一种用于RC双曲壳破坏试验的实验设备及其实验方法

摘要

本发明公开了一种用于RC双曲壳破坏试验的实验设备，包括底板，底板水平布置，底板前侧相对位置设有竖直布置的固定柱，固定柱后侧设有拉杆固定板，拉杆固定板后侧设有多个拉杆液压装置，每一个拉杆液压装置上都设有一个纵向布置的水平液压拉杆；底板后侧相对位置设有固定框，固定框内侧顶部设有顶部液压模块，顶部液压模块底部设有方木，固定框内部左侧设有左侧液压模块，左侧液压模块右侧设有垫片，固定框内部右侧设有右侧液压模块，右侧液压模块左侧设有垫片；固定框内部相对位置设有一体浇筑实验体模块。本发明的有益效果为：可以准确的对双曲壳在多荷载作用下的受力特性及破坏特征进行分析。

说明书

技术领域

本发明属于RC双曲壳的技术领域，具体涉及一种用于RC双曲壳破坏试验的实验设备及其实验方法。

背景技术

大型双曲冷却塔是火电厂、核电站循环水冷却系统的重要组成部分。双曲壳是冷却塔塔筒壳体的一部分。冷却塔在整个服役过程中，其主要承受自重、温度（冬温和夏温）、风荷载和地震作用，由于冷却塔较高、跨度大且壁厚很薄，在进行结构设计往往以风荷载为控制荷载。冷却塔在自重+温度+风荷载组合下或者自重+风荷载组合下塔筒壳单元受力复杂，其受力特征与建筑中的剪力墙和楼板以及筒壳均有一定的差异。双曲壳单元上述荷载作用下主要承受子午向（竖向）的轴力和弯矩以及环向（水平向）的轴力和弯矩，但对冷却塔塔筒在上述工况下的受力塔形及破坏特征的分析大多都是采用数值模拟，而模型试验极少。如果有了模型试验分析结果，就可验证冷却塔原型结构计算时所取参数的合理性，并且可以验证原型结构数值模拟结果的正确性。但目前国内外对冷却塔的模型试验仅是风洞试验和振动台试验为主，且国内可以进行上述试验的实验室较少。对于风洞试验，一般仅采用非RC材料制作缩尺模型，通过风洞试验来获取其表面风压分布特性等，并未有采用钢筋混凝土材料制作缩尺模型的风洞试验，来分析冷却塔塔筒及下支柱的受力特征，且风洞试验成本高昂；而冷却塔振动台试验国内虽有案例，但仅仅是自重和地震的组合，并不能得到风荷载这一控制荷载作用下塔筒各区域的受力特性和破坏特征。所以看来，国内的尚有模型试验还未能实现本发明所述的内容；没有合理的模型试验，就不能对冷却塔原型结构数值模型计算参数的合理性和模拟结果的正确性进行验证，同时也无法得到双曲壳在试验下的受力特性和破坏特征。故文中结合双曲壳的受力特征和所需施加的荷载工况，设计了双曲壳模型试验分析的合理方案，对大比例RC双曲壳施加相应的边界条件和加载方案，可实现对双曲双向（水平和竖向）轴力和弯矩的加载，可合理模拟原型结构在多荷载作用下的受力特性及破坏特征，并可为后续数值模拟提供一定的参考。

发明内容

本发明提供一种用于RC双曲壳破坏试验的实验设备，可以准确的对双曲壳在多荷载作用下的受力特性及破坏特征进行分析。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于RC双曲壳破坏试验的实验设备，包括底板，底板水平布置，底板前侧相对位置设有竖直布置的固定柱，固定柱后侧设有拉杆固定板，拉杆固定板后侧设有多个拉杆液压装置，每一个拉杆液压装置上都设有一个纵向布置的水平液压拉杆；底板后侧相对位置设有固定框，固定框内侧顶部设有顶部液压模块，顶部液压模块底部设有方木，固定框内部左侧设有左侧液压模块，左侧液压模块右侧设有垫片，固定框内部右侧设有右侧液压模块，右侧液压模块左侧设有垫片；固定框内部相对位置设有一体浇筑实验体模块，一体浇筑实验体模块包括双曲壳墙体，双曲壳墙体顶部设有多个顶部水平混凝土加载梁，双曲壳墙体底部设有多个底部水平混凝土加载梁，双曲壳墙体左侧设有多个左侧水平型钢加载梁，双曲壳墙体右侧设有多个右侧水平型钢加载梁，双曲壳墙体内部设有多个预埋弯钩模块，预埋弯钩模块包括前部弯钩和小片方形钢板，预埋弯钩模块与水平液压拉杆固定连接，顶部水平混凝土加载梁顶面与方木底面相接触，底部水平混凝土加载梁底面与底板顶面相接处，左侧水平型钢加载梁左侧面与左侧液压模块上的垫片相接触，右侧水平型钢加载梁右侧面与右侧液压模块上的垫片相接触。

进一步的，顶部水平混凝土加载梁、底部水平混凝土加载梁、左侧水平型钢加载梁、右侧水平型钢加载梁都与一体浇筑实验体模块一体浇筑成型。

进一步的，水平液压拉杆的数量位置与预埋弯钩模块的数量位置相对应。

进一步的，底板上相对位置设有控制系统，顶部液压模块、右侧液压模块、左侧液压模块、多个拉杆液压装置都与控制系统电连接，受控制系统控制。

进一步的，多个顶部水平混凝土加载梁的浇筑位置与双曲壳墙体顶部的曲面曲率相适配，多个底部水平混凝土加载梁的浇筑位置与双曲壳墙体底部的曲面曲率相适配，多个左侧水平型钢加载梁的浇筑位置与双曲壳墙体左侧的曲面曲率相适配，多个右侧水平型钢加载梁的浇筑位置与双曲壳墙体右侧的曲面曲率相适配。

进一步的，上述一种用于RC双曲壳破坏试验的实验设备的实验方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、首先根据国内外已有的冷却塔静力极限荷载计算结果，以塔筒首先开裂和最终破坏位置一定区域的塔筒为原型结构几何参照进行双曲壳墙体的制作，确定双曲壳墙体的各处详细尺寸、相关参数及双向配筋率、对所需的混凝土量、钢筋数量、模板和加载的配件进行准备，主要包括双曲壳墙体两侧边的左侧水平型钢加载梁、右侧水平型钢加载梁的准备，顶部水平混凝土加载梁、底部水平混凝土加载梁的准备，以及双曲壳墙体内部需要的预埋弯钩模块的准备；

S2、模型制作需要的材料和配件准备完成后，开始制作一体浇筑实验体模块，将双曲壳墙体、顶部水平混凝土加载梁、底部水平混凝土加载梁、左侧水平型钢加载梁、右侧水平型钢加载梁、预埋弯钩模块一体浇筑；由于本装置不涉及混凝土浇筑时的具体施工细节，故不在展开说明；

S3、然后安装底部水平混凝土加载梁与固定框，将浇筑完成的一体浇筑实验体模块放置在固定框内部相对位置，在顶部水平混凝土加载梁顶面安装方木，在左侧水平型钢加载梁左侧、右侧水平型钢加载梁右侧安装垫片，然后安装顶部液压模块、右侧液压模块、拉杆固定板；

S4、下一步工作是对一体浇筑实验体模块进行竖向实验；在实验前需要检查顶部水平混凝土加载梁、底部水平混凝土加载梁与装置的接触是否均匀；确保壳体与装置有一个稳定的连接而不至于出现应力集中，首先通过启动顶部液压模块实现对双曲壳竖向力和弯矩的预加载，观察一体浇筑实验体模块的情况，确定顶部水平混凝土加载梁、底部水平混凝土加载梁与相应位置接触均匀，否则关闭预加载，重新调整顶部水平混凝土加载梁、底部水平混凝土加载梁的位置，当使用预加载成功确定顶部水平混凝土加载梁与底部水平混凝土加载梁受力均匀后，即可对一体浇筑实验体模块进行正式加载，可通过控制系统调节顶部液压模块施加事先计算好的压力或者拉力大小来得到试验者的需求；

S5、下一步是启动右侧液压模块、左侧液压模块来实现一体浇筑实验体模块环向弯矩的加载实验；同样的，需要进行预加载，确保左侧水平型钢加载梁、右侧水平型钢加载梁均匀受力，然后再通过控制系统调节左侧水平型钢加载梁、右侧水平型钢加载梁施加事先计算好的压力或者拉力大小来得到试验者的需求；

S6、然后进行对一体浇筑实验体模块纵向的加载实验，需要通过表面上的多个预埋弯钩模块加载来实现，多个预埋弯钩模块与各自对应的水平液压拉杆焊接，然后再通过控制系统分别调节每一个拉杆液压装置的拉力，向每一个不同的水平液压拉杆施加事先计算好的拉力大小来得到试验者的需求；

S7、最后进行综合受力实验，同时启动顶部液压模块、右侧液压模块、左侧液压模块、多个拉杆液压装置，用事先计算好的数据进行拉力或推力的综合性复合实验，观察一体浇筑实验体模块的变化，记录数据。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明中，本实验方法可以实现对双曲壳模型进行受力特性和破坏特征的试验分析，弥补国内尚有模型试验的不足。其包括对双曲壳子午向（竖向）的轴力和弯矩的加载、对环向（水平向）偏心拉压荷载的加载，以及在双曲壳表面施加多点荷载以形成双向弯矩。结合本试验装置级原型结构选取合理的加载机制、并设计相应的边界条件，可以准确的对双曲壳在多荷载作用下的受力特性及破坏特征进行分析。所得的试验结果，可验证冷却塔原型结构计算时所取参数的合理性，并且可以验证原型结构数值模拟结果的正确性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为固定框和一体浇筑实验体模块的结构示意图；

图3为一体浇筑实验体模块的剖视图；

图4为本发明的另一个视角的结构示意图；

图5为预埋弯钩模块的结构示意图。

图中：1.固定框，2.双曲壳墙体，3.顶部水平混凝土加载梁，4.左侧水平型钢加载梁，5.预埋弯钩模块，6.小片方形钢板，7.水平液压拉杆，8.方木，9.垫片，10.拉杆固定板，11.右侧液压模块，12.顶部液压模块，13.底部水平混凝土加载梁，14.右侧水平型钢加载梁，15.一体浇筑实验体模块，16.底板，17.左侧液压模块，18.拉杆液压装置，19.固定柱，20.前部弯钩。

具体实施方式

实施例：如图1至图5所示，包括底板16，底板16水平布置，底板16前侧相对位置设有竖直布置的固定柱19，固定柱19后侧设有拉杆固定板10，拉杆固定板10后侧设有多个拉杆液压装置18，每一个拉杆液压装置18上都设有一个纵向布置的水平液压拉杆7；底板16后侧相对位置设有固定框1，固定框1内侧顶部设有顶部液压模块12，顶部液压模块12底部设有方木8，固定框1内部左侧设有左侧液压模块17，左侧液压模块17右侧设有垫片9，固定框1内部右侧设有右侧液压模块11，右侧液压模块11左侧设有垫片9；固定框1内部相对位置设有一体浇筑实验体模块15，一体浇筑实验体模块15包括双曲壳墙体2，双曲壳墙体2顶部设有多个顶部水平混凝土加载梁3，双曲壳墙体2底部设有多个底部水平混凝土加载梁13，双曲壳墙体2左侧设有多个左侧水平型钢加载梁4，双曲壳墙体2右侧设有多个右侧水平型钢加载梁14，双曲壳墙体2内部设有多个预埋弯钩模块5，预埋弯钩模块5包括前部弯钩20和小片方形钢板6，预埋弯钩模块5与水平液压拉杆7固定连接，顶部水平混凝土加载梁3顶面与方木8底面相接触，底部水平混凝土加载梁13底面与底板16顶面相接处，左侧水平型钢加载梁4左侧面与左侧液压模块17上的垫片相接触，右侧水平型钢加载梁14右侧面与右侧液压模块11上的垫片相接触。顶部水平混凝土加载梁3、底部水平混凝土加载梁13、左侧水平型钢加载梁4、右侧水平型钢加载梁14都与一体浇筑实验体模块15一体浇筑成型，水平液压拉杆7的数量位置与预埋弯钩模块5的数量位置相对应，底板16上相对位置设有控制系统，顶部液压模块12、右侧液压模块11、左侧液压模块17、多个拉杆液压装置18都与控制系统电连接，受控制系统控制，多个顶部水平混凝土加载梁3的浇筑位置与双曲壳墙体2顶部的曲面曲率相适配，多个底部水平混凝土加载梁13的浇筑位置与双曲壳墙体2底部的曲面曲率相适配，多个左侧水平型钢加载梁4的浇筑位置与双曲壳墙体2左侧的曲面曲率相适配，多个右侧水平型钢加载梁14的浇筑位置与双曲壳墙体2右侧的曲面曲率相适配。

工作过程：首先安装顶部水平混凝土加载梁3、底部水平混凝土加载梁13的模版，和双曲壳墙体2的模版由于是和双曲壳墙体2一起浇筑的混凝土材料，要注意顶部水平混凝土加载梁3、底部水平混凝土加载梁13模板的定位，同时需要注意的是，顶部水平混凝土加载梁3、底部水平混凝土加载梁13模板安装时需要根据双曲壳墙体2的曲率设置一定的偏心，让顶部水平混凝土加载梁3、底部水平混凝土加载梁13始终与所对应的双曲壳墙体2表面相对位置垂直，这样后期在加载时可以保证弯矩效应模拟的准确；而对于左侧水平型钢加载梁4、右侧水平型钢加载梁14，通过绑扎或者焊接的方式直接固定到双曲壳墙体2内部的受力钢筋上即可，同时，由左侧水平型钢加载梁4、右侧水平型钢加载梁14是穿透双曲壳墙体2的，所以双曲壳墙体2在制作的时候需要预留相应的空洞；对于预埋弯钩模块5的定位，同样采用绑扎或者焊接的方式直接固定到双曲壳墙体2的受力钢筋上；对于一体浇筑实验体模块15左右两侧的多个左侧水平型钢加载梁4以及多个右侧水平型钢加载梁14在实验时必须保持每个左侧水平型钢加载梁4、右侧水平型钢加载梁14加载受力均匀，在顶部水平混凝土加载梁3顶面安装方木8，在左侧水平型钢加载梁4左侧、右侧水平型钢加载梁14右侧安装垫片9，避免由于接触面过小而在加载时对一体浇筑实验体模块15竖向或横向的加载点出现应力集中的现象，可能损坏一体浇筑实验体模块15上的加载点，同时也会影响结果的合理性；对于双曲壳墙体2表面多点荷载的合理实现，需要的是水平液压拉杆7与预埋弯钩模块5是完全固定的链接（一般采用焊接的方式），不能仅是穿过吊钩链接方式，因为对一体浇筑实验体模块15表面的加载要可以实现压力和拉力的施加，目的是为弥补、抵消双向偏心荷载形成弯矩的不足、超限，使得该试验加载方案可以准备模拟双曲壳墙体2的现实实际受力特征。同时，表面上的每个预埋弯钩模块5加载点是独立的进行液压加载的，即可单独对每一个水平拉杆进行长度的调节来实现不同加载点荷载大小的控制。

上述一种风光互补空气净化装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、首先根据国内外已有的冷却塔静力极限荷载计算结果，以塔筒首先开裂和最终破坏位置一定区域的塔筒为原型结构几何参照进行双曲壳墙体2的制作，确定双曲壳墙体2的各处详细尺寸、相关参数及双向配筋率、对所需的混凝土量、钢筋数量、模板和加载的配件进行准备，主要包括双曲壳墙体2两侧边的左侧水平型钢加载梁4、右侧水平型钢加载梁14的准备，顶部水平混凝土加载梁3、底部水平混凝土加载梁13的准备，以及双曲壳墙体2内部需要的预埋弯钩模块5的准备；

S2、根据权利要求1所述的一种用于RC双曲壳破坏试验的实验设备，其特征在于：模型制作需要的材料和配件准备完成后，开始制作一体浇筑实验体模块15，将双曲壳墙体2、顶部水平混凝土加载梁3、底部水平混凝土加载梁13、左侧水平型钢加载梁4、右侧水平型钢加载梁14、预埋弯钩模块5一体浇筑；由于本装置不涉及混凝土浇筑时的具体施工细节，故不在展开说明；

S3、根据权利要求1所述的一种用于RC双曲壳破坏试验的实验设备，其特征在于：然后安装底部水平混凝土加载梁13与固定框1，将浇筑完成的一体浇筑实验体模块15放置在固定框1内部相对位置，在顶部水平混凝土加载梁3顶面安装方木8，在左侧水平型钢加载梁4左侧、右侧水平型钢加载梁14右侧安装垫片9，然后安装顶部液压模块12、右侧液压模块11、拉杆固定板10；

S4、根据权利要求1所述的一种用于RC双曲壳破坏试验的实验设备，其特征在于：下一步工作是对一体浇筑实验体模块15进行竖向实验；在实验前需要检查顶部水平混凝土加载梁3、底部水平混凝土加载梁13与装置的接触是否均匀；确保壳体与装置有一个稳定的连接而不至于出现应力集中，首先通过启动顶部液压模块12实现对双曲壳竖向力和弯矩的预加载，观察一体浇筑实验体模块15的情况，确定顶部水平混凝土加载梁3、底部水平混凝土加载梁13与相应位置接触均匀，否则关闭预加载，重新调整顶部水平混凝土加载梁3、底部水平混凝土加载梁13的位置，当使用预加载成功确定顶部水平混凝土加载梁3与底部水平混凝土加载梁13受力均匀后，即可对一体浇筑实验体模块15进行正式加载，可通过控制系统调节顶部液压模块12施加事先计算好的压力或者拉力大小来得到试验者的需求；

S5、根据权利要求1所述的一种用于RC双曲壳破坏试验的实验设备，其特征在于：下一步是启动右侧液压模块11、左侧液压模块17来实现一体浇筑实验体模块15环向弯矩的加载实验；同样的，需要进行预加载，确保左侧水平型钢加载梁4、右侧水平型钢加载梁14均匀受力，然后再通过控制系统调节左侧水平型钢加载梁4、右侧水平型钢加载梁14施加事先计算好的压力或者拉力大小来得到试验者的需求；

S6、一种用于RC双曲壳破坏试验的实验设备，其特征在于：然后进行对一体浇筑实验体模块15纵向的加载实验，需要通过表面上的多个预埋弯钩模块5加载来实现，多个预埋弯钩模块5与各自对应的水平液压拉杆7焊接，然后再通过控制系统分别调节每一个拉杆液压装置18的拉力，向每一个不同的水平液压拉杆7施加事先计算好的拉力大小来得到试验者的需求；

S7、根据权利要求1所述的一种用于RC双曲壳破坏试验的实验设备，其特征在于：最后进行综合受力实验，同时启动顶部液压模块12、右侧液压模块11、左侧液压模块17、多个拉杆液压装置18，用事先计算好的数据进行拉力或推力的综合性复合实验，观察一体浇筑实验体模块15的变化，记录数据。