CN104198300B - 一种土木工程阵列加载试验系统 - Google Patents

Abstract

一种土木工程阵列加载试验系统，包括反力框架、一竖向作动单元、至少一水平作动单元以及一加载梁，竖向作动单元布置于加载梁上方，其包括竖直平行布置的至少两只竖向作动器，反力框架、竖向作动器以及加载梁构成平面连杆机构或空间连接机构，水平作动单元布置于加载梁侧边，每组水平作动单元包括至少一只水平布置的水平作动器，竖向作动器与水平作动器的两端分别与反力框架、加载梁铰接连接。其通过加载梁进行试验加载，作动器提供加载梁的加载力，通过连杆机构的不同变形进行不同的试验加载。该试验系统不但能很好的满足土木压剪试验的要求，而且不需要专门的跟动装置，无摩擦力影响。同时，该系统不需要改造，直接就能完成更多种类的结构试验加载。

Description

一种土木工程阵列加载试验系统

技术领域

本发明属于土木工程结构试验加载系统技术领域，涉及加载试验系统，尤其适用于土木工程压加载试验。

背景技术

目前公知的土木工程结构试验加载系统，尤其土木工程压剪试验加载系统，常规的加载方法为：竖向布置一直作动器，模拟重力荷载，水平布置一只作动器模拟剪力，两只作动器同时对试件进行加载。在水平作动器动作时，试件发生变形，试件的加载点在水平方向、竖直方向都有移动，为保证竖向作动器能始终垂直于加载点，而且能保持设定的荷载，竖向作动器就要跟随加载点做水平、竖向的拟合曲线轨迹跟动，由于加载点移动轨迹的不可精确预测性以及摩擦力的影响，竖向作动器随动的精度和实时性无法得到有效保障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阵列加载试验系统，该系统不仅能实现土木工程结构压剪试验加载，而且能很好的解决竖向作动器跟随加载点做水平、竖直两个方向拟合曲线轨迹跟动的精确性和实时性，同时，该系统还能满足更加复杂的加载试验要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种土木工程阵列加载试验系统，包括反力框架、一竖向作动单元、至少一水平作动单元以及一加载梁；

所述竖向作动单元布置于所述加载梁上方，其包括竖直平行布置的至少两只竖向作动器，所述反力框架、竖向作动单元以及加载梁构成连杆机构；

所述水平作动单元布置于所述加载梁侧边，每组水平作动单元包括至少一只水平布置的水平作动器；

所述竖向作动器与所述水平作动器的两端分别与所述反力框架、加载梁铰接连接。

进一步的，所述连杆机构为平面连杆机构或空间连杆机构。

优选的，所述的加载试验系统包括两组水平作动单元，所述两组水平作动单元布置在水平面上相互垂直的两个方向上。

每组水平作动单元中，所述水平作动器平行布置。

所述竖向作动器的规格相同设置，所述水平作动器的规格相同设置。

所述竖向作动器、水平作动器两端的铰接连接方式为耳板销钉销铰连接或球铰连接。

所述连杆机构为平面连杆机构时，所述加载梁具有附加平面外约束以使所述加载梁在水平作动单元的作动平面内运动。

所述加载梁与试件直接连接。

所述加载梁与试件的连接面上设有多个连接件。

所述连接件为连接孔。

所述加载梁与试件相连的连接面为平面。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

反力框架上竖向布置一组竖向作动单元，竖向作动单元中包括至少两只竖向作动器，竖向作动器两端与反力框架、加载梁铰接连接，水平布置至少一组水平作动单元，水平作动单元包括至少一只水平作动器，水平作动器的两端也与反力框架，加载梁铰接连接。试件直接与加载梁相连，试件所受到的加载力为所有作动器的合力，至少两只竖向作动器同反力架、加载梁组成的连杆机构(平面连杆机构与空间连杆机构)。

当试验加载时，竖向加载单元实行位移控制加载，其做同步、相同的动作，竖向作动器的加载力通过加载梁作用于试件上，试件竖直方向所受的加载力为竖向作动器对加载梁竖向加载力的合力。

水平作动器动作时，加载点会同时发生竖向、水平位移，此时，竖向作动器在伸长一定长度的同时，同反力架、加载梁组成的连杆机构，就会由原来的长方形(多边柱体)变成平行四边形(倾斜的多边柱体机构)，水平作动器的伸长量由试验人员设定，竖向作动器的伸长量由加载梁的水平位移量、加载梁对试件的加载力共同决定。这样就在无摩擦力影响、无跟动模块的情况下，实现了压剪试验加载，或根据不同的控制算法完成其他复杂的试验加载。

附图说明

图1为阵列加载系统第一实施例初始状态的结构示意图。

图2为图1所示阵列加载系统进行压剪试验的结构示意图。

图3为图1所示阵列加载系统进行扭转加载的结构示意图。

图4为平面内的连杆加载系统侧向支撑结构示意图。

图5为阵列加载系统第二实施例初始状态的结构示意图。

图6为图5所示阵列加载系统进行压剪试验的结构示意图。

图7为图5所示阵列加载系统进行扭转加载的结构示意图。

图8为阵列加载系统第三实施例初始状态的结构示意图。

其中：1为反力框架；2为第一竖向作动器；3为第二竖向作动器；4为加载梁；5为水平作动器；6为试件；7第三竖向作动器；8侧向支撑。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图7所示，本发明公开了一种土木工程阵列加载试验系统，包括反力框架1、一竖向作动单元、至少一水平作动单元以及一加载梁4，竖向作动单元布置于加载梁上方，其包括竖直平行布置的至少两只竖向作动器，反力框架1、竖向作动单元以及加载梁4构成连杆机构；水平作动单元布置于加载梁侧边，每组水平作动单元包括至少一只水平布置的水平作动器5，竖向作动器与水平作动器5的两端分别与反力框架、加载梁铰接(耳板销铰连接或者球铰)连接，试件6设置在加载梁4下方，作动器的合力经由加载梁4传递至试件6上。

水平作动单元可只设置一组，即在水平面上沿一个方向提供水位位移的动力，也可根据试验需要，如图7所示，在水平面的垂直方向上设置两组水平作动单元以使得加载梁可前后左右移动。

竖向作动单元布置在加载梁上方，竖向作动器的数量为两个以上，竖向作动器的加载力通过加载梁作用于试件上，试件竖直方向所受的加载力为竖向作动器对加载梁竖向加载力的合力。由于竖向作动器的加载位移一致，可能会产生竖向作动器的加载力不一致的情况，但由于竖向作动器的合力是通过加载梁传递给试验试件6的，试件6的加载力就是这个合力，所以即使竖向作动器的加载力(型号)不一致，也对试验没有影响。竖向作动单元中竖向作动器既可布置在同一平面，即如图1至图6所示，使得反力框架1、竖向作动单元以及加载梁4构成平面连杆机构，竖向作动器也可布置在不同的平面上，如图7所示，使得反力框架1、竖向作动单元以及加载梁4构成空间连杆机构。当反力框架1、竖向作动单元以及加载梁4构成平面连杆机构时，为防止由于合力过大或者其他情况导致的加载梁4发生倾斜，冲出原来所在平面情况的发生，故加载梁4具有附加平面外约束以使加载梁4在水平作动单元的作动方向所在的平面内运动，从而保证实验的顺利进行，本实施例中，通过在加载梁与水平作动单元垂直方向的两边另外设置侧向支撑8，侧向支撑8两端分别与加载梁和反力框架1连接，从而形成平面外约束。

加载梁1用于与试件6直接连接，以将竖向作动单元和水平作动单元的合力传递至试件6上，由于某些加载试验中，为了防止试件6在加载过程中脱落，故加载梁与试件6相连的连接平面上设置了多个连接孔，安装时，试件6的连接面上根据实际情况也设置连接孔，从而试件6可与加载梁之间螺栓连接。

使用本发明所示的系统进行加载试验时，若水平作动单元中的水平作动器在水平方向发生动作推动加载梁5水平方向发生位移时，加载点会同时发生竖向、水平位移，此时，竖向作动单元中的至少两只竖向作动器在伸长一定长度的同时，还同反力框架1、加载梁4组成的四连杆机构，整体四连杆机构的就会由原来的长方形(多边柱体)变成平行四边形(倾斜多边柱体)，水平作动器的伸长量由试验人员设定，竖向作动器的伸长量由加载梁的水平位移量、加载梁对试件的加载力共同决定。这样就在无摩擦力影响、无跟动模块的情况下，实现了压剪试验加载，该系统根据不同的控制算法还可以完成更加复杂的试验加载。

具体的，如图1所示，本发明所示的第一实施例中，设置两组竖向作动器，第一竖向作动器2、第二竖向作动器3两者并排竖直排列，二者位于同一平面上，竖向作动器尾部通过耳板销铰连接在反力框架1上，竖向作动器杆端通过耳板销铰连接在加载梁4上，反力框架1、第一竖向作动器2、第二竖向作动器3，加载梁4共同组成一个平面平行四连杆机构；水平作动器5尾端通过耳板销铰连接到反力框架1上，水平作动器5杆端通过耳板销铰连接到加载梁4上，试件6一端与加载梁4连接，一端与反力架1连接。

作动器不直接连接试件6，通过一根加载梁4对试件6进行试验加载，第一竖向作动器2、第二竖向作动器3、水平作动器5为四连杆机构整体提供变形及加载动力，其中，竖向作动器实行位移控制加载，试件6所受到的加载力，为所有作动器的合力。

如图2所示，第一实施例中所示的阵列加载系统在进行压剪试验时，第一竖向作动器2、第二竖向作动器3型号相同，做相同的位移加载，当两者作用到加载梁4上的竖向加载合力达到设定值时，两只竖向作动器保持加载，当水平作动器5对加载梁4做水平加载时，与加载梁4相连的试件6产生水平弯曲的同时，还会产生竖向的弯曲，为保持竖向作动器在竖直方向上的加载力，第一竖向作动器2、第二竖向作动器3同时动作相同位移，反力框架1、第一竖向作动器2、第二竖向作动器3、加载梁4组成的平行四连杆机构，就由长方形变成平行四边形。此时，第一竖向作动器2、第二竖向作动器3的合力在竖直方向上的分力加上水平作动器在竖直方向上分力的总合力为试件所设定的加载力。整个过程中，无摩擦力等外力影响，装置安全可靠。

同时，如图4所示，为了防止加载梁4出现在前后移动的情形，还可在加载梁4的前后端面上分别设置侧向支撑8来保证加载梁在平面内运动，其中侧向支撑8为两块板件，两块板件的另一端与反力框架1连接，以对加载梁4形成前后平面内的约束，使得整个加载系统可按照预期的试验要求进行。

如图3所示，第一实施例所示的阵列加载系统还可以通过设置让第一竖向作动器2、第二竖向作动器3，做不同的位移动作，再加上水平作动器5的协同动作，可进行试件扭转的试验加载。

当竖向作动单元中布置位于同一平面三只以上的竖向作动器时，其工作原理与布置两只竖向作动器时类似，以下以布置三只竖向作动器布置为例进行说明。

第二实施例中，如图5所示，除原有的第一作动器2、第二作动器3外，阵列加载系统还包括第三作动器7，三只竖向作动器位于同一平面，竖向平行设置，竖向作动器的两端都是耳板销铰连接，其一端连接反力框架1，另一端连接加载梁4，此时，竖向作动器、反力框架1、加载梁4整体轮廓仍然组成平行四连杆机构，由于竖向作动器做相同的位移控制，所有竖向布置三只以上的作动器时，跟竖向布置两只作作动器时做同样的动作，不同的是加载力就竖向三只作动器和水平作动器的合力，加载总吨位会增大，如图6和图7所示，其也可用于做压剪试验、扭转试验等多种试验，具体工作原理与上述分析相同，此处不赘述，而且系统的加载力会增加。

当竖向作动单元中竖向作动器布置在不同一平面时，反力框架1、竖向作动单元以及加载梁4构成空间四连杆机构，其工作原理与平面四连杆机构机构类似。如图8所示，第三实施例中，加载梁4为矩形加载板，在加载板上平面的四角位置布置4只竖向作动器以形成竖向作动单元，四只竖向作动器规格相同，在水平相互垂直的两个方向上各布置2个平行设置的水平作动器以形成两组垂直布置的水平作动单元，四只水平作动器选用相同规格的作动器，其与反力框架1、加载梁4构成长方体结构(四边柱体)。通过控制竖向作动单元和两组平作动器单元的协同工作，使得4只竖向作动器、加载梁4以及反力框架1组成的空间四连杆机构在水平作动单元的推动下在长方体结构和平行六面体(即倾斜的四边柱体)结构中的来回转变以进行跟动，从而可根据具体要求完成复杂的结构试验。

其中，当连接机构为空间连杆机构时，竖向作动器数量与位置可根据需要进行设置，也可在矩形加载梁上设置3只竖向作动器，其与反力框架1、加载梁4构成三棱柱体，也可设置5只竖向作动器以形成五棱柱体结构，具体工作原理与上述长方体结构的加载系统相同，此处不在赘述。

本发明所示的阵列加载系统不但能很好的满足土木压剪试验的要求，而且不需要专门的跟动装置，无摩擦力影响，同时，该系统不用改造，直接就能完成更多种类的结构试验加载。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种土木工程阵列加载试验系统，包括反力框架，其特征在于：还包括一竖向作动单元、至少一水平作动单元以及一加载梁；

所述竖向作动单元布置于所述加载梁上方，其包括竖直平行布置的至少两只竖向作动器，所述反力框架、竖向作动单元以及加载梁构成连杆机构；

所述水平作动单元布置于所述加载梁侧边，每组水平作动单元包括至少一只水平布置的水平作动器；

所述竖向作动器与所述水平作动器的两端分别与所述反力框架、加载梁铰接连接；

所述连杆机构为平面连杆机构时，所述加载梁具有附加平面外约束以使所述加载梁在水平作动单元作动方向所在平面内运动；

所述加载梁与试件直接连接。

2.根据权利要求1所述的加载试验系统，其特征在于：所述连杆机构为平面连杆机构或空间连杆机构。

3.根据权利要求1所述的加载试验系统，其特征在于：包括两组水平作动单元，所述两组水平作动单元布置在水平面上相互垂直的两个方向上。

4.根据权利要求1或3所述的加载试验系统，其特征在于：每组水平作动单元中，所述水平作动器平行布置。

5.根据权利要求1所述的加载试验系统，其特征在于：所述竖向作动器、水平作动器两端的铰接连接方式为耳板销钉销铰连接或球铰连接。

6.根据权利要求1所述的加载试验系统，其特征在于：所述加载梁与试件的连接面上设有多个连接件。

7.根据权利要求6所述的加载试验系统，其特征在于：所述连接件为连接孔。

8.根据权利要求1所述的加载试验系统，其特征在于：所述加载梁与试件相连的连接面为平面。