预制装配式混凝土楼盖抗倒塌拟静力仿真实验系统

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我要做实验

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★实验名称

预制装配式混凝土楼盖抗倒塌拟静力仿真实验系统

★实验目的

随着高层建筑日益增多，建筑结构安全性受到了越来越广泛的重视，特别是预制装配式混凝土楼盖在遭受爆炸、冲击或其它极端偶然荷载作用下将导致楼盖连接部位失效，进而引起结构连续性倒塌。为提高土木工程专业学生对结构倒塌过程受力机理的认识，基于《混凝土结构设计原理》这门专业课，将虚拟现实、互动多媒体等技术应用于实验教学，以预制装配式混凝土楼盖为研究对象，通过学生自主设计实验方案，分级加载模拟预制装配式楼盖倒塌全过程，给出相关分析结果，以达到掌握大型结构实验方法以及了解抗倒塌设计原理的实验目的。

（1）通过对实际预制装配式楼盖的虚拟仿真教学，让学生了解楼盖的受力特征、边界条件以及简化的力学模型；

（2）通过对实际预制装配式楼盖的虚拟仿真教学，让学生了解楼盖的受力特征、边界条件以及简化的力学模型

（3）通过不同倒塌试验工况的虚拟仿真实验教学，让学生了解倒塌过程，破坏过程以及悬链线作用等受力机理，探讨防止连续倒塌的方法以及措施；

（4）通过设置单人、多人协作试验的虚拟仿真实验教学，让学生了解大型结构试验设计、过程、方法、步骤以及试验角色等。

★实验课时

（1）实验所属课程所占课时：64课时

（2）该实验项目所占课时：2课时

★实验原理

利用电液伺服试验系统控制楼盖竖向荷载，利用荷载作动器模拟楼盖下支撑墙体的失效过程，模拟预制装配式楼盖在支撑墙体逐渐失效过程中的力学性能以及受力机理，让学生了解预制装配式楼盖倒塌全过程中的受力转换机理以及破坏过程，提高对结构抗倒塌设计与防连续倒塌问题的认识。

（1）楼盖拼缝处失效后楼盖内力重分布过程及受力机理。爆炸、冲击等导致预制装配式楼盖失效后，由于内力重分布的影响，导致楼盖与楼盖之间连接的内力与变形，因此，附加的内力会改变预制装配式楼盖结构的受力特性，并会加剧结构的变形，从而可能引发上下层楼盖产生连续性倒塌。由于该过程是一个动力过程，作用过程短暂且不可见，为此，采用虚拟仿真其受力与变形过程，解决认识较抽象的局限，并清晰向学生展示抗倒塌设计的意义与背景。

（2）预制装配式楼盖简化受力模型。楼盖结构是钢筋混凝土结构基本的受力体系，为简化试验方法，再现倒塌受力机理，采用预制装配式楼盖简化受力模型，并基于该模型开发设计不同的倒塌试验工况，因此，该简化受力模型是楼盖结构抗倒塌试验设计与分析的基础，为此，采用虚拟仿真手段通过人机交互向学生展示其受力模型与真实楼盖结构的关系与工况。

（3）不同荷载工况下的楼盖结构抗倒塌性能。承受不同荷载的楼盖结构在楼盖拼缝连接处失效后，结构存在不同的破坏形态，即完全倒塌、发生变形但未倒塌、未倒塌。为模拟不同荷载工况下的结构倒塌性能，采用虚拟仿真手段通过放松拼缝连接处荷载作动器来模拟承受的荷载工况，采用分级静力加载-卸载-加载-卸载的循环模式，直至预制装配式楼盖钢筋断裂，楼盖混凝土开裂来实现其过程仿真模拟，因此，该虚拟仿真实验可向学生展示不同的荷载工况下楼盖失效后的变形与受力特性，为后续的进一步考虑倒塌过程中的动力效应提供数据与试验支持。

（4）结构倒塌过程中的受力机制。预制装配式楼盖在倒塌过程中会经历弹性阶段、塑性阶段、悬索阶段，其中前两个阶段的受力特性对于土木工程学科的本科生来说比较熟悉，对悬索阶段的受力机制及转换机理需要了解与提高认识，特别是涉及抗倒塌设计与研究的工程应用。因此，通过虚拟仿真测试手段，加载手段，数据与裂缝同步再现手段以及回放功能，能够全面让学生对其受力机制进行了解与认识。

知识点：共4个

★实验仪器设备（装置或软件等）

大型门式反力架、液压伺服加载控制系统，伺服作动器、荷载传感器、位移计、静态应变仪。其虚拟的装置以及仪器设备如图1所示。

图1 虚拟加载装置

★实验材料（或预设参数等）

1、预制装配式楼盖跨度4200mm,双向预应力筋Φ5@200。

2、传感器及连接线力传感器、位移传感器、应变片、屏蔽线。

3、静态数据采集系统。 TDS-530静态数据采集系统。

★实验教学方法

1.使用目的

本虚拟仿真实验教学项目主要依托新乡学院土木工程与建筑学院BIM虚拟仿真中心作为开展实验教学的平台，基于《混凝土结构设计原理》而开设的一门实验教学课程，为促进理论课较好的课堂效果，配合制作了相关实验视频，随着技术手段的发展以及相关规范的更新，以拓宽学生知识结构、启迪学生科学思维和创新意识为目标，以提高学生在学习混凝土结构设计理论与原理时对其整体性能以及安全性能有一个较全面的认识，设计出预制装配式楼盖抗倒塌虚拟仿真实验，将虚拟现实技术、互动多媒体技术等先进技术有效地应用于本实验教学项目中，营造高度仿真的试验环境，体现基础与前沿的有机结合，以培养学生分析、解决问题的能力以及科技创新能力。主要采用了以下实验教学方法：

混合式教学方法是把传统的面授教学与网络教学进行有机结合，充分利用校园高速网络的作用，基于“学校+学院”两级打造的网络教学平台，将实验课程资源上传到该平台，学生可以通过网络平台了解实验项目，在该实验项目中会给出实验的基本要求和实验资源，如实验大纲、实验指导书、课件、相关内容文献资料等，以预先了解实验项目，实验目标和实验内容等。对试验要求和内容了解后，学生才可通过预约进入实验平台完成实验。

在实验完成后，学生还可以通过网络教学平台提交实验报告、参与讨论、学生还可以对实验数据进行深层次的处理，教师可以结合学生网上提交的报告，线下提交的报告以及参与讨论等情况，评价学生的实验成绩。通过该种教学方法，可以确保学生在有充分的知识准备情况下在任何时间，任何具备网络条件的情况下完成实验课程任务，提高教学效果。

2.实施过程

（1）简化试验受力模型

该部分从预制装配式楼盖结构基本受力体系以及传力途径开始，采用虚拟交互的形式了解拆除楼盖下部墙体后的荷载传递路径的改变、内力的变化、大变形过程中的受力机制，并向学生展示预制装配式楼盖结构抗倒塌试验的受力简化模型。

（2）实验设计

该部分通过虚拟交互的形式调整支撑形式，荷载工况大小以及试件参数等，并采用仿真试验形式向学生展示试验装置以及试验场景。

（3）开始实验

该部分为正式加载试验部分，学生可以按照实验步骤，读取测试数据，对下部液压作动器进行加卸载循环来完成实验。

（4）实验数据分析，生成实验报告

该部分可以查看实验过程中所有的测试数据，并能对承载能力，水平位移、侧向约束以及裂缝与破坏形态进行查看与分析，还能回放实验整个过程。

3.实施效果

本项目强调学习与兴趣相结合，理论知识与技能操作并重。本项目已在学院土木工程专业实验教学中得到应用，实施效果良好，学生们学习积极性高，截止目前服务学生人次超过200次，考核成绩优良，有效提高了学生动手操作技能、分析问题和解决问题能力。

★实验方法与步骤要求（学生交互性操作步骤应不少于10步）

（1）实验方法描述：

本实验基于虚拟仿真实验平台进行，实验需要2学时。学生需要在Google Chrome 55.0以上版本等浏览器上进行。

（2）学生交互性操作步骤说明：

1.“开始实验”前的学生交互性操作步骤说明

打开浏览器，在地址栏中输入网址：http://wzgl.xxu.edu.cn/jg/info/1084/1158.htm。

2. 点击“实验预约系统”进入，并点击“开始实验”后的学生交互性操作步骤

说明本仿真实验属于大型综合性试验，实验过程分为两种实验模式（单人实验模式、多人协作实验模式）（如图2所示）。

图2 虚拟仿真实验系统

参与实验的学生被赋予了4种不同“实验角色”（实验负责、加载、数据测取、裂缝观察），实验负责人角色负责整个试验的进程，实验设计等，加载、数据测取以及裂缝观察分别负责各个分项实验任务，学生的主观能动性得到了提高。学生选择“单人实验模式”时，学生同时被赋予了4种角色，也就是可以进行所有的实验操作与控制，选择“多人协作实验模式”必须预约好4人一组才能开始试验，且“实验负责”角色的学生负责实验设计、控制实验流程以及决定实验的开始与结束，各个角色的学生只有在每步试验时都点击完成后，“实验负责”角色的学生才能进行下一步加载，各个角色的学生只能在自己的视图下完成实验。下面主要以“单人实验模式”进行学生交互性操作说明。

（1）从“开始试验”点击进入后，选择“实验模式”。

（2）点击“单人模式”，如图2所示。

（3）点击“实验背景”后通过虚拟仿真导入到“实验简介”，通过虚拟的交互方式认识楼盖受力体系以及相关实验知识，通过交互控制移除楼盖下墙体后的传力路径以及受力机理，通过交互控制了解预制装配式混凝土楼盖抗倒塌受力简化计算模型。

（4）选择“预制装配式混凝土楼盖实验设计”进入后，开始进行约束形式设置，如图3所示。