一种落石冲击多级吸震棚洞结构相似模型试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及隧道及边坡防护技术领域，尤其涉及一种落石冲击多级吸震棚洞结构相似模型试验装置。

背景技术：

2.随着我国西部开发和交通建设大发展，交通干线等逐渐向山区延伸，落石灾害已愈发突出。采用钢筋混凝土结构形式的棚洞对落石灾害进行防护是广泛采用的结构形式。明确棚洞防护系统的防护能力，优化棚洞防护系统的设计，是提高防护能力的前提。在优化棚洞结构时需要先对其进行模型试验，而现有技术中的试验装置并未考虑到复合柔性垫层、弹簧支座影响下落石冲击加速度、棚洞顶板腹部应变、架腿应力等因素，试验结果的精确度有待提高。

技术实现要素：

3.针对上述存在的问题，本实用新型旨在提供一种落石冲击多级吸震棚洞结构相似模型试验装置，对现场应用中的棚洞结构进行等比例缩小，且能够对复合柔性垫层、弹簧支座影响下落石冲击的加速度、棚洞腹部应变以及架腿的应力等进行模拟测试，提高试验精度。
4.为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：
5.一种落石冲击多级吸震棚洞结构相似模型试验装置，包括落石冲击架，其特征在于：所述落石冲击架的顶部中心活动安装有落石球体；所述落石冲击架内设有混凝土支座，所述混凝土支座的顶部四角处对称设有四个弹簧支座，四个所述弹簧支座的顶部固设有混凝土顶板，所述落石球体位于所述混凝土顶板的中心正上方。
6.进一步的，所述落石冲击架包括方形的钢架底座，所述钢架底座的顶部固设有四根钢架立柱，四根所述钢架立柱的顶部固设有方形的钢架顶框，所述钢架顶框的中心固设有横向系梁；
7.所述横向系梁的底部安装有定滑轮，所述定滑轮上设有与所述定滑轮相匹配的提拉线，所述提拉线的一端为自由端，所述提拉线的另一端与所述落石球体固定连接。
8.进一步的，所述落石球体的顶部中心处开设有加速度计放置孔，所述加速度计放置孔内安装有加速度计；所述落石球体的顶部设有落石球体吊环，所述落石球体吊环的顶部与所述提拉线固定连接。
9.进一步的，所述混凝土顶板包括u型的棚洞顶板，所述棚洞顶板的前侧面和后侧面均设有钢化玻璃挡板，所述棚洞顶板与两块所述钢化玻璃挡板围成一个顶部开口的箱体结构，所述箱体结构内依次铺设有泡沫垫层和砂土垫层；
10.所述棚洞顶板的底部安装有多个动态应变计。
11.进一步的，所述混凝土支座包括前部支腿和后部支腿，所述前部支腿和所述后部支腿的顶部之间设有两个上部横向系梁，所述前部支腿和所述后部支腿的中部之间设有两
个下部横向系梁；
12.两个所述上部横向系梁的顶部分别对应设有弹簧支座支撑钢板，四个所述弹簧支座对称设置在两块所述弹簧支座支撑钢板的顶部。
13.进一步的，所述前部支腿和后部支腿的底部均设有动态压力计，所述动态压力计的底部设有钢垫板，所述钢垫板放置在硬质水泥地面上。
14.本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，本实用新型的改进之处在于，
15.1、本实用新型的落石冲击多级吸震棚洞结构相似模型试验装置将实际应用中的棚洞结构进行等比例缩小(1：10缩比例)，通过调整落石球体的高度，能够模拟不同冲击能量下棚洞结构的受力情况，从而为明确棚洞防护系统的防护能力，优化棚洞防护系统的设计奠定基础，试验结果更加精确，贴近于实际应用过程。
16.2、本实用新型在落石球体的顶部开设有加速度计放置孔，并在加速度计放置孔中安装有加速度计，能够测定落石冲击的加速度，落石球体顶部设置落石球体吊环能够保证落石球体竖直向下移动，从而保证加速度计处于垂直状态，提高测量精度。
17.3、本实用新型的混凝土顶板采用泡沫垫层和沙土垫层的复合垫层结构，并在混凝土顶板底部设置弹簧支座，泡沫垫层和弹簧支座能够起到双重减震的效果，避免落石冲击破坏混凝土顶板，提高装置使用寿命；混凝土顶板采用u型的棚洞顶板结构，并在棚洞顶板的前侧两侧均设置钢化玻璃挡板，便于直观地对混凝土顶板的复合垫层铺设情况进行观察，棚洞顶板的底部设置动态应变计能够测定整个混凝土顶板腹部的应变情况。
18.4、本实用新型在混凝土支座的底部设置动态压力计，能够测定混凝土支座的腿部压力，在混凝土支座的底部设置钢垫板，并将钢垫板放置在硬质水泥地面，避免在落石冲击的作用下混凝土支座下陷，提高了试验精度。
附图说明
19.图1为本实用新型落石冲击多级吸震棚洞结构相似模型试验装置结构示意图。
20.图2为本实用新型落石冲击架结构示意图。
21.图3为本实用新型落石球体结构示意图。
22.图4为本实用新型混凝土顶板结构示意图。
23.图5为本实用新型混凝土顶板结构仰视图。
24.图6为本实用新型混凝土支座结构示意图。
25.图7为本实用新型混凝土支座底部动态压力计布设示意图。
26.其中：1落石冲击架，1-1钢架底座，1-2钢架立柱，1-3钢架顶框，1-4横向系梁，2落石球体，2-1加速度计放置孔，2-2加速度计，2-3落石球体吊环，3混凝土支座，3-1前部支腿，3-2后部支腿，3-3上部横向系梁，3-4下部横向系梁，3-5动态压力计，3-6钢垫板，3-7硬质水泥地面，4弹簧支座，5混凝土顶板，5-1棚洞顶板，5-2泡沫垫层，5-3砂土垫层，5-4钢化玻璃挡板，5-5动态应变计，6定滑轮，7提拉线，8弹簧支座支撑钢板。
具体实施方式
27.为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的描述。
28.参照附图1-7所示的一种落石冲击多级吸震棚洞结构相似模型试验装置，包括落石冲击架1，所述落石冲击架1的顶部中心活动安装有落石球体2；所述落石冲击架1内设有混凝土支座3，所述混凝土支座3的顶部四角处对称设有四个弹簧支座4，四个所述弹簧支座4的顶部固设有混凝土顶板5，所述落石球体2位于所述混凝土顶板5的中心正上方；所述混凝土支座3、弹簧支座4和混凝土顶板5形成棚洞结构，所述棚洞结构对实际使用的棚洞结构的缩比例模型(1:10缩比例)，且所述棚洞结构位于所述落石冲击架1内部正中心。
29.具体的，所述落石冲击架1包括方形的钢架底座1-1，所述钢架底座1-1的顶部焊接固定有四根钢架立柱1-2，四根所述钢架立柱1-2的顶部焊接固定有方形的钢架顶框1-3，所述钢架顶框1-3的中心焊接固定有横向系梁1-4；
30.所述横向系梁1-4的底部安装有定滑轮6，所述定滑轮6上设有与所述定滑轮6相匹配的提拉线7，所述提拉线7的一端为自由端，所述提拉线7的另一端固设有所述落石球体2，所述落石球体2为球形铁球；所述落石球体2的顶部中心处开设有加速度计放置孔2-1，所述加速度计放置孔2-1内通过胶粘固定有加速度计2-2，所述加速度计2-2用于测定落石冲击的加速度，所述落石球体2的顶部焊接固定有落石球体吊环2-3，所述落石球体吊环2-3位于所述加速度计放置孔2-1的正上方，且所述落石球体吊环2-3的顶部设有尖嘴，所述提拉线7绑接固定在所述落石球体吊环2-3顶部的尖嘴上，所述落石球体吊环2-3能够保证所述落石球体2在自由落体的过程中保持垂直状态，从而使得所述加速度计2-2保持垂直，提高试验精度。
31.进一步的，所述混凝土顶板5包括u型的棚洞顶板5-1，所述棚洞顶板5-1的前侧面和后侧面均设有钢化玻璃挡板5-4，所述棚洞顶板5-1与两块所述钢化玻璃挡板5-4围成一个顶部开口的箱体结构，所述箱体结构内依次铺设有泡沫垫层5-2和砂土垫层5-3，所述泡沫垫层5-2位于所述砂土垫层5-3的底部；所述混凝土顶板5采用泡沫垫层5-2和砂土垫层5-3的复合垫层结构，能够对落石冲击进行减震，避免落石冲击损坏整个混凝土顶板5，从而提高装置的使用寿命。所述混凝土顶板5采用u型的棚洞顶板5-1加前后侧面的钢化玻璃挡板5-4不仅便于泡沫垫层5-2和砂土垫层5-3的安装，钢化玻璃挡板5-4还便于对试验过程进行直观的观察，甚至拍照记录。所述棚洞顶板5-1的底部，也即所述棚洞顶板5-1的腹部安装有多个动态应变计5-5，所述动态应变计5-5用于测定棚洞顶板5-1腹部的应变；多个所述动态应变计5-5沿着所述棚洞顶板5-1底部的横向和纵向对称轴设置，且均匀布设在横向和纵向对称轴的一半位置处，所述动态应变计5-5粘接固定在所述棚洞顶板5-1的底部。
32.进一步的，所述混凝土支座3包括前部支腿3-1和后部支腿3-2，所述前部支腿3-1和所述后部支腿3-2的顶部之间设有两个上部横向系梁3-3，所述前部支腿3-1和所述后部支腿3-2的中部之间设有两个下部横向系梁3-4；两个所述上部横向系梁3-3的顶部分别对应设有弹簧支座支撑钢板8，四个所述弹簧支座4对称设置在两块所述弹簧支座支撑钢板8的顶部；在所述混凝土顶板5的底部设置弹簧支座4可以进一步的对落石冲击进行减震，从而进一步的提高装置的使用寿命。
33.进一步的，所述前部支腿3-1和后部支腿3-2的底部均设有动态压力计3-5，所述动态压力计3-5的底部设有钢垫板3-6，所述钢垫板3-6放置在硬质水泥地面3-7上，此处需要注意的是，在使用时，直接将钢垫板3-6放置在硬质水泥地面3-7上，然后将四个动态压力计3-5直接放置在钢垫板3-6上，再将前部支腿3-1的两个架腿和后部支腿3-2的两个架腿放置
在对应的动态压力计3-5上即可；动态压力计3-5用来测定前部支腿3-1和后部支腿3-2的架腿处应力，钢垫板3-6和硬质水泥地面3-7可以避免混凝土支座3在受到落石冲击时下陷，从而提高了试验测试的精度。
34.本实用新型的工作原理：本实用新型在使用时，手拉提拉线7的自由端，将落石球体2拉至所需高度(根据需要模拟的冲击能量设定落石球体2的高度)，然后剪断提拉线7，落石球体2做自由落体运动，掉落至混凝土顶板5的中心，加速度计2-2测定落石冲击的加速度，棚洞顶板5-1底部的动态应变计5-5测定棚洞顶板5-1腹部的应变，前部支腿3-1和后部支腿3-2底部的动态压力计测定前部支腿3-1和后部支腿3-2的架腿应力，从而得出一整套完整的测试结果，可用于明确棚洞防护系统的防护能力，优化棚洞防护系统的设计。
35.以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：

1.一种落石冲击多级吸震棚洞结构相似模型试验装置，包括落石冲击架(1)，其特征在于：所述落石冲击架(1)的顶部中心活动安装有落石球体(2)；所述落石冲击架(1)内设有混凝土支座(3)，所述混凝土支座(3)的顶部四角处对称设有四个弹簧支座(4)，四个所述弹簧支座(4)的顶部固设有混凝土顶板(5)，所述落石球体(2)位于所述混凝土顶板(5)的中心正上方。2.根据权利要求1所述的一种落石冲击多级吸震棚洞结构相似模型试验装置，其特征在于：所述落石冲击架(1)包括方形的钢架底座(1-1)，所述钢架底座(1-1)的顶部固设有四根钢架立柱(1-2)，四根所述钢架立柱(1-2)的顶部固设有方形的钢架顶框(1-3)，所述钢架顶框(1-3)的中心固设有横向系梁(1-4)；所述横向系梁(1-4)的底部安装有定滑轮(6)，所述定滑轮(6)上设有与所述定滑轮(6)相匹配的提拉线(7)，所述提拉线(7)的一端为自由端，所述提拉线(7)的另一端与所述落石球体(2)固定连接。3.根据权利要求2所述的一种落石冲击多级吸震棚洞结构相似模型试验装置，其特征在于：所述落石球体(2)的顶部中心处开设有加速度计放置孔(2-1)，所述加速度计放置孔(2-1)内安装有加速度计(2-2)；所述落石球体(2)的顶部设有落石球体吊环(2-3)，所述落石球体吊环(2-3)的顶部与所述提拉线(7)固定连接。4.根据权利要求1所述的一种落石冲击多级吸震棚洞结构相似模型试验装置，其特征在于：所述混凝土顶板(5)包括u型的棚洞顶板(5-1)，所述棚洞顶板(5-1)的前侧面和后侧面均设有钢化玻璃挡板(5-4)，所述棚洞顶板(5-1)与两块所述钢化玻璃挡板(5-4)围成一个顶部开口的箱体结构，所述箱体结构内依次铺设有泡沫垫层(5-2)和砂土垫层(5-3)；所述棚洞顶板(5-1)的底部安装有多个动态应变计(5-5)。5.根据权利要求1所述的一种落石冲击多级吸震棚洞结构相似模型试验装置，其特征在于：所述混凝土支座(3)包括前部支腿(3-1)和后部支腿(3-2)，所述前部支腿(3-1)和所述后部支腿(3-2)的顶部之间设有两个上部横向系梁(3-3)，所述前部支腿(3-1)和所述后部支腿(3-2)的中部之间设有两个下部横向系梁(3-4)；两个所述上部横向系梁(3-3)的顶部分别对应设有弹簧支座支撑钢板(8)，四个所述弹簧支座(4)对称设置在两块所述弹簧支座支撑钢板(8)的顶部。6.根据权利要求5所述的一种落石冲击多级吸震棚洞结构相似模型试验装置，其特征在于：所述前部支腿(3-1)和后部支腿(3-2)的底部均设有动态压力计(3-5)，所述动态压力计(3-5)的底部设有钢垫板(3-6)，所述钢垫板(3-6)放置在硬质水泥地面(3-7)上。

技术总结

本实用新型公开了一种落石冲击多级吸震棚洞结构相似模型试验装置，包括落石冲击架，所述落石冲击架的顶部中心活动安装有落石球体；所述落石冲击架内设有混凝土支座，所述混凝土支座的顶部四角处对称设有四个弹簧支座，四个所述弹簧支座的顶部固设有混凝土顶板，所述落石球体位于所述混凝土顶板的中心正上方，且所述混凝土顶板为含有泡沫垫层和砂土垫层的复合垫层结构。本实用新型对现场应用中的棚洞结构进行等比例缩小，且能够对落石冲击的加速度、棚洞顶板腹部应变以及架腿应力等参数进行模拟测试，提高试验精度。提高试验精度。提高试验精度。