钢板耗能形变测量方法、滚石防撞装置设计方法、应用与流程

1.本发明涉及材料冲击变形测量与防撞装置设计，特别是涉及一种以钢板为迎撞面的耗能变形与防撞装置设计，属于运动过程测量技术、工程防护设计技术、地质灾害防治技术领域。


背景技术：

2.防撞安全性设计是包含桥墩在内的某些特定建筑物/构筑体工程设计的重要内容。在工程实际中，一般将具有良好耗能缓冲性能的泡沫铝、聚氨酯等高吸收性材料加工成耗能芯材，再将其下覆于致密金属板之后，形成“三明治”式复合夹芯结构。以致密金属板(通常是钢板)作为迎撞面，能够有效克服高吸收性材料由于孔隙量大、致密性低所致的强度不足缺陷。这类复合夹芯材料由于具有质量轻、比刚强度高、吸能性能突出的性能优势，同时具有加工便捷、成本经济的造价优势，被广泛应用于前述特定建筑物/构筑体的防撞部、防撞装置设计。
3.现有技术“泡沫铝防护装置在桥墩防撞上的应用研究”(徐东丰，重庆交通大学，2006)、“设置新型复合材料防撞装置的车－桥碰撞数值模拟”(张建强等，《中外公路》，2011年第31卷第6期)“聚氨酯夹层板桥墩防护装置研究”(邹世超，江苏科技大学，2012)、“泡沫铝夹芯板加固山区跨泥石流桥墩抗冲结构优化研究”(王东坡等，《振动与冲击》，2016年第35卷第10期)、“双层泡沫铝夹芯板抗滚石冲击结构性能优化研究”(程鹏等，《振动与冲击》，2018年第37卷第5期)均公开了钢－耗能芯材复合夹芯结构在特定建筑物/构筑体防撞安全中的应用与设计。这类现有技术存在两方向共性：其一，在防撞性能设计中均只重视耗能芯材的设计，忽视迎撞件钢面板作为复合夹芯结构一部分在受撞击时表现的耗能效应。因而低估了完整的复合夹芯结构耗能性能，造成设计保守。其二，在防撞试验或耗能部件设计中，均没有解决钢面板耗能形变测量问题，也就是仅采用实物物理测量手段确定钢面板变形程度，没有给出测量钢面板受撞击发生耗能形变的数学方法，由此使得现有技术始终没有解决利用关键参数对钢板耗能形变过程进行数学量化的问题。这与钢板材料在防撞建筑物/构筑体被大规模使用的工程实际脱节，制约了以钢板为迎撞面的防撞体/防撞部/防撞装置设计方法科学性的提升。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种测量钢板受冲击变形过程的方法，以及利用该方法实现的滚石防撞装置设计方法。
5.为实现上述目的，本发明首先提供一种钢板耗能形变测量方法，其技术方案如下：
6.一种钢板耗能形变测量方法，测量钢板受球状体撞击变形过程的压缩应变ε(t)，其特征在于：依式1测算钢板的压缩应变ε(t)，
7.8.式1中，ε(t)—钢板压缩应变，
9.δ(t)—钢板受冲击压痕深度，根据撞击试验确定，
10.r1—球状体半径。
11.上述方法是测算钢板受撞击时由于材料弹塑性所致压缩小变形而产生的压缩应变。撞击物是均质球状体，或者是利用现有技术能够近似视为均质球状体的物体。对压缩应变ε(t)的测量所需的钢板受冲击压痕深度δ(t)数据获取，可通过现有撞击试验实现。
12.在测量确定ε(t)的基础上，本发明方法进一步提供依式2测算钢板变形区半径r2(t)的方法，以及依式3测算钢板变形区体积v1(t)的方法，其中，d1是钢板撞击区原始厚度。
[0013][0014][0015]
上述钢板耗能形变测量技术方案中没有指明变量单位，原因在于测量中主要涉及物理距离指标，在不同测量工况中可以指定不同的单位，只需要保证等式两侧量纲平衡即可。
[0016]
通过测量对钢板耗能形变特征，能够对钢板的抗撞击性能开展测算评估。也能够对迎撞击层为钢板的各类防撞体的抗撞击性能开展测算评估。故，本发明提供如下应用类技术方案：
[0017]
上述钢板耗能形变测量方法在钢板抗撞击性能测算评估中的应用。
[0018]
上述钢板耗能形变测量方法在防撞体耗能性能测算评估中的应用，其特征在于：所述防撞体的迎撞击层是钢板层。
[0019]
上述应用类技术方案所称的抗撞击性能测算评估可以包括钢板或防撞体受撞击的变形程度、形变耗能水平、失效破坏程度等。撞击物应当是均质球状体，或者是能够利用现有技术视为近似球状体的物体。
[0020]
上述技术方案测量钢板受撞击的形变过程。当钢板形变过程抵达极限状态，测量方案中的压缩应变ε(t)表达为由钢板材料性质决定的钢板失效应变εf。此时可测算确定钢板有效吸能体积进而可以测算钢板受撞击下的形变耗能量。本发明提供钢板形变耗能测算方法，其技术方案如下：
[0021]
一种钢板形变耗能量测量方法，测算钢板受球状体撞击耗能量，其特征在于：依式4测算钢板极限变形耗能量w1，
[0022][0023][0024]
式4、式5中，w1—钢板极限变形耗能量，
[0025]
ea1—钢板单位体积耗能值，依现有技术测算确定，
[0026]
—钢板有效吸能体积，
[0027]
d1—钢板撞击区原始厚度，材料性能确定，
[0028]
r1—球状体半径，现场数据确定，
[0029]
εf—钢板失效应变，材料性能确定。
[0030]
本发明提供如下应用类技术方案：
[0031]
上述钢板形变耗能量测量方法在钢板抗撞击性能测算评估中的应用。
[0032]
上述钢板形变耗能量测量方法在防撞体耗能性能测算评估中的应用，其特征在于：所述防撞体的迎撞击层是钢板层。
[0033]
工程构筑体的防撞体的一种常见结构是以复合夹层结构为耗能部。复合夹层结构主要利用耗能芯材形变耗能，同时在耗能芯材外覆钢材面板作为迎撞击面。钢材面板能够保护耗能芯材免被直接磨损、风化、腐蚀，能够扩大耗能芯材变形区提高耗能量，还能通过自身变形耗能分担耗能总量。本发明提供针对该类防撞体耗能量测量方法，其技术方案如下：
[0034]
一种利用上述钢板形变耗能量测量方法实现的防撞体受撞击耗能量测量方法，其特征在于：
[0035]
所述防撞体的耗能部是复合夹层结构，包括作为迎撞击面的钢面板与耗能芯材；
[0036]
测算钢面板的极限变形耗能量w1，
[0037]
依式6、式7测算耗能芯材的变形耗能量w2，所述耗能芯材变形区半径依式6计算确定，
[0038]
w2＝ea2×v2
ꢀꢀꢀ
式6
[0039][0040]
式6、式7中，w2—耗能芯材极限变形耗能量，
[0041]
ea2—耗能芯材单位体积耗能值，依材料性质确定，
[0042]v2
—耗能芯材有效吸能体积，根据依现有技术确定，
[0043]
—耗能芯材变形区半径，
[0044]
依式8确定防撞体受撞击耗能量w，
[0045]
w＝w1+w2ꢀꢀꢀ
式8。
[0046]
上述防撞体耗能量测量方法测算防撞体耗能部受撞击时的耗能量w。该方法是在本发明上述钢板撞击形变测量方案的基础上，测算作为迎撞击面的钢面板极限变形区半径，从而能够测算耗能芯材变形区半径由此解决复合夹层结构的耗能总量测算问题。
[0047]
上述防撞体耗能量测量方法适用的前提是钢面板极限变形区半径能够被合理地视为其后的耗能芯材变形区半径，具体条件是钢板下覆缓冲材料本身强度小于钢板强度，因而要求耗能芯材强度小于钢面板强度。
[0048]
本发明的另一目的是提供一种滚石防撞装置设计方法，解决其中耗能件的结构设计问题。具体技术方案如下：
[0049]
一种利用上述防撞体耗能量测量方法实现的滚石防撞装置设计方法，其特征在于：根据现场调查数据确定滚石防撞装置耗能件安装位置、滚石最大冲击能量w
′
，所述滚石
防撞装置耗能件是复合夹层结构，将滚石形状转换为半径r1的等效球状，利用防撞体耗能测算方法测算滚石防撞装置耗能件受撞击耗能量w，根据w与w
′
大小关系验算滚石防撞装置耗能部设计参数。
[0050]
滚石对建筑体/构筑体的撞击破坏与建筑体/构筑体所处地形有关，滚石的撞击部位与冲击能量大小等基本数据可以通过现场调查获取。对于建筑体/构筑体，在可能的滚石撞击部位安装耗能件并保证耗能件设计耗能量满足该处的滚石最大冲击能量，是防撞装置的有效设计方案。以上述复合夹层结构作为耗能件，则可利用本发明防撞体耗能测算方法测算耗能件的受撞击耗能量w，进行滚石防撞装置设计。
[0051]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)提供测量钢板耗能形变的技术方案，能够测量钢板受球状体撞击产生塑性变形过程中压缩应变、变形区半径、变形区体积3个关键性参数，从而对钢板耗能形变过程进行量化。克服了现有技术对钢板撞击形变过程的应变响应只能通过实验测量结果曲线加以表现的缺陷，以及对钢板的撞击变形区只能实测无法测算的缺陷。(2)提供测量钢板受球状体撞击耗能的技术方案，是现有技术没有解决的技术问题。(3)基于对钢板撞击变形测算的函数化，本发明防撞体耗能测算方法使现有技术对钢板－耗能芯材三明治型复合构件(即复合夹层结构)的耗能效果测算方案的科学性得以提升，能够对构件中迎撞钢面板的耗能功效作科学计量，降低了因只测算耗能芯材耗能效果而使设计趋于保守造成的浪费。(4)本发明滚石防撞装置设计方法能够通过对防撞体中更多项材料参数选择组合来使工程设计满足防撞耗能目标，从而提高了设计方法的灵活性与实用性。
附图说明
[0052]
图1是球状体撞击钢板试验平台示意图。
[0053]
图2是冲击加速时程曲线。
[0054]
图3是冲击加速时程曲线拟合方程。
[0055]
图4是桥墩防撞装置外部结构示意图。
[0056]
图5是桥墩防撞装置耗能件结构示意图。
[0057]
附图中的数字标记分别是：
[0058]
1复合夹层结构 11钢面板 12耗能芯材 121泡沫铝层 122聚氨酯层 13背板 2墩身
具体实施方式
[0059]
下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。
[0060]
实施例一
[0061]
如图1～图3所示，用本发明方法测量钢板耗能形变。
[0062]
利用球状体撞击钢板试验获取钢板受冲击压痕变量，测量钢板受撞击过程中的压缩应变ε(t)。
[0063]
图1是球状体撞击钢板试验平台示意图。平台主体是钢结构桁架，有必要的落锤提升装置、压力监测装置、高速摄像装置、数据采集装置、数据处理分析中心等部。落锤置平台高处，下落撞击平台底部钢板。落锤球状、轴承钢材质、半径r1＝0.125m、重量63.3kg、下落
高度4m。钢板矩形、q235材质、密度7850kg/m3、厚度2.5mm。试验全过程采用高速摄影仪记录并提取落锤冲击加速度时程曲线。
[0064]
利用冲击加速度时程曲线依式9建立球体冲击加速度a函数，依式10、式11建立钢板受冲击压痕深度δ(t)函数。式9～式11中，t为冲击时间(s)，a、b、c、d、e为试验参数，v(t)为球体冲击速度时程。
[0065]
a＝at4+bt3+ct2+dt+e
ꢀꢀꢀ
式9
[0066][0067][0068]
有a＝-7.5
×
108t4+7.6
×
107t
3-1.8
×
106t
2-7.3
×
103t+94.0(式9-1)，依2次积分得，δ(t)＝-2.5
×
107t6+3.8
×
106t
5-1.5
×
105t
4-1.2
×
103t3+47t2(式10-1)。图2是冲击加速时程曲线，图3是冲击加速时程曲线拟合方程。
[0069]
将δ(t)代入式1、式2、式3可分别测算钢板的压缩应变ε(t)、钢板变形区半径r2(t)、钢板变形区体积v1(t)。
[0070]
以冲击时间t＝0.025s为例，将t＝0.025代入式9-1、10-1，再代入式1～式3，有ε(t)＝0.017m、r2(t)＝0.063m、v1(t)＝2.52*10-5
m3。计算结果与实测数据相差在工程设计接受范围内。
[0071]
实施例二
[0072]
如图4、图5所示，用本发明方法设计桥墩防撞装置的耗能效能。
[0073]
1、现场调查获取基本数据
[0074]
现场调查确定桥墩墩身规格(墩身横截面为胶囊形)、滚石撞击部位(撞击角度、最大跃起高度)、滚石最大可能规格(等效球体半径r1＝0.25m)、滚石最大可能冲击能w
′
＝100kj(滚石密度2700kg/m3、等价重量176.6kg、撞击墩身速率33.72m/s)。
[0075]
2、桥墩防撞装置设计
[0076]
图4是桥墩防撞装置外部结构示意图，图5是桥墩防撞装置耗能件结构示意图(箭头示撞击方向)。
[0077]
根据滚石撞击部位特征，设计在墩身2外周环布耗能件。耗能件采用复合夹层结构1，复合夹层结构1包裹墩身2四周。复合夹层结构1，包括作为迎撞击面的钢面板11、耗能芯材12、背板13，背板13紧贴在墩身2外表面并以砂浆填缝，钢面板11将耗能芯材12压实固定在钢面板11与背板13之间，耗能芯材12是泡沫铝层121与聚氨酯层122复合层，两层间相互紧贴或粘接，泡沫铝层121紧贴钢面板11。复合夹层结构1断面有必要的封口条/板。
[0078]
钢面板11采用钢板q235，厚度d1＝5mm、屈服强度σy＝235mp、屈服应变εy＝0.001、失效应变εf＝0.3；
[0079]
泡沫铝材料，密度ρ
21
＝300kg/m3、单位体积吸能值ea
21
＝2.89*106j/m3、厚度d
21
＝0.15m；
[0080]
聚氨酯材料，密度ρ
22
＝60kg/m3、单位体积吸能值ea
22
＝0.23*106j/m3、厚度d
22
＝0.05m。
[0081]
3、验算桥墩防撞装置的耗能设计安全性
[0082]
依现有技术(式12)计算钢板单位体积耗能值ea1＝70.38*106j/m3，依式5计算钢面板11有效吸能体积依式4计算钢面板11极限变形耗能量w1＝48.84kj。
[0083][0084]
依式7计算耗能芯材12变形区半径在极限情况下，滚石穿透钢面板11后的泡沫铝层121再穿透其后的聚氨酯层122，因此在极限泡沫铝层121与聚氨酯层122的变形区半径取值相同。依现有技术(式13)计算泡沫铝层有效吸能体积v
21
＝2.08*10-2
m3、聚氨酯层有效吸能体积v
22
＝6.92*10-3
m3，依式6计算泡沫铝层极限变形耗能量w
21
＝60.11kj、聚氨酯层限变形耗能量w
22
＝1.59kj。
[0085][0086]
式10中，d是耗能芯材厚度(泡沫铝层d
21
或聚氨酯层d
22
)。
[0087]
耗能芯材12变形耗能量w2是泡沫铝层121变形耗能量w
21
与聚氨酯层122变形耗能量w
22
之和，w2＝w
21
+w
22
＝60.11+1.59＝61.70kj。
[0088]
依式8计算耗能件复合夹层结构的变形耗能量w＝110.54kj。
[0089]w′
≤w，故复合夹层结构1设计参数满足耗能设计标准。
[0090]
以w
′
≤w为各耗能件的耗能设计标准，也可指导满足耗能设计标准的复合夹层结构1材料性能指标组合设计。材料性能指标包括与复合夹层结构1各层变形体积特征、变形耗能量特征有关的材料性能参数。

技术特征：
1.钢板耗能形变测量方法，测量钢板受球状体撞击变形过程的压缩应变ε(t)，其特征在于：依式1测算钢板的压缩应变ε(t)，式1中，ε(t)—钢板压缩应变，δ(t)—钢板受冲击压痕深度，根据撞击试验确定，r1—球状体半径。2.根据权利要求1所述测量方法，其特征在于：所述δ(t)的撞击试验确定方法是，利用球状体撞击钢板试验平台采集球状体冲击加速度时程曲线，依式9建立球体冲击加速度a函数，依式10、式11建立钢板受冲击压痕深度δ(t)函数，a＝at4+bt3+ct2+dt+e
ꢀꢀꢀꢀ
式9式9式9～式11中，t为冲击时间，单位s，a、b、c、d、e为试验参数，v(t)为球体冲击速度时程。3.根据权利要求1或2所述测量方法，其特征在于，依式2测算钢板变形区半径r2(t)，式2中，r2(t)—钢板变形区半径。4.根据权利要求3所述测量方法，其特征在于，依式3测算钢板变形区体积v1(t)，式3中，v1(t)—钢板变形区体积，d1—钢板撞击区原始厚度。5.钢板形变耗能量测量方法，测算钢板受球状体撞击耗能量，其特征在于：依式4、式5测算钢板受球状体撞击的极限变形耗能量w1，，式4、式5中，w1—钢板极限变形耗能量，ea1—钢板单位体积耗能值，依现有技术测算确定，—钢板有效吸能体积，d1—钢板撞击区原始厚度，材料性能确定，r1—球状体半径，现场数据确定，ε
f
—钢板失效应变，材料性能确定。
6.权利要求1～4任一所述钢板耗能形变测量方法或权利要求5所述钢板形变耗能量测量方法在钢板抗撞击性能测算评估中的应用，或者在防撞体耗能性能测算评估中的应用，所述防撞体的迎撞击层是钢板层。7.利用权利要求5所述钢板形变耗能量测量方法实现的防撞体受撞击耗能量测量方法，其特征在于：所述防撞体的耗能件是复合夹层结构(1)，包括作为迎撞击面的钢面板(11)与耗能芯材(12)；测算钢面板(11)的极限变形耗能量w1，依式6、式7测算耗能芯材(12)的变形耗能量w2，所述耗能芯材(12)变形区半径依式6计算确定，w2＝ea2×v2
ꢀꢀꢀꢀ
式6式6、式7中，w2—耗能芯材极限变形耗能量，ea2—耗能芯材单位体积耗能值，依材料性质确定，v2—耗能芯材有效吸能体积，根据依现有技术确定，—耗能芯材变形区半径，依式8确定防撞体受撞击耗能量w，w＝w1+w2ꢀꢀꢀꢀ
式8。8.根据权利要求7所述防撞体耗能量测量方法，其特征在于：所述耗能芯材(12)是泡沫铝层(121)与聚氨酯层(122)复合层，所述泡沫铝层(121)紧贴钢面板(11)；所述泡沫铝层(121)与聚氨酯层(122)的变形区半径均为所述耗能芯材(12)变形耗能量w2是泡沫铝层(121)变形耗能量w
21
与聚氨酯层(122)变形耗能量w
22
之和。9.利用权利要求8所述防撞体耗能量测量方法实现的滚石防撞装置设计方法，其特征在于：根据现场调查数据确定滚石防撞装置耗能件安装位置、滚石最大冲击能量w
′
，所述滚石防撞装置耗能件是复合夹层结构(1)，将滚石形状转换为半径r1的等效球状，利用防撞体耗能测算方法测算滚石防撞装置耗能件受撞击耗能量w，根据w与w
′
大小关系验算滚石防撞装置耗能件设计参数。10.根据权利要求9所述滚石防撞装置设计方法，其特征在于：所述滚石防撞装置是桥墩防撞装置；根据现场调查数据确定滚石对墩身(2)撞击部位与冲击能量w
′
，在滚石对墩身(2)撞击部位加装耗能件，所述复合夹层结构(1)包裹墩身(2)，复合夹层结构(1)背板(13)紧贴在墩身(2)外表面并以砂浆填缝，所述钢面板(11)将耗能芯材(12)压实固定在钢面板(11)与背板(13)之间；以w
′
≤w为各耗能件的耗能设计标准，验算各耗能件的复合夹层结构(1)设计参数是否满足耗能设计标准，或者设计各耗能件满足耗能设计标准的复合夹层结构(1)材料性能指标组合，所述复合夹层结构(1)材料性能指标包括与复合夹层结构(1)各层变形体积特征、变形耗能量特征有关的材料性能参数。

技术总结
本发明公开钢板耗能形变测量方法、滚石防撞装置设计方法、应用。针对现有技术没有解决防撞体设计中利用关键参数对钢板耗能形变过程数学量化问题的缺陷，本发明提供一种钢板耗能形变测量方法，测量钢板受球状体撞击变形过程的压缩应变、钢板变形区半径与体积；提供一种钢板受球状体撞击的形变耗能量测量方法；提供一种防撞体受撞击耗能量测量方法，用于耗能件是复合夹层结构的防撞体耗能性能测量；提供各测量方法在钢板抗撞击性能或防撞体耗能性能测算评估中的应用。提供一种滚石防撞装置设计方法，根据能量关系验算耗能件设计参数。本发明填补对钢板耗能形变过程进行数学量化的技术空白，提升复合夹层结构耗能效果测算方案科学性，减少设计浪费。减少设计浪费。减少设计浪费。


技术研发人员：李林 吕文达 郭铮 王斌 王东昀 窦鹏涛 徐瑾 王瑞 王杰 孙长亮 程涛 袁跃民 王东坡 易雪斌 闫帅星
受保护的技术使用者：兰州铁道设计院有限公司
技术研发日：2023.02.20
技术公布日：2023/7/11