CN104483046A - 一种新型测剪力装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型测剪力装置及测量方法，属于土木工程结构试验技术领域。该装置包括上连接板和下连接板；上连接板和下连接板之间通过多片可变形钢板或多根可变形钢柱连接；在任一可变形钢板上或任一可变形钢柱上安装一组剪力应变片。采用可变形钢板结构时，剪力应变片有4个，在竖直方向间隔分布并对称粘贴于可变形钢板的两侧，可以测量固定位置可变形钢板表面的单向应变。采用可变形钢柱结构时，剪力应变片有4个或8个，在竖直方向间隔分布并对称粘贴于可变形钢柱的两个相对面或四个面上，测量可变形钢柱表面的单向应变或双向应变。该测剪力装置具有较大吨位的测量能力，精度高，鲁棒性强，并具有双向测量能力。

Description

一种新型测剪力装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种新型测剪力装置及测量方法，属于土木工程结构试验技术领域。

背景技术

当今土木工程结构的试验体量越来越大，普通的测量装置量程已经无法满足结构试验的需要。结构试验中，常常需要考虑构件同时承受压力与剪力的性能，而现有的测量设备难以满足这一需求，因此开发新型的大量程剪力测量装置非常有必要。

发明内容

旨在一定程度上规避传统剪力测量装置的既有缺点，本发明提供了一种构造简单、加工方便、承载力大新型测剪力装置，能够在大幅度提高结构试验的效率。

本发明提供的测剪力装置包括如下方案：

该装置包括上连接板和下连接板；上连接板和下连接板之间通过多片可变形钢板或多根可变形钢柱连接；在任一可变形钢板上或任一可变形钢柱上安装一组剪力应变片。

所述可变形钢板或可变形钢柱采用强度较高的钢，保证其在工作状态下不屈服，例如Q345号以及Q345号以上的钢材。

所述多片可变形钢板平行排列，在试验过程中传递轴向荷载与单向剪切荷载，同时要求在试验过程中保持弹性。

所述多根可变形钢柱采用矩形阵列形式或等间距的阵列形式，在试验过程中传递轴向荷载与双向剪切荷载，同时要求在实验过程中保持弹性。

采用可变形钢板结构时，所述一组剪力应变片有4个，在竖直方向间隔分布并对称粘贴于可变形钢板的两侧，可以测量固定位置可变形钢板或钢柱表面的应变。

采用可变形钢柱结构时，所述一组剪力应变片有4个，在竖直方向间隔分布并对称粘贴于可变形钢柱的两个相对面上；或者一组剪力应变片有8个，在竖直方向间隔分布并对称粘贴于可变形钢柱的四个面上。

相对称的面上的4个所述应变片为一组，组成电桥结构，通过电桥测得应变变化量。

本发明提供的一种可变形钢板结构的测剪力装置的测量方法，具体为：可变形钢板下部的两个对称剪力应变片测得的应变分别为ε₁和ε₂，上部的两个对称剪力应变片测得的应变分别为ε₃和ε₄，且ε₁与ε₃同侧，ε₂与ε₄同侧，上部剪力应变片与下部剪力应变片的距离为h，可变形钢板的厚度为b，则所测剪力按照下式计算：

$F_l=\frac{\mathrm{nEa}{b}^3}{12}\frac{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4)}{2\mathrm{hb}},$

其中n为可变形钢板的数量，a为单个可变形钢板的宽度，E为可变形钢板的弹性模量。

本发明提供的一种可变形钢柱结构的测剪力装置的测量方法，具体为：剪力应变片有4个，在竖直方向间隔分布并对称粘贴于可变形钢柱的两个相对面上；下部的两个对称剪力应变片测得的应变分别为ε₁和ε₂，上部的两个对称剪力应变片测得的应变分别为ε₃和ε₄，且ε₁与ε₃同侧，ε₂与ε₄同侧，上部剪力应变片与下部剪力应变片的距离为h，可变形钢柱的截面为正方形，边长为s。所测剪力按照下式计算：

$F_t=\frac{\mathrm{nE}{s}^4}{12}\frac{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4)}{2\mathrm{hs}},$

其中n为可变形钢柱的数量，E为可变形钢柱的弹性模量；

剪力应变片为8个时，按上述方法测得两个方向的剪力值。

本发明具有如下优点：

(1)能够承受较大压力：传统剪力测量装置无法承受太大的轴向压力；本新型测量装置通过增加可变形钢板或钢柱的数量，使得其在较大轴压力下仍然保持弹性，并且剪力测量的精度不下降，能够扩展到更大的量程；同时，可变形钢板或可变形钢柱的位置可以灵活布置。

(2)双向测量能力：传统剪力测量装置只能测量一个方向的剪力。采用可变形钢柱的新型测量装置应变片对称布置，使其能同时测量两个方向的剪力，使得在整个平面内的剪力均可通过一个测量装置获得。

(3)生产工艺简单，鲁棒性强：传统测量装置不能承受较大震动，自身构造较为脆弱，在试件发生失效时，容易产生剧烈的震动，测量装置容易受到破坏。该测量装置鲁棒性强，在运输试验过程中不易发生破坏。构造简单，仅需简单焊接即可。

(4)本剪力测量装置也可以用于实际工程结构中支座承受剪力的测量。

附图说明

图1为本发明新型测剪力装置(单向测量—可变形钢板)的结构示意图。

图2为本发明新型测剪力装置的原理图(以单向测量的装置为例)。

图3为本发明新型测剪力装置(双向测量—可变形钢柱)的结构示意图。

图4为图3的横向剖面示意图。

图5为本发明新型测剪力装置安装在结构试验中的示意图。

图6为本发明新型测剪力装置安装在结构支座中的示意图。

图中标号：

1011-上连接板；1012-下连接板；1021-可变形钢板；1032-应变片；2-测剪力装置；3-水平动作器；4-试件；5-上部结构；6-结构支座。

具体实施方式

本发明提供了种新型测剪力装置及测量方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例一

测剪力装置的结构如图1所示，采用可变形钢板的结构形式。

多块相互平行排列的可变形钢板1021固定在上连接板1011和下连接板1012之间，固定方式可采用焊接，粘接，热配等；可变形钢板1021采用Q345号钢。在其中一块可变形钢板1021的两个侧面上，各粘贴2片应变片1032。同侧的2个应变片在竖直方向位置一致，对侧的2个应变片相对可变形钢板对称。

图2为该测剪力测量装置的原理图。以采用可变形钢板的单向测剪力装置为例为例，说明该阻尼器的工作原理。

假设下部的两个对称剪力应变片测得的应变分别为ε₁和ε₂，上部的两个对称剪力应变片测得的应变分别为ε₃和ε₄，且ε₁与ε₃同侧，ε₂与ε₄同侧；上下两个应变片之间的距离为h，可变形钢板的厚度为b，则所测横向剪力可按照下式计算：

$F_l=\frac{\mathrm{nEa}{b}^3}{12}\frac{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_3+{\mathrm{\ϵ}}_4)}{2\mathrm{hb}}$

其中n为可变型钢板的数量，a为单个可变形钢板的宽度，E为钢材的弹性模量。

实施例二

测剪力装置的结构如图3和图4所示，采用可变形钢柱的结构形式，用来进行双向的剪力测量。

多根可变形钢柱1022固定在上连接板1011和下连接板1012之间，按矩形阵列排列。可变形钢柱1022采用Q345号钢，其截面为正方形。在其中一根可变形钢柱1022的四个侧面上，各沿竖向粘贴2片应变片1032。可变形钢柱的两个相对面上的应变片位置相互对称。

以相对的两个面上的4个应变片为例，下部的两个对称剪力应变片测得的应变分别为ε₁和ε₂，上部的两个对称剪力应变片测得的应变分别为ε₃和ε₄，且ε₁与ε₃同侧，ε₂与ε₄同侧；上下两个应变片之间的距离为h，可变形钢柱的截面边长为s，其剪力可按下式计算：

$F_t=\frac{\mathrm{nE}{s}^4}{12}\frac{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_3+{\mathrm{\ϵ}}_4)}{2\mathrm{hs}};$

另一个方向的剪力以可变形钢柱的另两个面上的应变片测量的结果为基准，按上述公式进行计算。

上述两个实施例中的应变片数量可以根据需要设置为任意偶数个，位置保持对称即可。4个应变片时，测量结果已经较为精确，可以满足需要，并且成本效率较高，应变片的应变值可以单独测量，也可以将相对称的面上的4个应变片编为一组，组成电桥结构，通过电桥测得应变变化量。4个以上的应变片时，测量精度更高，但成本和效率降低，计算方法也比较复杂，可以在某些特定场合选用。

极限测量情况时，可以采用2个对称分布的应变片，此时的测量精度会稍低，仍以可变形钢柱结构为例，采用2个应变片式，其剪力公式为：其中，Δh为应变片到可变形钢柱高度中心位置的距离。

图5表示了该测剪力装置的一种应用途径。该测剪力装置2安装在轴向作动器下方，与试件4相连。该测剪力装置2可以精确测量由于竖向作动器带来的摩擦力。水平作动器3直接对试件4施加水平荷载。水平作动器3返回的力减去该测剪力装置2测到的力，即为试件4中真实承受的剪力。

图6表示了该测剪力装置的另一种应用途径。该测剪力装置2安装在上部结构5的下面，下端连接结构支座6。水平作动器通过一个连接件给隔震垫施加水平力。该剪力测量装置可以较好地测量竖向作动器中的摩擦力。

Claims (9)

1.一种新型测剪力装置，包括上连接板(1011)和下连接板(1012)，其特征在于，上连接板(1011)和下连接板(1012)之间通过多片可变形钢板(1021)或多根可变形钢柱(1022)连接；在任一可变形钢板(1021)上或任一可变形钢柱(1022)上安装一组剪力应变片。

2.根据权利要求1所述的新型测剪力装置，其特征在于，所述可变形钢板(1021)或可变形钢柱(1022)采用Q345号以上钢。

3.根据权利要求1所述的新型测剪力装置，其特征在于，所述多片可变形钢板(1021)采用平行排列。

4.根据权利要求1所述的新型测剪力装置，其特征在于，所述多根可变形钢柱(1022)采用矩形阵列形式或等间距的阵列形式。

5.根据权利要求1所述的新型测剪力装置，其特征在于，采用可变形钢板(1021)结构时，所述一组剪力应变片有4个，在竖直方向间隔分布并对称粘贴于可变形钢板(1021)的两侧。

6.根据权利要求1所述的新型测剪力装置，其特征在于，采用可变形钢柱(1022)结构时，所述一组剪力应变片有4个，在竖直方向间隔分布并对称粘贴于可变形钢柱(1022)的两个相对面上，用来测量单向剪力；或者一组剪力应变片有8个，在竖直方向间隔分布并对称粘贴于可变形钢柱(1022)的四个面上，用来测量双向剪力。

7.根据权利要求5或6所述的新型测剪力装置，其特征在于，相对称的面上的4个所述应变片为一组，组成电桥结构，通过电桥测得应变变化量。

8.一种基于权利要求5所述测剪力装置的测量方法，其特征在于，可变形钢板(1021)下部的两个对称剪力应变片测得的应变分别为ε₁和ε₂，上部的两个对称剪力应变片测得的应变分别为ε₃和ε₄，且ε₁与ε₃同侧，ε₂与ε₄同侧，上部剪力应变片与下部剪力应变片的距离为h，可变形钢板(1021)的厚度为b，则所测剪力按照下式计算：

$F_l=\frac{\mathrm{nEa}{b}^3}{12}\frac{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4)}{2\mathrm{hb}},$

其中n为可变形钢板(1021)的数量，a为单个可变形钢板(1021)的宽度，E为可变形钢板(1021)的弹性模量。

9.一种基于权利要求6所述测剪力装置的测量方法，其特征在于，剪力应变片有4个，在竖直方向间隔分布并对称粘贴于可变形钢柱(1022)的两个相对面上；下部的两个对称剪力应变片测得的应变分别为ε₁和ε₂，上部的两个对称剪力应变片测得的应变分别为ε₃和ε₄，且ε₁与ε₃同侧，ε₂与ε₄同侧，上部剪力应变片与下部剪力应变片的距离为h，可变形钢柱(1022)的截面为正方形，边长为s。所测剪力按照下式计算：

$F_t=\frac{\mathrm{nE}{s}^4}{12}\frac{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4)}{2\mathrm{hs}},$

其中n为可变形钢柱(1022)的数量，E为可变形钢柱(1022)的弹性模量；

剪力应变片为8个时，按上述方法测得两个方向的剪力值。