[发明专利]一种桥墩落石冲击与水沙磨蚀的试验装备及试验方法

权利要求书

1.一种桥墩落石冲击与水沙磨蚀的试验装备，包括试验墩柱(1)、固设在地面上的反力门架(2)、水沙磨蚀装置、落石冲击装置以及数采控制系统，所述水沙磨蚀装置用于冲刷所述试验墩柱(1)，所述数采控制系统用于采集所述试验墩柱(1)的状态信息，其特征在于：所述反力门架(2)内安装有夹持件，通过所述夹持件将所述试验墩柱(1)沿竖直方向安装在所述反力门架(2)内，所述落石冲击装置用于撞击所述试验墩柱(1)且安装在所述反力门架(2)上，所述落石冲击装置包括撞击门架(4)和撞击锤，所述撞击门架(4)安装在所述反力门架(2)的顶部，所述撞击锤铰接在所述撞击门架(4)的顶部，所述撞击锤用于撞击所述试验墩柱(1)，且所述撞击锤通过摆动从侧面撞击所述试验墩柱(1)，所述水沙磨蚀装置包括水沙槽(11)、伸缩支撑架(12)以及泵送机(13)，所述水沙槽(11)通过所述伸缩支撑架(12)架设在地面上，所述水沙槽(11)由水平段和斜坡段组成，所述水平段的槽底开设有通孔，所述试验墩柱(1)插入所述通孔内，所述通孔内安装有橡胶密封圈，所述橡胶密封圈用于密封所述试验墩柱(1)与所述通孔内壁之间的间隙，所述泵送机(13)的进水端与出水端均安装有管道(21)，所述泵送机(13)进水端的所述管道(21)用于连接所述水平段的末端，所述泵送机(13)出水端的所述管道(21)用于连接所述斜坡段的顶端。

2.根据权利要求1所述的一种桥墩落石冲击与水沙磨蚀的试验装备，其特征在于：所述数采控制系统包括控制箱(17)、三维激光扫描仪(3)、压力传感器(5)以及高速摄像机(18)，所述三维激光扫描仪(3)、所述控制箱(17)以及所述高速摄像机(18)位于所述水沙槽(11)的同一侧，所述控制箱(17)用于控制所述泵送机(13)的工作时长，所述三维激光扫描仪(3)用于向所述控制箱(17)采集所述试验墩柱(1)的磨蚀位置的扫描图像，所述压力传感器(5)用于采集所述落石冲击装置对所述试验墩柱(1)两端的冲击力，所述高速摄像机(18)用于向所述控制箱(17)采集所述水沙槽(11)内的流量图像。

3.根据权利要求2所述的一种桥墩落石冲击与水沙磨蚀的试验装备，其特征在于：所述压力传感器(5)安装在所述试验墩柱(1)上。

4.根据权利要求3所述的一种桥墩落石冲击与水沙磨蚀的试验装备，其特征在于：位于所述撞击锤上方的所述撞击门架(4)上固设有导向支撑(14)，位于所述试验墩柱(1)的迎击面的背面的地面上安装有卷扬机(15)，所述卷扬机(15)通过钢丝绳(16)与所述撞击锤连接，所述钢丝绳(16)绕过所述导向支撑(14)。

5.根据权利要求4所述的一种桥墩落石冲击与水沙磨蚀的试验装备，其特征在于：所述撞击门架(4)为液压伸缩门架，所述撞击锤包括液压伸缩臂(19)和冲击球(20)，所述液压伸缩臂(19)铰接在所述撞击门架(4)上，所述冲击球(20)可拆卸安装在所述液压伸缩臂(19)远离所述撞击门架(4)的一端，所述钢丝绳(16)固设在所述液压伸缩臂(19)上。

6.根据权利要求3-5任意一项所述的一种桥墩落石冲击与水沙磨蚀的试验装备，其特征在于：所述夹持件包括支撑桁架(6)、侧向支撑臂(7)、千斤顶(8)以及可滑移支座(9)，所述支撑桁架(6)固设在地面上且位于所述试验墩柱(1)的迎击面的背面，所述压力传感器(5)夹在所述试验墩柱(1)与所述支撑桁架(6)之间，所述压力传感器(5)为一对且分别靠近所述试验墩柱(1)的两端，所述反力门架(2)的两相对的内侧壁上均铰接有所述侧向支撑臂(7)，所述侧向支撑臂(7)用于限制所述试验墩柱(1)朝所述反力门架(2)的侧边移动，所述可滑移支座(9)为一对且分别夹持在所述试验墩柱(1)的两端，所述千斤顶(8)安装在所述反力门架(2)的内顶面上，所述千斤顶(8)与所述试验墩柱(1)顶部的所述可滑移支座(9)连接，通过伸出所述千斤顶(8)的活塞杆令一对所述可滑移支座(9)夹紧所述试验墩柱(1)，所述支撑桁架(6)的中部安装有抗回弹索(10)，所述抗回弹索(10)用于防止所述试验墩柱(1)远离所述支撑桁架(6)。

7.一种桥墩落石冲击与水沙磨蚀的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、安装和调试权利要求6所述的一种桥墩落石冲击与水沙磨蚀的试验装备；

步骤二、通过夹持件向试验墩柱施加预设的轴力值；

步骤三、根据需要调整水沙磨蚀装置对试验墩柱的磨蚀位置；

步骤四、根据公式：和确定水深h后，计算所需注入的水沙流体总体积V，根据试验需要的末端流速v₁确定水沙槽斜坡高差H，高差通过调整水沙槽坡顶伸缩支撑架实现，式中v₁为流体冲击试验墩柱前的末端流速，n为管道摩擦系数，取0.025～0.03，R为水力半径，i为水力坡度，W为水槽宽度，h为水深，取水沙槽深度的0.5～0.8倍，H为水沙槽斜坡高差，L为水沙槽斜坡长，s₁为水沙槽斜坡底至试验墩柱的距离，V_b为泵送机和管道内体积，为已知常数，s₂为水沙槽水平段长度；

步骤五、开启泵送机，注入水沙流，开始水沙磨蚀，设置试验循环时间，并监控流量变化，低于阈值后及时进行流体补偿；

步骤六、磨蚀结束后采用三维激光扫描仪扫描磨蚀位置的墩柱侵蚀深度分布，水沙磨蚀试验结束；

步骤七、根据落石冲击试验需要的冲击位置，确定撞击锤的端部锤体重心至撞击锤转动销轴中心的距离l；

步骤八、根据试验需要的冲击能量，采用公式：E_k＝(m₁l+m₂a)(1-cosθ)g，确定撞击锤轴线释放前位置与铅垂位置的夹角θ，式中m₁、m₂分别为撞击锤的端部锤体和撞击锤的转动臂的质量，a为撞击锤的转动臂重心至撞击锤转动销轴中心的距离，g为重力加速度；

步骤九、释放撞击锤冲击试验墩柱，然后通过压力传感器记录试验墩柱两端部的冲击力F₁和F₂，并通过公式：F＝F₁+F₂+2μN计算出撞击锤对试验墩柱的冲击力，式中F₁、F₂分别是两个压力传感器的读数，μ为可滑移支座的滚动摩擦系数，N为夹持件向试验墩柱施加的预设的轴力。