落锤冲击试验测试系统的研发

罗才松，陈华艳，张丙强，陈柏生

(1.福建工程学院土木工程学院，福建 福州 350118；2.长沙栢森实验设备有限公司，湖南 长沙 410006)

1 引 言

自制教学试验仪器因具有较好的灵活性、较强的直观性、一定的超前性和及时性以及经济性等特点[1]，成为高校实验室建设的有益选择方向之一。自制试验设备可以提高实验教学质量[2]、提高师生创新能力[3,4]、促进实验教学改革[5,6]，在凸显学科专业特色[7,8]等方面发挥越来越大的作用。积极有效的自制试验设备管理制度能够调动实验技术人员、教师从事试验技术研究的积极性，使其自身业务技术水平得到提高，而且还加速了实验室建设的自我完善过程，为建设有特色的实验室奠定基础[9]。

自制试验设备方面，部分高校老师[10-19]根据各自学校的实际情况，在该方面进行了不少有益的探索，并取得了一定的成效，培养了学生探索和解决工程结构实际问题的能力，在科研及实验教学中具有一定的示范应用推广价值，并为其他院校研制相关试验装置提供了有益参考。

随着社会经济的不断发展，人们使用燃气、汽车、电梯、直升机等先进设施和交通工具的比例大大提高。考虑到全球反恐面临的新形势，恐怖袭击的威胁仍然严峻。基于此，《建筑结构荷载规范》[20]将以上种种冲击作用统一定义为偶然荷载，并单独增设一章进行规定，这凸显出偶然荷载在结构设计中越来越重要的地位。美国联邦公路与运输协会推出的指南AASHTO[21]、欧洲规范EN 1991-1-7[22]、我国的人民防空地下室设计规范[23]、铁路桥涵设计规范[24]、公路桥涵设计通用规范[25]等均对爆破荷载或撞击荷载的计算进行了规定。因此，有必要对撞击荷载作用下结构的动态响应开展试验研究。

落锤冲击试验测试系统是专门用于模拟撞击荷载的专用特种设备，因其制造上的复杂性与生产周期的长期性而被大多数实验室拒之于门外。但科研试验无法用其他设备进行替代，这导致很多科研项目试验研究无法正常开展。基于此，本文详细介绍本单位开发研制的落锤冲击试验测试系统，以供其他单位参考。

2 设计方案

学校结构馆内有15.6m高的L形反力墙，桥式起重机可跨过反力墙。为了尽可能地利用实验室的高度空间，又不阻碍起重机的正常运行，落锤系统的设计高度定为与反力墙同高，起重机可通过落锤系统顶面，运行无阻碍。落锤系统需满足不同冲击能量的加载，锤体配重设计成可拆卸的方式，落锤有效冲击行程为15.6m、落锤最大配重1000kg、最大冲击能量150000J。

3 场地选址

目前，国内建有落锤系统的高校中，一部分将落锤系统作为实验楼的附属建筑单独建设，一部分直接将落锤系统以一台仪器设备的方式建于实验楼内，二者各有利弊。以附属建筑单独建设需报住建部门审批，因为这涉及到学校整体规划的调整。以一栋附属楼的方式依附于实验楼，改变了原实验楼的规划外观，需在建设落锤系统时按建设项目报批，这会牵扯到较多部门审批，审批周期较长。落锤系统以附属楼单独建设的优点是与其他试验设备完全隔离，对后期运行与保养有利。将落锤系统直接以仪器设备的方式建在实验楼内部，则不需繁琐的规划审批过程，可以大大节约建设时间，及时将设备投入使用；其缺点是会与实验楼大厅内其他设备共处一个空间，后期运行与维护会相互影响。

学校结构馆建筑占地面积2600m2，总建筑面积为5100m2，由单层大厅与二层附属实验室用房组成。结构馆大厅为3跨8m柱间距24m开间，15跨6m柱间距90m进深。内有15.6m高、12m+24m的L形反力墙，12条间隔1m、30m长的槽式台座地面，20条24m长、12m宽、孔间距0.5m的锚栓台座地面。大厅配备20t/5t桥式起重机一部。综合考虑实验楼的空间与后期进行落锤试验需吊装试验构件的需求，可直接利用实验楼内的起重机吊装试验构件，不用再单独为落锤系统配备一套起重机械，将落锤系统建设于实验楼入口大门旁边8m×6m转角处(如图1所示)，不仅在起重机的行走范围以内，同时不影响实验室台座的使用。

图1 落锤系统在实验楼中的位置

4 关键部件设计

4.1 基础设计

考虑到落锤的最大冲击能量可达150000J，如直接将落锤系统建造于实验楼结构地面，在进行落锤冲击试验时，巨大的冲击能量将对实验楼主体结构造成极大的损害。因此，需将落锤系统基础与实验楼基础隔开，单独建设落锤基础。考虑到实验楼所处位置为湖泊地区，落锤系统的基础采用与实验楼相同的桩基，在实验楼主体桩基空余地方建设落锤系统基础，建成后的落锤系统基础如图2所示。在落锤系统范围内，一共打入13根预应力混凝土桩，然后通过一体式承台将13根桩浇筑为整体，保证落锤冲击过程中所有桩基共同受力。

图2 一体式桩基承台钢筋网

4.2 上部结构与下部结构的连接

落锤系统的上部结构均为钢结构部件，在工厂制作好后运入实验室现场组装，不仅方便快捷，而且加工精度优于现场制作。上部构件主要由钢结构框架与塔吊标准节组成，如图3所示。上部标准件与下部基础之间的连接是落锤系统建设的关键技术问题。如果上部标准件与下部基础之间存在较大偏差，将导致落锤试验过程中落锤能量不能被桩基均匀分担，这会使基础承受偏心荷载作用，随着试验次数的增加，基础偏心加重，这将导致上部结构一同倾斜，从而影响落锤系统的正常工作，导致试验精度降低。为了保证上下部结构连接的准确性，多螺杆连接装置在实验室现场通过焊接方式将上部钢结构框架与下部基础承台连接为一体，确保上部结构尺寸能完全吻合桩基承台尺寸。

(a)钢结构框架 (b)塔吊标准节图3 上部结构部件

4.3 控制测试系统

控制测试系统是整套落锤试验系统的关键组成部分，落锤释放后测试系统能否同步触发采集试验数据成为整套系统成败的关键。若落锤释放后测试系统没有触发采集试验数据，则试验失败。

控制测试系统的工作流程为：通过手动控制落锤锤体释放系统，落锤锤头在设定高度释放后做自由落体运动，当锤头快砸到试验对象时，固定于钢结构框架上的红外测速仪检测到落锤锤头的速度(如图4所示，试验前需调整红外测速仪与固定于锤头上感知格栅的间距，使红外测速仪信号达到规定数字，当试验过程中锤头下落经过红外测速仪所处高度时，红外测速仪获得信号)，此速度信号经落锤信号调理器调理为电压信号后，被数据采集系统采集，并同步触发高速摄像系统进行同步视频监测。摄像系统触发模式采用中间触发模式。

图4 红外测速装置

测试系统由数据采集系统与高速摄像系统两部分组成。数据采集系统主要采用NI公司的高速同步数据采集模块1块(实际型号pxie-6358，1.25MS/s/通道下16路同步模拟输入，16位分辨率；20MS/s AI总吞吐量)与高速同步电桥模块2块(实际型号pxie-4330，单模块8路同步采样模拟输入通道，102.4kS/s/通道的采样率)。高速摄像系统采用photron公司的UX50系列高速摄像机，分辨率为1280×720，摄像频率为2500帧/秒。

4.4 其他组成部件

(1)导轨

采用光学精密导轨，有效行程15.6m，导轨表面磨光，导轨光洁度≤0.4，表面HRC≥45HRC，硬化处理，硬化深度5mm，表面镀铬防锈处理，两条导轨间距为0.5m。含快速导轨延长装置，实现快速对导轨的延长、缩短自由组合的效果，以防止进行梁试验时落锤锤头脱离轨道。

(2)落锤锤体系统

为适应不同冲击能量的加载，锤体配重设计成可拆卸方式，通过不同配重的组合组装形成不同锤体重量。锤头直径22cm，净重230kg，配有15块单个50kg配重板，锤体有效重量范围230kg～980kg、最大冲击能量150000J。具有实时称重系统，液晶显示锤体总重量，锤体系统如图5所示。

图5 锤体系统

(3)锤头升降系统

提升系统通过搁置于钢结构框架顶部塔吊标准节的卷扬机牵引钢丝绳带动，具有单向即时自锁功能，实现即停即锁，断电状态自锁。通过手动无线遥控器简单化操作按钮，操作方式一目了然，如图6所示。系统同时设置有授权操作总开关(采用校园卡授权，避免无关人员操作，并记录相关操作人员、操作时间)，最高位置限位保护开关，最低位置限位保护开关，并要求钢丝绳始终至少具有40kg的张力。系统同时配备高度测量系统，绝对误差范围为±3mm，提升速度大于等于5m/min，提升能力2t。

图6 提升操控系统

(4)约束边界装置

为了避免设备功能的单一化，将约束边界装置设计成多功能边界装置(如图7所示)，以满足不同约束边界条件的要求。多功能边界装置可满足对梁、板、柱三类结构构件的约束，通过L形钢墩底部连接的球铰实现铰支座的约束功能，实现支撑点平面内转动±35°，且保障铰支在冲击过程中不脱离，并能满足试样冲击后不低于50t反弹拉力作用。在L形钢墩竖向平面钢板上开有间距120mm的螺栓孔，通过螺栓与试件连接形成固端约束。

(a)边界装置现场图

5 功能介绍

项目于2019年全面建成(如图8所示)，建成后的性能指标完全达到了预期设计要求，不仅实现了使用上的多功能，而且还达到了服务专业学科的多样化。整套系统不仅可对房屋建筑的梁、板、柱进行冲击性能试验，还能实现桥梁工程中模拟船舶撞击桥墩的撞击试验，以及车辆工程中对车辆防撞钢梁与前后纵梁的撞击试验。

(a)落锤系统主体部分 (b)数据采集部分 (c)视频摄像部分图8 落锤冲击试验测试系统

6 应用与效益

该落锤冲击试验测试系统的研发，无论从建设方案、场地选址、基础施工，还是从上下部结构连接、边界条件、系统集成、适用范围等方面，都得到了学院领导、专业技术教师以及国内同行专家的高度评价。该落锤系统自2019年12月投入应用以来，已开展了本校及兄弟院校10余名研究生的毕业论文试验，主要有北京建筑大学、福州大学、福建农林大学等，研究项目包括装配式钢筋混凝土梁柱节点抗冲击性能研究、装配式钢筋混凝土框架柱冲击性能研究、装配式叠合梁冲击性能试验、钢板加固装配式叠合梁冲击性能试验、蜂窝梁冲击性能试验、带肋焊接工字钢梁冲击性能试验、钢管再生混凝土桥墩冲击性能试验等。混凝土试验构件的最大尺寸：柱截面尺寸400mm×400mm，柱高3000mm；梁截面尺寸250mm×600mm，梁长600mm。最小构件尺寸为长度1200mm的Ø168×4钢管混凝土桥墩。这表明，该设备的使用范围十分广泛。

该设备的成功研制与实践应用，为多项科研项目的顺利开展、结题提供了有力支持，也为我校申请科研项目在试验条件方面提供了有力保障。在实验教学方面，该装置也将发挥重要作用。目前，我校正开展实践教学改革，要求可开可不开的实验项目要开，已开设实验项目的课程要尽可能多开实验项目。该设备可满足土木工程本科课程“结构力学”中结构动力学部分冲击荷载作用下结构的动力响应试验、“桥梁工程”中撞击荷载作用下桥墩的动态响应试验。另外，研究生实验教学方面，该设备亦可满足多门土木工程专业相关课程的实验要求，比如“高等结构试验”、“高等结构动力学”、“结构振动与控制”等课程中有关结构动态响应的实验。可见，无论从本科生和研究生培养方面，还是从科学研究方面，该设备的研制与应用效益显著。

7 结 语

本文详细介绍了一种适用于各类冲击试验研究的落锤冲击试验测试系统的设计与实现过程，该系统具有操作简单、功能丰富、造价低廉等诸多优点，不仅实现了使用上的多功能，而且还达到了服务专业学科的多样化。试验设备研制是一个创造和发现的过程[6]，该设备的成功研制，在科研及实验教学中起到了一定的示范作用，节约了实验经费、锻炼了教师队伍，为我校进一步研制更复杂试验装置及为其他院校研制相关试验装置提供了参考。