CN103983511B - 一种斜拉索疲劳试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜拉索疲劳试验机，该试验机将斜拉索试件竖直地安装在刚性横梁和机架的横向刚性支架之间，并设置穿心式压力传感器测量该斜拉索试件的初始预拉力，采用振动电机对斜拉索试件施加竖向振动（大幅度的竖向应力），采用应力幅调节装置对斜拉索试件施加微幅竖向位移调节，采用斜拉索试件上所配装的应变计反馈该斜拉索试件的应力变化，采用调节控制器根据穿心式压力传感器、应变计所反馈的数值控制应力幅调节装置所施加的应力幅；由此可知，本发明所述的斜拉索疲劳试验机可以根据不同的受力环境，选择合理的应力幅大小以及应力幅谱，进行斜拉索试件的疲劳试验。

Description

一种斜拉索疲劳试验机

技术领域

本发明涉及一种斜拉桥斜拉索疲劳试验机，属于结构试验领域。

背景技术

近年来，由于斜拉桥的大量修建及其跨度的不断增大，斜拉索的长度也随之不断加大。这主要由于斜拉桥不仅具有优美的外形，而且具有良好的力学性能。由桥塔引出的斜拉索作为梁跨的多点弹性支承，使主梁受力类似于连续梁，从而大大降低了主梁截面弯矩，有效地提高了主梁的跨越能力；同时斜拉索承受拉力，桥塔承受竖向轴压力和弯矩。三大构件的受力可以通过斜拉索调整来改善，所以斜拉索对整个结构的影响很大。

由于斜拉索的柔性特征和对环境荷载（例如：车辆荷载、风载荷等) 的响应，将引起斜拉索的剧烈振动和相应的疲劳损伤，因此斜拉索的疲劳问题日益突出。目前针对斜拉索疲劳的研究，主要基于可靠度理论的数值模拟（比如一次二阶距法、蒙特卡诺法等）以及实桥健康监测系统。数值模拟存在不可避免的假定，往往不能准确的反应斜拉索的疲劳损伤特征，健康监测系统侧重于桥梁整体结构状态的安全性，影响因素较多，且不能进行单因素分析。因此以上两种方法均不能有效的进行斜拉索疲劳性能研究。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种斜拉索疲劳试验机，其通过对斜拉索施加荷载，并采用应力幅调节装置模拟不同受力情况下的斜拉索，从而为斜拉索疲劳研究人员提供了一种有效的研究方法。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种斜拉索疲劳试验机，用于斜拉索试件的疲劳测试，包括底座以及安装在底座上的机架，机架包括横向刚性支架，该横向刚性支架下方设置刚性横梁，刚性横梁通过用于微调自身竖向位移的应力幅调节装置支撑在底座上方；斜拉索试件竖直地设置在横向刚性支架和刚性横梁之间，斜拉索试件的上方穿过横向刚性支架后通过锚具锚固，且锚具与横向刚性支架之间的斜拉索试件上配装有用于反馈该斜拉索试件的初始预拉力信息的穿心式压力传感器，该穿心式压力传感器与调节控制器连接，而斜拉索试件的下方穿过刚性横梁后通过紧定部件锁紧；所述刚性横梁通过电机架安装有振动电机；斜拉索试件上配装应变计，所述应变计通过动态应变采集仪与调节控制器连接，动态应变采集仪将应变计反馈的电压/电阻变化数值转换为对应的应变变化信息，调节控制器根据该应变变化信息以及穿心式压力传感器所反馈的数值，控制应力幅调节装置的应力幅大小。

所述机架还包括两根相对设置的竖向刚性支架，所述的横向刚性支架的两端分别与两根竖向刚性支架对应连接。

所述横向刚性支架的每一个端部均通过一个可沿竖向刚性支架上下移动的横向支架安装机构与相应的竖向刚性支架连接；所述的横向支架安装机构包括传递钢板以及安装在传递钢板底部的滑轮，滑轮包括左右两组，每组至少包括两个，对应地分布在传递钢板的左右两侧；竖向刚性支架对应于左右两组滑轮的位置处分别设置有左右两条竖向滑轮导槽，左右两组滑轮分别置于相应的竖向滑轮导槽中；传递钢板的中部开设有用于安装横向刚性支架的横向支架插槽，竖向刚性支架对应于横向支架插槽的位置处的竖直线上，开设一个以上的横向刚性支架螺栓孔；所述竖向刚性支架通过穿过横向刚性支架螺栓孔、横向支架插槽的螺栓组件与传递钢板固紧。

所述应力幅调节装置包括上绝缘垫块、下绝缘垫块以及连接在上绝缘垫块、下绝缘垫块之间的弹簧，所述的上绝缘垫块通过螺栓组件与刚性横梁连接，而下绝缘垫块则通过螺栓组件与底座连接；所述的弹簧沿其螺旋线上绕有线圈，线圈的端部通过导线与激励电源连接。

所述锚具包括锚环以及置于锚环中的锚塞，斜拉索试件通过橡胶垫片安装在锚塞中。

根据以上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的优点：

本发明所提供的斜拉索疲劳试验机，将斜拉索试件竖直地安装在刚性横梁和机架的横向刚性支架之间，并设置穿心式压力传感器测量该斜拉索试件的初始预拉力，采用振动电机对斜拉索试件施加竖向振动（大幅度的竖向应力），采用应力幅调节装置对斜拉索试件施加微幅竖向位移调节，采用斜拉索试件上所配装的应变计反馈该斜拉索试件的应力变化，采用调节控制器根据穿心式压力传感器、应变计所反馈的数值控制应力幅调节装置所施加的应力幅；由此可知，本发明所述的斜拉索疲劳试验机可以根据不同的受力环境，选择合理的应力幅大小以及应力幅谱，进行斜拉索试件的疲劳试验。

附图说明

图1是本发明斜拉索疲劳试验机的结构示意图；

图2是本发明所述锚具安装斜拉索试件的分解结构示意图；

图3是横向支架安装机构的结构示意图；

图4是应力幅调节装置的结构示意图；

图1-4中，1、横向刚性支架；2、竖向刚性支架； 3、锚具；3a、锚环；3b、锚塞；3c、橡胶垫片；4、螺栓；4a、滑轮；4b、传递钢板；4c、横向刚性支架螺栓孔；4d、横向支架插槽；4e、竖向滑轮导槽；5、斜拉索试件；6、刚性横梁；7、电磁式弹簧；7a、螺栓组件；7b、导线；7c、上绝缘垫块；7d、弹簧；7e、线圈；8、振动电机；9、穿心式压力传感器；10、紧定部件；11、电机架；12、底座；13、应变计；14、调节控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明所述的斜拉索疲劳试验机，用于斜拉索试件的疲劳测试，包括底座、安装在底座上的机架、刚性横梁、振动电机、应力幅调节装置以及调节控制器，其中：

所述机架，包括横向刚性支架1以及竖向刚性支架2，所述竖向刚性支架包括两根相对地固定安装在底座上的竖向钢梁，所述横向刚性支架的两端分别通过一个横向支架安装机构与相应的竖向刚性支架连接；所述横向支架安装机构可沿竖向刚性支架的竖向延伸方向做平移运动，如图3所示，包括传递钢板以及安装在传递钢板底部的滑轮，滑轮包括左右两组，每组至少包括两个，对应地分布在传递钢板的左右两侧；竖向刚性支架对应于左右两组滑轮的位置处分别设置有左右两条竖向滑轮导槽，左右两组滑轮分别置于相应的竖向滑轮导槽中；传递钢板的中部开设有用于安装横向刚性支架的横向支架插槽，竖向刚性支架对应于横向支架插槽的位置处的竖直线上，开设一个以上的横向刚性支架螺栓孔；所述竖向刚性支架通过穿过横向刚性支架螺栓孔、横向支架插槽的螺栓组件与传递钢板固紧；因此，本发明所述的横向支架安装机构为滑轮、传递钢板以及横向支架插槽（横向支架孔）组成滑动体系，通过滑轮导槽使滑动体系在竖向刚性支架上产生相对滑动，并在竖向刚性支架上预制一定量的横向刚性支架螺栓孔，横向刚性支架螺栓孔与横向支架孔大小一致，当两孔对应时，用螺栓穿入两孔将其固定，以达到疲劳试验机竖向空间调节的目的，由此可知，横向刚性支架与竖向刚性支架可以相对滑动，以适应不同长度的斜拉索试件；

所述刚性横梁，与横向刚性支架相平行，并位于横向刚性支架的下方，通过应力幅调节装置支撑在底座的上方，所述的应力幅调节装置，如图4所示，包括上绝缘垫块、下绝缘垫块以及连接在上绝缘垫块、下绝缘垫块之间的弹簧，所述的上绝缘垫块通过螺栓组件与刚性横梁连接，而下绝缘垫块则通过螺栓组件与底座连接；所述的弹簧沿其螺旋线上绕有线圈，线圈的端部通过导线与激励电源连接；其中，上、下绝缘垫块的目的是防止弹簧与刚性横梁产生连通，影响转动机的正常工作以及避免电磁感应对转动机的影响；由此可知，所述的应力幅调节装置为可更换电磁式弹簧，可以根据通入电流大小、方式改变预拉力调整应力幅，具体是：一、调整弹簧两侧电流对疲劳应力幅进行调整，加大电流时，电磁强度增加，弹簧预拉力增加，从而达到应力幅调节的目的；二、电磁感应强度随电流的改变而改变，调整电流的输出方式（如交变、脉冲等）可以达到复杂应力幅谱编制的目的；三、上述两个步骤均不能满足要求时，可以更换不同劲度系数的弹簧；应力幅的变化由斜拉索上的应变计反应

所述斜拉索试件，竖直地设置在横向刚性支架和刚性横梁之间，斜拉索试件的上方穿过横向刚性支架后通过锚具锚固，且锚具与横向刚性支架之间的斜拉索试件上配装有用于反馈该斜拉索试件的初始预拉力信息的穿心式压力传感器，该穿心式压力传感器与调节控制器连接，而斜拉索试件的下方穿过刚性横梁后通过紧定部件锁紧；所述刚性横梁通过电机架安装有振动电机；斜拉索试件上配装应变计，所述应变计通过动态应变采集仪与调节控制器连接，其中：应变计为可重用式光纤应变计；试验过程中，应变计受“拉”“压”作用，则应变计电阻会产生变化，并将电阻变化信息传至动态应变采集仪，动态应变采集仪经过处理将电阻变化信息转化为应变变化信息，计算机再将将应变变化信息转化为应力变换信息，并以曲线的形式直观的显示出来，研究人员根据应力变化曲线，寻找应力峰值与谷值，相减即可得到应力幅大小。因此，本发明通过控制斜拉索试件的应力幅，以研究不同应力幅作用下的斜拉索疲劳性能。

另外，本发明所述的锚具3，如图2所示，包括锚环以及置于锚环中的锚塞，斜拉索试件通过橡胶垫片安装在锚塞中。具体实施时，先将试件穿过锚环，再将锚塞与橡胶垫片放入试件与锚环中间部位。其中锚塞与橡胶垫片为可更换式构件，以适应不同直径的斜拉索试件。橡胶垫片的目的是防止疲劳实验过程中锚具与斜拉索试件因间隙产生对斜拉索试件的磨损。

所述振动电机，通过电机架安装在刚性横梁上，振动电机提供动力，在预拉力（斜拉索试件属于柔性构件，疲劳试验时需要施加一初始预拉力，安装在斜拉索试件顶部的穿心式压力传感器即用于反映试验开始时的预拉力大小。当试件受拉时，锚具受压，并将压力传至穿心式压力传感器，穿心式压力传感器与调节控制器相连，具体数值可由调节控制器读出）的作用下，使斜拉索试件处于“拉—拉”循环应力状态。斜拉索试件上部由锚具将斜拉索固定于横向刚性支架上，斜拉索试件下部由螺栓将斜拉索与刚性横梁连接。

Claims (4)

1.一种斜拉索疲劳试验机，用于斜拉索试件的疲劳测试，包括底座以及安装在底座上的机架，其特征在于，机架包括横向刚性支架，该横向刚性支架下方设置刚性横梁，刚性横梁通过用于微调自身竖向位移的应力幅调节装置支撑在底座上方；斜拉索试件竖直地设置在横向刚性支架和刚性横梁之间，斜拉索试件的上方穿过横向刚性支架后通过锚具锚固，且锚具与横向刚性支架之间的斜拉索试件上配装有用于反馈该斜拉索试件的初始预拉力信息的穿心式压力传感器，该穿心式压力传感器与调节控制器连接，而斜拉索试件的下方穿过刚性横梁后通过紧定部件锁紧；所述刚性横梁通过电机架安装有振动电机；斜拉索试件上配装应变计，所述应变计通过动态应变采集仪与调节控制器连接，动态应变采集仪将应变计反馈的电压/电阻变化数值转换为对应的应变变化信息，调节控制器根据该应变变化信息以及穿心式压力传感器所反馈的数值，控制应力幅调节装置的应力幅大小；所述应力幅调节装置包括上绝缘垫块、下绝缘垫块以及连接在上绝缘垫块、下绝缘垫块之间的弹簧，所述的上绝缘垫块通过螺栓组件与刚性横梁连接，而下绝缘垫块则通过螺栓组件与底座连接；所述的弹簧沿其螺旋线上绕有线圈，线圈的端部通过导线与激励电源连接。

2.根据权利要求1所述斜拉索疲劳试验机，其特征在于，所述机架还包括两根相对设置的竖向刚性支架，所述的横向刚性支架的两端分别与两根竖向刚性支架对应连接。

3.根据权利要求2所述斜拉索疲劳试验机，其特征在于，所述横向刚性支架的每一个端部均通过一个可沿竖向刚性支架上下移动的横向支架安装机构与相应的竖向刚性支架连接；所述的横向支架安装机构包括传递钢板以及安装在传递钢板底部的滑轮，滑轮包括左右两组，每组至少包括两个，对应地分布在传递钢板的左右两侧；竖向刚性支架对应于左右两组滑轮的位置处分别设置有左右两条竖向滑轮导槽，左右两组滑轮分别置于相应的竖向滑轮导槽中；传递钢板的中部开设有用于安装横向刚性支架的横向支架插槽，竖向刚性支架对应于横向支架插槽的位置处的竖直线上，开设一个以上的横向刚性支架螺栓孔；所述竖向刚性支架通过穿过横向刚性支架螺栓孔、横向支架插槽的螺栓组件与传递钢板固紧。

4.根据权利要求1所述斜拉索疲劳试验机，其特征在于，所述锚具包括锚环以及置于锚环中的锚塞，斜拉索试件通过橡胶垫片安装在锚塞中。