CN104406848A - 铰接边界条件轴心受压金属构件试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铰接边界条件轴心受压金属构件试验装置及试验方法，试验装置包括有位于上方的水平设置的正方形厚钢板，及位于下方的水平设置的长方形薄钢板，正方形厚钢板底面中间连接有较大的楔形钢块，较大的楔形钢块的顶端开有贯通的三角形凹槽；长方形薄钢板两侧各开有贯通的长方形扁平凹槽，长方形薄钢板顶面中间连接有较小的楔形钢块，较小的楔形钢块的截面形状与较大的楔形钢块顶端的三角形凹槽的截面形状相契合；试验方法配合万能试验机，可实现对铰接边界条件轴心受压金属构件初始偏心距的准确测量。

Description

铰接边界条件轴心受压金属构件试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及金属试验装置及方法领域，具体是一种铰接边界条件轴心受压金属构件试验装置及试验方法。

背景技术

众所周知，铰接连接是建筑结构中最常用到的边界条件之一，尤其是对于受压构件，能使得其计算长度与物理长度保持一致，从而有利于研究受压构件长细比对其力学性能的影响，因而在结构试验中得到了广泛的应用。然而，如何在结构试验中正确有效的模拟铰接边界条件，特别是针对轴心受压金属构件，如何保证外加荷载通过构件的形心而不产生任何的偏心弯矩，却并不是一个简单的问题。目前，在国内进行的诸多铰接边界条件金属构件轴心受压试验中，通常是简单的将受压构件两端的荷载作用点进行几何对中，并没有考虑由于金属构件的初始几何缺陷导致的在预加载阶段金属构件的形心截面产生的侧向变形，使得外加荷载无法通过构件的形心，从而对构件产生不可忽略的偏心弯矩，其结果是使得轴心受压构件在试验初期就变成了偏心受压构件，导致试验结果偏小，造成结构分析和设计过于保守。

发明内容

本发明的目的是提供一种铰接边界条件轴心受压金属构件试验装置及试验方法，以解决现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

铰接边界条件轴心受压金属构件试验装置，其特征在于：包括有位于上方的水平设置的正方形厚钢板，及位于下方的水平设置的长方形薄钢板，长方形薄钢板平面尺寸大于正方形厚钢板，所述正方形厚钢板底面中间连接有较大的楔形钢块，较大的楔形钢块与正方形厚钢板的轴线相重合，较大的楔形钢块的顶端开有垂直向贯通的三角形凹槽；所述长方形薄钢板两侧沿长边方向各开有水平向贯通的长方形扁平凹槽，长方形薄钢板顶面中间连接有与长方形扁平凹槽相垂直的较小的楔形钢块，较小的楔形钢块的截面形状与较大的楔形钢块顶端的三角形凹槽的截面形状相契合，但尺寸略大。

一种铰接边界条件轴心受压金属构件试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、首先将一对试验装置的上部连接有较大楔形钢块的正方形厚钢板分别安装于万能试验机的上方和下方，采用激光投线仪使得安装于万能试验机上方和下方的较大楔形钢块的轴线相重合，然后将下部连接有较小的楔形钢块的长方形薄钢板与金属构件的两端固定在一起，使得较小的楔形钢块的轴线位于金属构件的截面形心处；

(2)、试验前，将连接有长方形薄钢板的金属构件放置于万能试验机上，使得固定于金属构件底端的较小的楔形钢块的尖端正好坐落在安装于万能试验机下方的较大的楔形钢块顶端的三角形凹槽中；

(3)、开启万能试验机，固定安装于万能试验机上方的较大的楔形钢块，缓慢升高安装于试验机下方的较大的楔形钢块，使得坐落于较大的楔形钢块顶端的三角形凹槽中的金属构件与安装于万能试验机上方的较大的楔形钢块逐渐靠拢，直到固定于金属构件顶端的较小的楔形钢块的尖端正好接触到安装于万能试验机上方的较大的楔形钢块顶端的三角形凹槽中，暂停万能试验机；

(4)、然后在金属构件的形心截面处沿着固定于两端的长方形薄钢板的长边方向安装1个垂直于金属构件表面的位移传感器，用来测量预加载阶段金属构件形心截面处的侧向变形，在金属构件的形心截面处沿着固定于两端的长方形薄钢板的短边方向两侧表面分别布置4个电阻应变片，用来测量预加载阶段金属构件形心截面处的应变，并将位移传感器和电阻应变片分别连接数据采集仪；

(5)、重新开启万能试验机，对金属构件施加较小的初始荷载，通过数据采集仪记录下初始荷载P，位移传感器的读数δ和电阻应变片的读数ε₁、ε₂、ε₃、ε₄，其中ε₁和ε₂为金属构件形心截面处受拉一侧表面的拉应变，ε₃和ε₄为金属构件形心截面处受压一侧表面的压应变，则金属构件的初始偏心距为其中E为金属构件的弹性模量，I为金属构件形心截面沿着固定于两端的长方形薄钢板的短边方向的惯性矩，D为金属构件形心截面处受拉一侧和受压一侧电阻应变片之间的距离；

(6)、连续观察试验预加载阶段金属构件的初始偏心距e₀，如果其平均值接近于0，则说明外加荷载通过了金属构件的形心，没有产生任何的偏心弯矩；如果其平均值与0的差值较大，则说明外加荷载没有通过金属构件的形心，对金属构件产生了不可忽略的偏心弯矩，此时需要卸去初始荷载，重新调整固定于金属构件顶端和底端的较小楔形钢块相对于金属构件形心的位置，然后重复以上预加载的试验过程，直到金属构件的初始偏心距e₀的平均值接近于0为止，从而准确的对金属构件施加轴心压力。

本发明可以方便的与万能试验机连接在一起，准确有效的模拟铰接边界条件；并采用特定的试验方法对金属构件在试验初期的初始偏心距进行准确的估算，通过调整构件两端荷载作用点的位置保证外加荷载通过金属构件的形心，不产生任何的偏心弯矩，从而准确的对金属构件施加轴心压力。

附图说明

图1为本发明试验装置结构示意图。

图2为本发明试验方法示意图。

具体实施方式

如图1所示，铰接边界条件轴心受压金属构件试验装置，包括有位于上方的水平设置的正方形厚钢板1，及位于下方的水平设置的长方形薄钢板2，长方形薄钢板2平面尺寸大于正方形厚钢板1，正方形厚钢板1底面中间连接有较大的楔形钢块3，较大的楔形钢块3与正方形厚钢板1的轴线相重合，较大的楔形钢块3的顶端开有垂直向贯通的三角形凹槽4；长方形薄钢板2两侧沿长边方向各开有水平向贯通的长方形扁平凹槽5，长方形薄钢板2顶面中间连接有与长方形扁平凹槽5相垂直的较小的楔形钢块6，较小的楔形钢块6的截面形状与较大的楔形钢块3顶端的三角形凹槽4的截面形状相契合，但尺寸略大。

如图2所示，一种铰接边界条件轴心受压金属构件试验方法，包括以下步骤：

(1)、首先将一对试验装置的上部连接有较大楔形钢块的正方形厚钢板分别安装于万能试验机的上方和下方，采用激光投线仪使得安装于万能试验机上方和下方的较大楔形钢块的轴线相重合，然后将下部连接有较小的楔形钢块的长方形薄钢板与金属构件的两端固定在一起，使得较小的楔形钢块的轴线位于金属构件的截面形心处；

(2)、试验前，将连接有长方形薄钢板的金属构件放置于万能试验机上，使得固定于金属构件底端的较小的楔形钢块的尖端正好坐落在安装于万能试验机下方的较大的楔形钢块顶端的三角形凹槽中；

(3)、开启万能试验机，固定安装于万能试验机上方的较大的楔形钢块，缓慢升高安装于试验机下方的较大的楔形钢块，使得坐落于较大的楔形钢块顶端的三角形凹槽中的金属构件与安装于万能试验机上方的较大的楔形钢块逐渐靠拢，直到固定于金属构件顶端的较小的楔形钢块的尖端正好接触到安装于万能试验机上方的较大的楔形钢块顶端的三角形凹槽中，暂停万能试验机；

(4)、然后在金属构件的形心截面处沿着固定于两端的长方形薄钢板的长边方向安装1个垂直于金属构件表面的位移传感器，用来测量预加载阶段金属构件形心截面处的侧向变形，在金属构件的形心截面处沿着固定于两端的长方形薄钢板的短边方向两侧表面分别布置4个电阻应变片，用来测量预加载阶段金属构件形心截面处的应变，并将位移传感器和电阻应变片分别连接数据采集仪；

(5)、重新开启万能试验机，对金属构件施加较小的初始荷载，通过数据采集仪记录下初始荷载P，位移传感器的读数δ和电阻应变片的读数ε₁、ε₂、ε₃、ε₄，其中ε₁和ε₂为金属构件形心截面处受拉一侧表面的拉应变，ε₃和ε₄为金属构件形心截面处受压一侧表面的压应变，则金属构件的初始偏心距为其中E为金属构件的弹性模量，I为金属构件形心截面沿着固定于两端的长方形薄钢板的短边方向的惯性矩，D为金属构件形心截面处受拉一侧和受压一侧电阻应变片之间的距离；

(6)、连续观察试验预加载阶段金属构件的初始偏心距e₀，如果其平均值接近于0，则说明外加荷载通过了金属构件的形心，没有产生任何的偏心弯矩；如果其平均值与0的差值较大，则说明外加荷载没有通过金属构件的形心，对金属构件产生了不可忽略的偏心弯矩，此时需要卸去初始荷载，重新调整固定于金属构件顶端和底端的较小楔形钢块相对于金属构件形心的位置，然后重复以上预加载的试验过程，直到金属构件的初始偏心距e₀的平均值接近于0为止，从而准确的对金属构件施加轴心压力。

本发明中，试验装置上部较大楔形钢块顶端的三角形凹槽尺寸要适中，不能太大也不能太小，太大会限制下部较小楔形钢块的自由转动，影响铰接连接的转动性能；太小则会降低对下部较小楔形钢块的平动约束，同样会影响铰接连接的综合性能。

本发明中，试验装置下部长方形薄钢板两侧的长方形扁平凹槽的宽度与高强螺栓的常用尺寸相吻合，而长度则要适中，不能太长也不能太短，太长会削弱长方形薄钢板的整体承载力，可能导致其最终破坏，从而无法准确的对金属构件施加轴心压力；太短则限制了下部较小楔形钢块的移动范围，也无法适用于较大截面尺寸的金属构件，影响了试验装置的适用范围。

本发明中，试验装置下部较小的楔形钢块的截面形状与上部较大的楔形钢块顶端的三角形凹槽的截面形状相契合，但下部较小的楔形钢块的尺寸略大于上部较大的楔形钢块顶端的三角形凹槽的尺寸，且下部较小的楔形钢块的长度小于与之相垂直的长方形薄钢板两侧的长方形扁平凹槽之间的距离。

本发明中，安装于金属构件形心截面处的位移传感器的前端探头压入的长度应为其最大量程的一半，使得测量过程中位移传感器的前端探头既可以伸长也可以缩短，且伸长和缩短的距离都是其最大量程的一半，从而确保金属构件在预加载阶段无论向哪个方向侧移都能有效测量其形心截面处的侧向变形。

本发明中，安装于金属构件形心截面处两侧表面的电阻应变片应靠近形心截面的转角布置，尽可能的消除金属构件的局部屈曲带来的测量误差，但电阻应变片不宜直接布置在形心截面的转角处，否则无法准确测量预加载阶段金属构件形心截面处的拉压应变。同时，金属构件形心截面处两侧表面的电阻应变片应对称布置，尽可能的消除形心截面处应变不均匀分布带来的测量误差。

Claims (2)

1.铰接边界条件轴心受压金属构件试验装置，其特征在于：包括有位于上方的水平设置的正方形厚钢板，及位于下方的水平设置的长方形薄钢板，长方形薄钢板平面尺寸大于正方形厚钢板，所述正方形厚钢板底面中间连接有较大的楔形钢块，较大的楔形钢块与正方形厚钢板的轴线相重合，较大的楔形钢块的顶端开有垂直向贯通的三角形凹槽；所述长方形薄钢板两侧沿长边方向各开有水平向贯通的长方形扁平凹槽，长方形薄钢板顶面中间连接有与长方形扁平凹槽相垂直的较小的楔形钢块，较小的楔形钢块的截面形状与较大的楔形钢块顶端的三角形凹槽的截面形状相契合，但尺寸略大。

2.一种基于权利要求1所述试验装置的铰接边界条件轴心受压金属构件试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、首先将一对试验装置的上部连接有较大楔形钢块的正方形厚钢板分别安装于万能试验机的上方和下方，采用激光投线仪使得安装于万能试验机上方和下方的较大楔形钢块的轴线相重合，然后将下部连接有较小的楔形钢块的长方形薄钢板与金属构件的两端固定在一起，使得较小的楔形钢块的轴线位于金属构件的截面形心处；

(2)、试验前，将连接有长方形薄钢板的金属构件放置于万能试验机上，使得固定于金属构件底端的较小的楔形钢块的尖端正好坐落在安装于万能试验机下方的较大的楔形钢块顶端的三角形凹槽中；

(3)、开启万能试验机，固定安装于万能试验机上方的较大的楔形钢块，缓慢升高安装于试验机下方的较大的楔形钢块，使得坐落于较大的楔形钢块顶端的三角形凹槽中的金属构件与安装于万能试验机上方的较大的楔形钢块逐渐靠拢，直到固定于金属构件顶端的较小的楔形钢块的尖端正好接触到安装于万能试验机上方的较大的楔形钢块顶端的三角形凹槽中，暂停万能试验机；

(4)、然后在金属构件的形心截面处沿着固定于两端的长方形薄钢板的长边方向安装1个垂直于金属构件表面的位移传感器，用来测量预加载阶段金属构件形心截面处的侧向变形，在金属构件的形心截面处沿着固定于两端的长方形薄钢板的短边方向两侧表面分别布置4个电阻应变片，用来测量预加载阶段金属构件形心截面处的应变，并将位移传感器和电阻应变片分别连接数据采集仪；

(5)、重新开启万能试验机，对金属构件施加较小的初始荷载，通过数据采集仪记录下初始荷载P，位移传感器的读数δ和电阻应变片的读数ε₁、ε₂、ε₃、ε₄，其中ε₁和ε₂为金属构件形心截面处受拉一侧表面的拉应变，ε₃和ε₄为金属构件形心截面处受压一侧表面的压应变，则金属构件的初始偏心距为其中E为金属构件的弹性模量，I为金属构件形心截面沿着固定于两端的长方形薄钢板的短边方向的惯性矩，D为金属构件形心截面处受拉一侧和受压一侧电阻应变片之间的距离；

(6)、连续观察试验预加载阶段金属构件的初始偏心距e₀，如果其平均值接近于0，则说明外加荷载通过了金属构件的形心，没有产生任何的偏心弯矩；如果其平均值与0的差值较大，则说明外加荷载没有通过金属构件的形心，对金属构件产生了不可忽略的偏心弯矩，此时需要卸去初始荷载，重新调整固定于金属构件顶端和底端的较小楔形钢块相对于金属构件形心的位置，然后重复以上预加载的试验过程，直到金属构件的初始偏心距e₀的平均值接近于0为止，从而准确的对金属构件施加轴心压力。