CN103439105B - 空间轴向随动加载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空间轴向随动加载装置，其包括有反力支架、竖向加载器、结构构件、反力压板、球铰、支墩，所述反力压板底端面为凹球面；所述球铰由上部连接体、下部连接体、中间钢球组成，上部连接体的顶端面为与反力压板凹球面对应的球面，上部连接体的下端面和下部连接体的上端面分别设有凹槽，中间钢球安装在两个凹槽之间，球铰的上部连接体和下部连接体通过中间钢球连接实现相互转动，下部连接体固定安装在支墩上；所述支墩下部与竖向加载器固定连接，竖向加载器与置于地面上的结构构件顶端固定连接。本发明结构合理，成本低，安装可靠、稳定，使用方便，能实现结构构件在多维水平荷载作用下的空间轴向随动加载。

Description

空间轴向随动加载装置
技术领域
本发明涉及一种力学性能试验加载装置，具体地说是一种空间轴向随动加载装置。实现多维水平荷载作用下精确模拟轴向荷载作用。
背景技术
历史、现今的一系列强烈地震的发生不仅造成了重大的人员伤亡和经济损失，而更重要的是在人们的心灵深处留下了难以忘却的创伤。我国是多地震国家，也是蒙受地震灾害最为深重的国家之一。在20世纪里，全球发生两次导致20万人死亡的强烈地震都发生在我国，一次是1920年宁夏海原地震，造成23万多人死亡；一次是1976年河北唐山地震，造成24万多人死亡。近年来，又发生了多次7级以上地震，尤其是2008年汶川发生的8.0级特大地震造成的损失更是触目惊心，直接的遇难人数69197人，失踪的人数是18341人，直接经济损失8451.4亿元，其中各类建筑物、构筑物的破坏和倒塌，是造成人员大量伤亡及直接经济损失的最主要原因。这反映了我们对各类建筑物和构筑物的非线性行为认识还不足，仅以理论分析的手段尚不能完全把握结构在地震作用下的破坏机理，现阶段还需要通过大量的可靠抗震试验数据来提高人们的认识和抗震理论水平。
目前，在试验室进行的结构抗震试验方法主要有三种：拟静力试验（Quasi-static test）、拟动力子结构试验（Substructure pseudo-dynamic Test，又称为联机试验，Online Test）、地震模拟振动台试验(Shaking table test)。其中，拟静力试验和拟动力子结构试验通常均需要模拟轴向荷载作用。对于振动台试验，为了突破振动台台面尺寸的局限，有人将子结构技术也引入到振动台试验中，提出了子结构振动台试验，为振动台试验发展注入了新的思路。显然，子结构振动台试验也是需要模拟轴向荷载作用的。
目前，结构抗震试验中轴向荷载模拟加载装置多采用水平滚轴或者水平滑道实现随动，这就使得当构件或结构在地震作用下发生水平位移后，模拟轴向荷载的加载装置作用力方向不能与加载面保持垂直关系，一方面减少了轴向荷载值，增加了施加的水平荷载，另一方面由于模拟轴向荷载的加载装置作用力方向偏离结构或构件轴线，引入附加的P-Δ效应，改变了结构或构件实际的受力状态，势必影响其破坏机理。此外，当结构或构件水平位移过大时，容易造成竖向加载器滑落，造成人员伤亡或者设备损坏，增加了试验的风险。且上述采用水平滚轴或水平滑道的竖向荷载模拟加载装置多为平面装置，很难实现空间随动加载。
申请号为201210528949.X的中国发明专利申请公开了“一种随动加载系统”，其包括反力支架、拉压力传感器、旋转编码器、内置位移传感器的加载缸和随动装置。随动装置固定在反力支架上。内置位移传感器的加载缸与随动装置连接，其上下两端设有旋转编码器。拉压力传感器处于内置位移传感器的加载缸和被加载件之间。其采用两级滑道实现空间随动加载，但其并非被动随动加载，而是通过带有位移传感器的加载器、以及加载器两端的旋转编码器进行反馈控制的主动跟动加载，控制系统繁琐，对加载器本身要求高，价格昂贵，很难在工程结构试验领域推广应用。除此之外，没有获得空间轴向随动加载装置的相关信息。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术价格昂贵、与工程实际状态不符的不足，提供一种结构合理，成本低，安装可靠、稳定，使用方便，能实现结构构件在多维水平荷载作用下的空间轴向随动加载装置。
本发明解决上述技术问题的技术解决方案是：一种空间轴向随动加载装置，其包括有反力支架、竖向加载器、结构构件、反力压板、球铰、支墩，由立柱和横梁组成的反力支架固定在地面上，其特征是：所述反力压板固定连接在反力支架的横梁下部，其底端面为凹球面；所述球铰由上部连接体、下部连接体、中间钢球组成，上部连接体的顶端面为与反力压板凹球面对应的球面，上部连接体的下端面和下部连接体的上端面分别设有凹槽，中间钢球安装在两个凹槽之间，球铰的上部连接体和下部连接体通过中间钢球连接实现相互转动，下部连接体固定安装在支墩上；所述支墩下部与竖向加载器固定连接，竖向加载器与置于地面上的结构构件顶端固定连接。
所述反力压板凹球面四周设有护板。
所述上部连接体的顶端球面上设有若干凹槽，凹槽中安装有若干个与反力压板凹球面配合接触的钢珠。
所述上部连接体由一段等截面体和一段变截面的倒锥体组成，下部连接体由一段变截面的锥体和一段等截面体组成，所述上部连接体和下部连接体通过二者变截面的锥体顶部凹槽内放置的中间钢球连接，实现相互转动。
所述上部连接体和下部连接体之间设有刚性连接板。
所述上部连接体和下部连接体之间设有柔性连接链。
本发明通过设置带有凹球面的反力压板和球铰，球铰上部球面是以结构构件底部中心为球心，球铰上部连接体可沿反力压板凹球面任意方向自由滑动，从而保证轴力方向的灵活性与准确性。实现多维水平荷载作用下精确模拟轴向荷载功能。对照现有技术，本发明结构合理，成本低，安装可靠、稳定，使用方便，能实现结构构件在多维水平荷载作用下的空间轴向随动加载。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
图1是本发明的组成结构示意图。
图2是本发明的反力压板的结构示意图。
图3是本发明的球铰组成结构示意图。
图4是本发明球铰连接示意图。
图5是本发明实施水平荷载后局部随动示意图。
图6是本发明实施水平荷载后球铰随动示意图。
图中的标号是：1.反力压板，1-1.凹球面，1-2.护板，1-3.螺栓，2.球铰，2-1.钢珠，2-2.上部连接体，2-3.中间钢球，2-4.下部连接体，2-5.螺栓孔，2-6.刚性连接板，2-7.柔性连接链，3.支墩，4.竖向加载器，5.结构构件，6.反力支架。
具体实施方式
从图1可以看出，一种空间轴向随动加载装置，其包括有反力支架6、竖向加载器4、结构构件5、反力压板1、球铰2、支墩3等。由立柱和横梁组成的反力支架4固定在地面上，或通过螺栓与实验平台装配连接。所述反力压板1固定连接在反力支架6的横梁下部。球铰2的下部连接体2-4固定安装在支墩3上；所述支墩3下部与竖向加载器4固定连接，竖向加载器4与置于地面上的结构构件5顶端固定连接。竖向加载器4可以是千斤顶也可以是电液伺服作动器等。竖向加载器4为为加载系统的动力源，通过反力压板1、球铰2、支墩3对结构构件5实加竖向荷载，为结构构件提供竖向作用力。
从图2可以看出，本发明所述反力压板1底端面为凹球面1-1；所述反力压板1凹球面四周设有护板1-2。周围的护板1-2是通过螺栓1-3装配连接在反力压板上，通过护板进行围护，防止球铰2滑出。
从图3可以看出，本发明所述球铰2由上部连接体2-2、下部连接体2-4、中间钢球2-3组成，上部连接体2-2的顶端面为与反力压板凹球面1-1对应的球面，上部连接体2-2的下端面和下部连接体2-4的上端面分别设有凹槽，中间钢球2-3安装在两个凹槽之间，球铰的上部连接体和下部连接体通过中间钢球连接实现相互转动。
所述上部连接体2-2的顶端球面上设有若干凹槽，凹槽中安装有若干个与反力压板凹球面1-1配合接触的钢珠2-1。实现球铰上部连接体2-2可沿反力压板1任意方向滑动。
所述上部连接体2-2由一段等截面体和一段变截面的倒锥体组成，下部连接体2-4由一段变截面的锥体和一段等截面体组成，所述上部连接体2-2和下部连接体2-4通过二者变截面的锥体顶部凹槽内放置的中间钢球2-3连接，实现相互转动。所述球铰2上部连接体2-2和下部连接体2-4侧面还设有若干螺栓孔2-5，用来通过通过螺栓安装固定刚性连接板2-6和柔性连接链2-7。
从图4可以看出，所述上部连接体2-2和下部连接体2-4之间通过螺栓安装固定有刚性连接板2-6，将上下两部分连接起来。刚性连接板2-6是加载前进行安装，加载试验时将其拆除。保证球铰上部连接体2-2和下部连接体2-4在搬运安装过程中为一整体，方便搬运安装，安装就位后将其拆除。
所述上部连接体2-2和下部连接体2-4之间通过螺栓安装固定有柔性连接链2-7，也用于将上下两部分连接起来。柔性连接链2-7可以始终安装在上部连接体2-2和下部连接体2-4之间。也可在安装就位后进行连接。加载试验时避免试验时发生意外，造成上部连接体2-2和下部连接体2-4滑动脱离、滑落。
本发明所述支墩3可用混凝土浇筑也可用钢材焊接而成，高度根据构件高度进行设计，以保证不同构件高度所用球铰2和反力压板1相同，以避免不同构件重复设计球铰2和反力压板1。具体是支墩3上部、下部分别安装有钢板，球铰下部连接体2-4底面为平面，通过钢板与支墩3螺栓装配连接。所述支墩3下部钢板与竖向加载器4通过螺栓固定连接，竖向加载器4与置于地面上的结构构件4顶端也通过螺栓固定连接。
图5是本发明实施水平荷载后局部随动示意图。由图5可以看出，当结构构件5在某水平荷载作用下发生水平微小位移时，由于球铰下部连接体2-4、支墩3、竖向加载器4和结构构件5均用螺栓锚固在一起，所以球铰下部连接体2-4、支墩3、竖向加载器4都会随着结构构件5的微小变形而发生完全相同的转角。保证竖向加载器出力方向始终与结构构件顶面保持垂直。而此时球铰上部连接体2-2受到斜向上的合力该力的方向沿作动器作用方向，如图6所示，图6是本发明实施水平荷载后球铰随动示意图。该力沿水平方向的分力迫使球铰上部连接体2-2一方面发生水平方向的平动，另一方面绕钢球2-3发生相应的转动，直至球铰上部连接体2-2转过的角度与球铰下部连接体2-4一致，从而保证力的轴向位置，实现多维水平荷载作用下精确模拟轴向荷载功能。由于球铰上部连接体2-2球面与反力压板1球心位置相同，半径差为钢珠2-1的半径，故球铰上部连接体2-2可沿反力压板1任意方向滑动，从而完全模拟轴向荷载加载。

Claims (5)

1.一种空间轴向随动加载装置，其包括有反力支架、竖向加载器、结构构件、反力压板、球铰、支墩，由立柱和横梁组成的反力支架固定在地面上，其特征是：所述反力压板固定连接在反力支架的横梁下部，其底端面为凹球面；所述球铰由上部连接体、下部连接体、中间钢球组成，上部连接体的顶端面为与反力压板凹球面对应的球面，上部连接体的下端面和下部连接体的上端面分别设有凹槽，中间钢球安装在两个凹槽之间，球铰的上部连接体和下部连接体通过中间钢球连接实现相互转动，下部连接体固定安装在支墩上；所述上部连接体由一段等截面体和一段变截面的倒锥体组成，下部连接体由一段变截面的锥体和一段等截面体组成，所述上部连接体和下部连接体通过二者变截面的锥体顶部凹槽内放置的中间钢球连接，实现相互转动；所述支墩下部与竖向加载器固定连接，竖向加载器与置于地面上的结构构件顶端固定连接。
2.根据权利要求1所述的空间轴向随动加载装置，其特征是：所述反力压板凹球面四周设有护板。
3.根据权利要求1所述的空间轴向随动加载装置，其特征是：所述上部连接体的顶端球面上设有若干凹槽，凹槽中安装有若干个与反力压板凹球面配合接触的钢珠。
4.根据权利要求1所述的空间轴向随动加载装置，其特征是：所述上部连接体和下部连接体之间设有刚性连接板。
5.根据权利要求1所述的空间轴向随动加载装置，其特征是：所述上部连接体和下部连接体之间设有柔性连接链。
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