CN104132854B - 一种构件纯扭实验装置及纯扭实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种构件纯扭实验装置及纯扭实验方法，本装置包括固定在基础地坪上的两榀支架、两端固定在支架上端的反力梁。构件两端部固定在与基础地坪固定连接的扭转支座上，构件两端部固定连接一扭转臂，两扭转臂端部之间布置一分配梁，竖向力千斤顶下端布置在分配梁跨中处，上端与连接在反力梁上的竖向支撑接触。实验时，通过竖向力千斤顶对分配梁跨中处施加竖向轴向压力，分配梁梁端部对扭转臂产生轴向力，从而形成对构件的扭矩。本发明实验装置简单，组装方便，可循环使用。

Description

一种构件纯扭实验装置及纯扭实验方法

技术领域

本发明属于建筑结构试验技术领域，具体而言涉及一种进行混凝土构件在纯扭作用下受扭转的纯扭实验装置及方法。

背景技术

受扭是结构构件的基本受力形式之一，若荷载、构件和支座反力不在同一平面内，构件截面上将产生扭矩。因此，在土木工程结构中，承受扭矩作用的构建普遍存在，但处于扭矩单独作用的情况并不多，大多处于复合受扭状态。例如水平曲梁、框架边梁、不对称截面的L形截面梁大多处于弯矩、剪力和扭矩共同作用下的复合受扭状态。特别是风荷载下超高层建筑装换层大梁以及地震作用下不规则结构中竖向构件复合受扭作用十分明显，在强风和地震作用下容易破坏并引起倒塌。随着我国综合国力的增长、现代建筑业的蓬勃发展，建筑结构形式越来越趋向于复杂化、高耸化、大跨化。同时我国位于世界两大地震带（环太平洋地震带和欧亚地震带）之间，东南沿海地区每年受台风影响显著，这就对结构形式复杂的建筑提出了更高要求。因此，对结构构件在纯扭下的受扭性能进行试验研究和理论分析有着重要的实际意义和广阔的工程应用前景。

目前，单独研究构件的受纯扭试验比较多，但大多试验方法较复杂，而且对实验装置的要求也很高。因此，发明了一种研究结构构件在纯扭作用下的简单有效的实验装置及简单可行的实验方法，有利于更好研究及发展建筑结构中受扭构件的受力机理和破坏特征，有利于科学合理、经济可靠的设计受扭构件，确保结构安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单易实现的科学进行矩形截面混凝土构件受纯扭作用的实验装置和方法，可以应用于建筑结构试验中，准确的观测构件在荷载作用下的受力性能。了解构件破坏的特征，很方便的测量构件各部分的应变及构件变形。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：提供了一种构件纯扭实验装置，包括两端部裹碳纤维布18的构件1、扭转支座2、扭转臂与构件之间垫板4、扭转臂6、分配梁与扭转臂端之间垫板7、分配梁8、加载垫板9、竖向力千斤顶10、竖向支撑部件11、夹板12、反力梁14、支架15、第一位移计16、第二位移计17和数据采集设备，其中，

所述支架15和扭转支座2分别固定在基础地坪上，所述反力梁14的两端固定在所述支架15的上端；所述扭转支座2分别相互平行地安装在所述构件1的两端部下方，所述扭转臂6分别相互平行地安装在所述构件1的两端部上方，所述构件1的两端部分别位于所述扭转支座2和扭转臂6的跨中位置处并分别垂直于所述扭转支座2和扭转臂6，所述扭转臂与构件之间垫板4分别设置在所述扭转臂6和构件1之间；

所述分配梁8的两端分别设置在所述两个扭转臂6斜对的两个端部的上方，所述分配梁与扭转臂端之间垫板7设置在所述扭转臂6和分配梁8之间，所述分配梁8的跨中位置处从下至上依次竖直地设置所述加载垫板9、竖向力千斤顶10和竖向支撑部件11；所述竖向支撑部件11的上端通过夹板12固定于所述反力梁14跨中位置处；

所述第一位移计16和第二位移计17分别设置在所述扭转臂6的另外两个斜对的端部上，并与所述数据采集设备相连。

进一步地，所述扭转支座2包括扭转支座上部分和扭转支座下部分，所述扭转支座上部分包括一块矩形钢板和一块弧形钢板，所述弧形钢板固定在所述矩形钢板的下方；所述扭转支座下部分的上端面开设一内置有滚轮的弧形凹槽，所述扭转支座上部分的弧形钢板能转动地设置在所述弧形凹槽上部，；所述扭转臂（6）沿长度方向中心轴线与扭转支座（2）上部分的中心轴线在同一竖直面上。

进一步地，所述扭转臂6由两端短矩形钢管和中间长矩形钢管组成，所述两端短矩形钢管垂直地焊接在所述中间长矩形钢管的两端，所述扭转臂6斜对的两个端部处的短矩形钢管的上端部布置有所述分配梁与扭转臂端之间垫板7。

进一步地，所述分配梁8是工字梁，所述分配梁8的端部水平布置于所述扭转臂6端部的分配梁与扭转臂端之间垫板7上，其跨中位置与所述构件（1）的跨中位置在同一竖直线上；所述扭转臂6和分配梁8均水平设置。

进一步地，所述竖向支撑部件11由四个钢板首尾顺次焊接形成的矩形钢筒，所述矩形钢筒的上端焊接一固定在所述反力梁14上的钢板，所述矩形钢筒的下端焊接一与所述竖向力千斤顶10均匀接触的方形钢板。

进一步地，所述扭转支座2、构件1、扭转臂与构件之间垫板4和扭转臂6通过螺栓5固定连接在一起。

进一步地，所述竖向支撑部件11上端用夹板12和竖向支撑固定螺栓13固定于反力梁14跨中位置处。

本发明还提供了采用上述构件纯扭实验装置进行纯扭实验的方法，包括以下步骤：

1）通过所述竖直千斤顶10向分配梁8跨中处施加轴向压力，进而所述分配梁8两端对扭转臂6产生等值轴向力，所述等值轴向力传递到所述构件1两端，使构件1处于纯扭作用下；

2）采用分级加载方式，不断采集实验数据，直至构件1被破坏；

3）将所述第一位移计16的读数与第二位移计位移计17的读数的差值除以所述第一位移计（16）和第二位移计（17）分别到所述构件（1）沿长度方向的对称面的垂直距离之和，从而测量出构件1的扭转角。

附图说明

图1为试验加载装置前视图。

图2为试验加载装置平面图，从图1的A-A方向剖切位置与透射方向得到正投影图。

图3为图1的B-B方向剖切位置与透射方向得到正投影图。

图4为扭转支座上部分的正立面图；

图5为扭转支座上部分的侧立面图；

图6为扭转支座上部分的俯视图；

图7为扭转支座下部分的正立面图；

图8为扭转支座下部分的侧立面图；

图9为扭转支座下部分的俯视图；

图10为扭转臂的正立面图；

图11为扭转臂的侧立面图；

图12为扭转臂的俯视图；

图13为分配梁俯视图；

图14为分配梁截面图；

图15为分配梁侧视图；

图16为竖向支撑的正立面图；

图17为竖向支撑的俯视图；

其中：1、构件，2、扭转支座，3、地锚螺栓，4、扭转臂与构件之间垫板，5、固定构件螺栓，6、扭转臂，7、分配梁与扭转臂端之间垫板，8、分配梁，9、加载垫板，10、竖直千斤顶，11、竖向支撑部件，12、夹板，13、固定竖向支撑螺栓，14、反力梁，15、支架，16、第一位移计，17、第二位移计，18、碳纤维布。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备内部的方向为内，反之为外，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“左、右”的含义指的是阅读者正对附图时，阅读者的左边即为左，阅读者的右边即为右，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

本实施例提供了一种进行该类纯扭作用的实验装置，其中结构如图1所示，包括构件1、扭转支座2、地锚螺栓3、扭转臂与构件之间垫板4、固定构件螺栓5、扭转臂6、分配梁与扭转臂端之间垫板7、分配梁8、加载垫板9、竖向力千斤顶10、竖向支撑部件11、夹板12、固定竖向支撑螺栓13、反力梁14、支架15、第一位移计16和第二位移计17、碳纤维布18、以及进行结构试验必备的数据采集设备等。

如图1～3所示，两榀支架15固定在基础地坪上，反力梁14两端固定在支架上。两个扭转支座2下部分通过地锚螺栓3固定在基础地坪上，两端部裹碳纤维布18的构件1、扭转支座2上部分、垫板4以及扭转臂6通过螺栓5固定连接在一起。在两扭转臂6端部布置垫板7，并将分配梁8两端放置于垫板7上。分配梁8跨中位置处依次放置加载垫板9、竖向力千斤顶10、竖向支撑部件11。其中竖向支撑部件11上端用夹板12和竖向支撑固定螺栓13固定于反力梁14跨中位置处。

扭转支座2上部分的结构如图4～6所示，它由一块矩形钢板和一块弧形钢板加工而成。矩形钢板面上有四个螺栓孔，上面的螺栓孔与扭转支座2下部分的螺栓孔对应。

扭转支座2下部分的结构如图7～9所示，1其上端面开有浅弧形凹槽，内填滚轮，并与扭转支座2上部分弧形面相对应。扭转支座2下部分下端有四个地锚螺栓孔，用于固定于基础地坪上。这样，在构件扭转时，支座以滚轮的形式提供竖向支撑并可转动，而在两个水平方向无约束，从而解决了试件稳定问题并近似实现了构件的无摩擦自由转动。

扭转臂6的结构如图10～12所示，它是由两端矩形钢管相互垂直焊接，其中较长钢管上加工有两个螺栓孔，与扭转支座2上部分螺栓孔相对应。较短钢管端部上布置垫块7，使得加载时从分配梁8传递过来的竖向力均匀传递给扭转臂6。

分配梁8的结构如图13～15所示，它是一根工字梁。在布置实验装置时，要保证分配梁端部水平布置于两扭转臂6端的垫板7上，其跨中位置与构件1跨中位置相对应。

竖向支撑部件11的结构如图16～17所示，主体是四个钢板焊接在一起的矩形钢筒，钢筒上端焊接一个有四个螺栓孔的钢板，用螺栓15固定于反力梁14上。钢筒下端焊接一方形钢板，从而与竖向力千斤顶10均匀接触。

采用本实施例中的装置进行实验，其实验方法如下：

1）首先根据和设备的尺寸计算好支架15、反力梁14、扭转支座2的安装位置。并根据计算好的位置安装反力梁14和扭转支座2。

2）将端部裹有碳纤维18的构件2放置于扭转支座2上部分平台上，调整好位置，在构件端部上布置垫板5，用两螺栓5将扭转臂6、垫板4、构件1和扭转支座2上部分固定在一起。应该注意的是，在固定过程中要不断调整使扭转臂6轴线、扭转支座2上部分平台轴线在构件端部2的同一横截面上，并要使构件1其处于水平位置，从而保证扭转臂6处于水平位置。

3）在两扭转臂6端部先放置垫板7，在垫板之间布置分配梁8，调整位置使分配梁跨中位置与构件跨中位置相对应。同时在扭转臂另一端部下表面布置位移引伸计16、17，分别测得两点位移。

4）在分配梁8跨中位置上表面依次布置加载垫板9、竖向力千斤顶10、竖向支撑，其中竖向支撑上端部通过螺栓13固定在反力梁14跨中位置。

5）通过竖向力千斤顶10向分配梁9跨中施加轴向压力，再传递到分配梁9两端，在两扭转臂6端形成等值、同向的轴向压力，两轴向压力通过扭转臂6传递到构件两端，等效的轴向压力与扭转支座的支座反力平衡，即构件1内部不存在剪力，而只受纯扭矩作用。位移计16的读数与位移计17的读数的差值除以两位移计沿B-B剖切位置透射方向的距离，即准确测量出构件的变形（扭转角）。通过导线将构件1上的各种根据不同实验所需的应变计与数据采集系统相连。

6）在加载过程中，可按荷载控制，分级加载，加载至构件1破坏，通过数据采集系统得到所要数据，进行试验结果分析，最终完成构件的纯扭性能实验。

本发明实验装置在进行安装时，须将扭转臂8轴线与扭转支座2轴线处于构件同一横截面上，使扭转臂8传递到构件1的轴向压力完全与扭转支座2的支座反力相平衡，从而构件内部无剪力。值得注意的是，构件1两端部都裹有一层碳纤维布18，并且扭转臂与构件之间有一块垫板4，防止产生局部受压破坏。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种构件纯扭实验装置，其特征在于，包括两端部裹碳纤维布(18)的构件(1)、扭转支座(2)、扭转臂与构件之间垫板(4)、扭转臂(6)、分配梁与扭转臂端之间垫板(7)、分配梁(8)、加载垫板(9)、竖向力千斤顶(10)、竖向支撑部件(11)、夹板(12)、反力梁(14)、支架(15)、第一位移计(16)、第二位移计(17)和数据采集设备，其中，

所述支架(15)和扭转支座(2)分别固定在基础地坪上，所述反力梁(14)的两端固定在所述支架(15)的上端；所述扭转支座(2)分别相互平行地安装在所述构件(1)的两端部下方，所述扭转臂(6)分别相互平行地安装在所述构件(1)的两端部上方，所述构件(1)的两端部分别位于所述扭转支座(2)和扭转臂(6)的跨中位置处并分别垂直于所述扭转支座(2)和扭转臂(6)，所述扭转臂与构件之间垫板(4)分别设置在所述扭转臂(6)和构件(1)之间；

所述分配梁(8)的两端分别设置在所述两个扭转臂(6)斜对的两个端部的上方，所述分配梁与扭转臂端之间垫板(7)设置在所述扭转臂(6)和分配梁(8)之间，所述分配梁(8)的跨中位置处从下至上依次竖直地设置所述加载垫板(9)、竖向力千斤顶(10)和竖向支撑部件(11)；所述竖向支撑部件(11)的上端通过夹板(12)固定于所述反力梁(14)跨中位置处；

所述第一位移计(16)和第二位移计(17)分别设置在所述扭转臂(6)的另外两个斜对的端部上，并与所述数据采集设备相连；

所述扭转支座(2)包括扭转支座上部分和扭转支座下部分，所述扭转支座上部分包括一块矩形钢板和一块弧形钢板，所述弧形钢板固定在所述矩形钢板的下方；所述扭转支座下部分的上端面开设一内置有滚轮的弧形凹槽，所述扭转支座上部分的弧形钢板能转动地设置在所述弧形凹槽上部；所述扭转臂(6)沿长度方向中心轴线与扭转支座(2)上部分的中心轴线在同一竖直面上；

所述竖向支撑部件(11)上端用夹板(12)和竖向支撑固定螺栓(13)固定于反力梁(14)跨中位置处；

所述扭转臂(6)由两端短矩形钢管和中间长矩形钢管组成，所述两端短矩形钢管垂直地焊接在所述中间长矩形钢管的两端，所述扭转臂(6)斜对的两个端部处的短矩形钢管的上端部布置有所述分配梁与扭转臂端之间垫板(7)；

所述分配梁(8)是工字梁，所述分配梁(8)的端部水平布置于所述扭转臂(6)端部的分配梁与扭转臂端之间垫板(7)上，其跨中位置与所述构件(1)的跨中位置在同一竖直线上；所述扭转臂(6)和分配梁(8)均水平设置。

2.根据权利要求1所述的一种构件纯扭实验装置，其特征在于，所述竖向支撑部件(11)由四个钢板首尾顺次焊接形成的矩形钢筒，所述矩形钢筒的上端焊接一固定在所述反力梁(14)上的钢板，所述矩形钢筒的下端焊接一与所述竖向力千斤顶(10)均匀接触的方形钢板。

3.根据权利要求1所述的一种构件纯扭实验装置，其特征在于，所述扭转支座(2)、构件(1)、扭转臂与构件之间垫板(4)和扭转臂(6)通过螺栓(5)固定连接在一起。

4.一种应用如权利要求1-3中任一项所述的一种构件纯扭实验装置进行的纯扭实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先根据和设备的尺寸计算好支架(15)、反力梁(14)、扭转支座(2)的安装位置，并根据计算好的位置安装反力梁(14)和扭转支座(2)；

2)将端部裹有碳纤维布(18)的构件(1)放置于扭转支座(2)上部分平台上，调整好位置，在构件端部上布置垫板，用固定构件螺栓(5)将扭转臂(6)、扭转臂与构件之间垫板(4)、构件(1)和扭转支座(2)上部分固定在一起；在固定过程中，使扭转臂(6)的轴线和扭转支座(2)上部分平台的轴线位于构件(2)端部的同一横截面上，并使构件(1)处于水平位置，从而保证扭转臂6处于水平位置；

3)在两扭转臂(6)端部先放置分配梁与扭转臂端之间垫板(7)，在扭转臂端之间垫板(7)之间布置分配梁(8)，调整位置使分配梁(8)跨中位置与构件(1)跨中位置相对应，同时在扭转臂另一端部下表面布置第一位移计(16)和第二位移计(17)，分别测得两点位移；

4)在分配梁(8)跨中位置上表面依次布置加载垫板(9)、竖向力千斤顶(10)和竖向支撑，其中竖向支撑上端部通过固定竖向支撑螺栓(13)固定在反力梁(14)跨中位置；

5)通过竖向力千斤顶(10)向分配梁(8)跨中施加轴向压力，再传递到分配梁(8)两端，在两扭转臂(6)端形成等值、同向的轴向压力，两轴向压力通过扭转臂(6)传递到构件两端，等效的轴向压力与扭转支座的支座反力平衡，使构件(1)内部不存在剪力，而只受纯扭矩作用；将所述第一位移计(16)的读数与第二位移计(17)的读数的差值除以所述第一位移计(16)和第二位移计(17)分别到所述构件(1)沿长度方向的对称面的垂直距离之和，从而算出构件(1)的扭转角；

6)在加载过程中，按荷载控制，采用分级加载方式，加载至构件(1)破坏，通过数据采集系统得到所要数据，进行试验结果分析，最终完成构件的纯扭性能实验。