲击断索击发装置的安装位置，确保击发弹簧(8)处于伸展状态时，冲击刀头(11)尖端能把冲击荷载准确作用到锚索(3)中间位置；
步骤四：连接传感器系统与计算机数据采集系统；向试验水槽中注水，电磁铁(7)保持通电状态，击发弹簧(8)处于压缩状态；若水流环境为波流动水环境，还需打开试验水槽的造波、造流装置；
步骤五：打开计算机数据采集系统；控制电磁铁(7)突然断电；存储各传感器测得的动态信号数据，分析试验管段(1)和锚索(3)在冲击导致锚索(3)断裂下的动力响应；
步骤六：更换受冲击荷载已断裂的锚索(3)；更换不同的冲击刀头(11)与击发弹簧(8)；改变冲击断索击发装置的安装位置；进行多种工况，包括不同刀头形状、不同冲击能量、不同断索位置的冲击断索试验。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
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