CN102221443A - 侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置，属于土木工程防灾减灾研究领域中动态冲击试验研究范畴。解决构件在侧向动力冲击过程中轴向力的加载问题，实现侧向冲击过程中轴向力不卸载或少卸载的预期目标。所述的侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置，依次包括反力座、固定支座、传力支座、轴力加载装置、千斤顶、反力座，传力支座的圆弧槽和斜坡的设计，减小了对受力试件在轴向的摩擦和约束，轴力加载装置中加载片的结构设计有效控制轴向力的卸载范围，通过传力支座与轴力加载装置的协调配合，克服采用千斤顶等位移控制的加载装置进行轴向力加载时出现的明显卸载问题，为轴压作用下构件抗侧向冲击性能的研究提供试验方法。

Description

侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置

技术领域

本发明涉及一种侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置，属于土木工程防灾减灾研究领域中动态冲击试验研究范畴。

背景技术

通常对结构或构件的研究大多为准静态问题，即假定外荷载是缓慢地施加到固体和结构上去的，相应的固体和结构中的变形发展也很缓慢，从而不必考虑物质在变形过程中的加速度和惯性力。但是，在工程实际中也经常会遇到动态冲击问题，特别是当外荷载强度较大且作用时间又很短时，从而引起固体和结构的变形过程也非常快，这样在研究这类问题时就必须考虑物质的加速度与惯性力。

动态冲击问题在日常生活中随处可见，如：汽车、火车、船舶、飞机等交通工具在交通事故中发生碰撞引起结构的变形破坏；飞鸟对飞机的撞击、航天器在太空中受到陨石的撞击、核电站的安全壳受到坠落的飞行器的撞击；地震、洪水、台风、海啸等自然灾害对结构物（如水坝、高层建筑、高耸结构）产生的强动载荷；爆炸载荷产生的冲击波对于房屋、桥梁、地下结构以及飞机、舰艇等的破坏；各种储能结构由于局部破裂诱发能量释放产生的强动载荷；在爆炸成形、电磁成形等各种动力金属成形过程中，工件受到强动载荷而发生迅速的塑性变形；锻造和高速冲压等过程中也有类似的问题。尤其是随着社会的快速发展，我国的土木工程基础设施建设日新月异，随之带来的土木工程建设、运营、管养中的各类工程安全问题也日益凸显，强震、强风、雪灾、火灾、爆炸、冲击等灾害和恶劣环境也使土木工程的安全性、耐久性与灾害防护经受着巨大考验。面对当前我国土木工程安全与灾害防御问题的严重形势，如何从科学规律上认识土木工程灾害产生的原因，搞清楚保障土木工程安全的客观条件和控制因素，预先或及时发现土木工程中的各类安全隐患，进而适时采取有效防护对策，是一项既面对现在又面向未来的、重要的学术和工程问题。

目前对动态冲击问题的研究手段主要是试验、理论和数值模拟。其中试验研究的课题基本上以单向侧向冲击或单向轴向冲击为主，然而在工程实际中经受侧向冲击的构件大都同时承受轴向压力作用，这就要求在试验研究阶段必须对有轴向力作用构件的抗侧向冲击性能开展研究。由于构件受侧向冲击作用时，构件在短时内会发生轴线方向的收缩变形，如果采用千斤顶等位移控制的加载装置进行轴向力的加载，会出现明显的卸载，这属于抗侧向冲击性能试验研究的技术难点，因此在侧向冲击过程中，轴向力的加载问题一直没能得到很好地解决，关于侧向冲击过程中的轴向力加载的研究还属于技术空白。

发明内容

本发明为解决构件即受力试件在侧向动力冲击过程中轴向力的加载问题，实现侧向冲击过程中轴向力少卸载或不卸载的预期目标，提供一种侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置，为轴压作用下构件抗侧向冲击性能的研究提供试验方法，从而完成对构件抗侧向冲击性能的研究。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置，包括固定设置于试验台的两个反力座，两个反力座之间依次设有紧靠一个反力座且与试验台连接的固定支座、与试验台连接的传力支座、轴力加载装置以及一端与轴力加载装置连接且另一端与另一个反力座连接的千斤顶，所述的固定支座和传力支座分别开设轴线在同一水平线上的受力试件的插入通孔，所述的轴力加载装置由加载轴、固定于加载轴的施力钢片、连续套接于加载轴上的加载片以及端部钢片组成，所述的加载片为一对扣合的碟形钢片（或一组对合的碟簧），加载片的高度为一对扣合的碟形钢片的外底部的距离，加载轴上靠近千斤顶一端最外侧的加载片部分悬空套接于加载轴上。

使用时，首先将受力试件插入固定支座与传力支座的插入通孔，再将固定支座与传力支座分别固定于试验台，轴力加载装置通过施力钢片和端部钢片分别与受力试件和千斤顶连接，当驱动千斤顶使轴力加载装置的端部刚片与加载轴相接触，也即加载片的收缩变形（加载片的收缩变形量主要体现在加载片悬空的部分）完成时，加载力通过加载轴传至施力钢片，最后施加于受力试件。

进一步地，所述的加载轴为变截面，其直径从靠近传力支座的一端到靠近千斤顶的一端逐渐增大，采用变截面可较好地保证加载片中弹性势能的有效释放。

所述的加载片按照其高度逐渐减小的顺序，从靠近传力支座的一端到靠近千斤顶的一端依次安装在加载轴上。

关于加载片的结构设计，加载片的数量越少，加载力的数值可越大，但其储存变形能的能力就越差；加载片的高度越大，加载力的数值越小，但其储存变形能的能力就越好。为实现加载力和储存变形能能力两者的最优方案，加载片的数量和规格（加载片的规格主要是以加载片的高度为标准），要根据加载力的大小设计并合理组合。另外，为了达到加载片的高度与加载力、储存变形能的能力之间的平衡点，加载片的规格采用高度逐渐减小的次序安装。

所述的传力支座在插入通孔的内壁、沿插入通孔轴线方向对称设置圆弧槽，使传力支座与受力试件之间的接触由面面接触变为线面接触，减少摩擦，避免由于受力试件轴线方向约束力过大，而造成短时间内轴向力的传递失效。

进一步地，所述的固定支座与传力支座均由上盖和下盖两部分组成，上盖与下盖以螺栓连接，操作时首先将固定支座与传力支座的下盖分别固定于试验台，然后将受力试件两端置于插入通孔，再将上盖与下盖固定即可，方便拆装。

考虑到受力构件受侧向冲击时要发生侧向变形，为减小受力试件局部与传力支座的摩擦力，所述的传力支座的下盖在插入通孔靠近固定支座的前1/3处设置5o-8o的斜坡，对于斜坡的倾斜角度的设计值不能太大或太小，太小时达不到预期减小摩擦力的目的，太大时传力支座将失去对受力试件的约束。

通过在传力支座的插入通孔设置圆弧槽和斜坡，以上两项技术的结合使用，可保证在侧向加载过程中受力试件轴向力的卸载控制在10％以内。

更进一步地，所述的施力钢片一侧设有与受力试件连接的凹槽，所述的端部刚片两侧分别设有与加载轴上靠近千斤顶一端最外侧的加载片连接的凹槽和与千斤顶连接的凹槽。

本发明的有益效果在于：利用本发明所述的侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置，实现侧向冲击过程中轴向力的施加问题，通过传力支座与轴力加载装置的协调配合，克服采用千斤顶等位移控制的加载装置进行轴向力加载时出现的明显卸载问题，为轴压作用下构件抗侧向冲击性能的研究提供试验方法。

附图说明

图1为本发明所述的侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置的结构示意图（图中显示有受力试件）；

图2为固定支座上盖左视图；

图3为固定支座上盖俯视图；

图4为固定支座下盖左视图；

图5为固定支座下盖俯视图；

图6为传力支座上盖左视图；

图7为传力支座上盖俯视图；

图8为传力支座下盖左视图；

图9为传力支座下盖俯视图；

图10为传力支座下盖侧视图；

图11为轴力加载装置的结构示意图；

图12为施力钢片左视图；

图13为加载片的结构示意图；

图14为端部刚片左视图；

图15为加载片的力-位移曲线。

图中1-反力座，2-固定支座，3-传力支座，31-圆弧槽，32-斜坡，4-轴力加载装置，41-施力钢片，42-加载轴，43-加载片，44-端部钢片，5-千斤顶。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步阐述。

如附图所示，一种侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置，包括固定设置于试验台的两个反力座1，两个反力座1之间依次设有紧靠一个反力座1且与试验台连接的固定支座2、与试验台连接的传力支座3、轴力加载装置4以及一端与轴力加载装置4连接且另一端与另一个反力座1连接的千斤顶5，所述的固定支座2和传力支座3分别开设有轴线在同一水平线上的受力试件的插入通孔，所述的轴力加载装置4由加载轴42、固定于加载轴42一端的施力钢片41、连续套接于加载轴42上的若干组加载片43以及端部钢片44组成，所述的加载片43为一对扣合的碟形钢片，加载片43的高度为一对扣合的碟形钢片的外底部的距离，加载轴42上靠近千斤顶5一端最外侧的加载片43部分悬空套接于加载轴42上。

进一步地，所述的加载轴42为变截面，其直径从靠近传力支座3的一端到靠近千斤顶5的一端逐渐增大。

所述的加载片43按照其高度逐渐减小的顺序，从靠近传力支座3的一端到靠近千斤顶5的一端依次安装在加载轴42上。

所述的传力支座3在插入通孔的内壁、沿插入通孔轴线方向对称设置圆弧槽31。

进一步地，所述的固定支座2与传力支座3均由上盖和下盖两部分组成，上盖与下盖以螺栓连接。

所述的传力支座3的下盖在插入通孔靠近固定支座2的前1/3处设置5o-8o的斜坡。

更进一步地，所述的施力钢片41一侧设有与受力试件连接的凹槽，所述的端部刚片44两侧分别设有与加载轴42上靠近千斤顶5一端最外侧的加载片43连接的凹槽和与千斤顶5连接的凹槽。

具体实施时，固定支座2与传力支座3采用45#锻钢，其余均为工具钢。固定支座2与传力支座3的插入通孔的横截面与受力试件的横截面相配合。

具体制造时，固定支座2和传力支座3的轴向长度为L/3-L/2，宽度为2D-3D，高度为2.5D-5D，其中L为受力试件的长度，D为受力试件的横截面直径；传力支座3的圆弧槽31的直径为D/20；施力钢片41为直径为1.5D-3D、厚度为30-40cm的圆饼，设有与受力试件连接的直径为D、深度为10-15cm的凹槽；加载轴42为直径从D-1.5D渐变、厚度为15mm、长为1.17m的变截面圆柱刚筒；组成加载片43的碟形钢片的厚度为10mm，外直径为1.5D、内直径与加载轴42的直径一致，高度H为120mm、100mm、80mm和60mm共4个规格；端部刚片44，直径为1.5D，厚度为40mm，两侧分别设有与加载轴42上靠近千斤顶5一端最外侧的加载片43尺寸一致的连接凹槽和与千斤顶5连接的深度为15mm的凹槽，与加载轴42上靠近千斤顶5一端最外侧的加载片43置入加载轴42的深度为10mm，其余部分悬空。按照以上方案加工制作的侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置，可实现结构的最优化，更加安全可靠。

对于加载力小于30吨，侧向挠度小于250mm的受力试件，为实现加载力和储存变形能能力两者的最优方案，加载片43按照表1所示的数量和规格依次安装于加载轴42上：

表1 加载片的数量和规格（加载片的高度为H，单位：mm）

数量	5	4	3	3
					规格 H	120	100	80	60

加载片43按上述数量和规格安装时，加载片43的加载力-位移曲线如附图15所示，在压力小于300kN的范围内，加载片43处于弹性工作阶段。若受力试件在侧向的最大位移为250mm，则在轴向的最大收缩量约为50mm，所以轴向力的卸载可控制在20%的范围内。本装置适用于横截面为圆形，直径小于200mm，轴向力加载值小于30吨，挠度小于250mm的受力试件。

Claims (10)

1.一种侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置，包括固定设置于试验台的两个反力座（1），两个反力座（1）之间依次设有紧靠一个反力座（1）且与试验台连接的固定支座（2）、与试验台连接的传力支座（3）、轴力加载装置（4）以及一端与轴力加载装置（4）连接且另一端与另一个反力座（1）连接的千斤顶（5），所述的固定支座（2）和传力支座（3）分别开设有轴线在同一水平线上的受力试件的插入通孔，所述的轴力加载装置（4）由加载轴（42）、固定于加载轴（42）一端的施力钢片（41）、连续套接于加载轴（42）上的若干组加载片（43）以及端部钢片（44）组成，所述的加载片（43）为一对扣合的碟形钢片，加载片（43）的高度为一对扣合的碟形钢片的外底部的距离，加载轴（42）上靠近千斤顶（5）一端最外侧的加载片（43）部分悬空套接于加载轴（42）上。

2.根据权利要求1所述的侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置，其特征在于：所述的加载轴（42）为变截面，其直径从靠近传力支座（3）的一端到靠近千斤顶（5）的一端逐渐增大。

3.根据权利要求1或2所述的侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置，其特征在于：所述的加载片（43）按照其高度逐渐减小的顺序，从靠近传力支座（3）的一端到靠近千斤顶（5）的一端依次安装在加载轴（42）上。

4.根据权利要求1或2所述的侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置，其特征在于：所述的传力支座（3）在插入通孔的内壁、沿插入通孔轴线方向对称设置圆弧槽（31）。

5.根据权利要求3所述的侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置，其特征在于：所述的传力支座（3）在插入通孔的内壁、沿插入通孔轴线方向对称设置圆弧槽（31）。

6.根据权利要求5所述的侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置，其特征在于：所述的固定支座(2)与传力支座(3)均由上盖和下盖两部分组成，上盖与下盖以螺栓连接。

7.根据权利要求6所述的侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置，其特征在于：所述的传力支座(3)的下盖在插入通孔靠近固定支座（2）的前1/3处设置5o-8o的斜坡(32)。

8.根据权利要求7所述的侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置，其特征在于：所述的施力钢片（41）一侧设有与受力试件连接的凹槽，所述的端部刚片（44）两侧分别设有与加载轴（42）上靠近千斤顶（5）一端最外侧的加载片（43）连接的凹槽和与千斤顶（5）连接的凹槽。

9.根据权利要求8所述的侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置，其特征在于：固定支座(2)和传力支座(3)的轴向长度为L/3-L/2，宽度为2D-3D，高度为2.5D-5D，其中L为受力试件的长度，D为受力试件的横截面直径；传力支座（3）的圆弧槽（31）的直径为D/20；施力钢片（41）为直径为1.5D-3D、厚度为30-40cm的圆饼，设有与受力试件连接的直径为D、深度为10-15cm的凹槽；加载轴（42）为直径从D-1.5D渐变、厚度为15mm、长为1.17m的变截面圆柱刚筒；组成加载片（43）的碟形钢片的厚度为10mm，外直径为1.5D、内直径与加载轴（42）的直径一致，高度H为120mm、100mm、80mm和60mm共4个规格；端部刚片（44），直径为1.5D，厚度为40mm，两侧分别设有与加载轴（42）上靠近千斤顶（5）一端最外侧的加载片（43）尺寸一致的连接凹槽和与千斤顶（5）连接的深度为15mm的凹槽，与加载轴（42）上靠近千斤顶（5）一端最外侧的加载片（43）置入加载轴（42）的深度为10mm。

10.根据权利要求9所述的侧向冲击过程中试件轴向力的加载装置，其特征在于：对于加载力小于30吨，侧向挠度小于250mm的受力试件，加载片（43）的数量和规格依次为5片120mm、4片100mm、3片80mm、3片60mm。

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