CN105092222A - 一种钢梁整体稳定承载力试验的加载装置 - Google Patents
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Abstract
一种钢梁整体稳定承载力试验的加载装置:包括四连杆机构、过渡装置、千斤顶、加载框、力传感器加载球铰。所述四连杆机构包括地梁、斜杆和三角形刚体；所述过渡装置与所述四连杆机构与千斤顶连接，将千斤顶的荷载传递给四连杆机构。所述加载框为金属制成的矩形框。所述加载球铰由一个凹球面和一个凸球面组成。本发明的有益效果在于能很好的模拟无侧向约束钢梁整体稳定试验中，加载点处钢梁的约束情况，使试验结果更加准确。具体来讲，本发明通过四连杆机构的侧向变形释放对钢梁侧向位移的约束，并保持荷载竖直向下；通过加载球铰中凹球面与凸球面之间的相对转动释放对钢梁扭转约束。
Description
技术领域
本发明涉及钢结构技术领域，特别涉及一种跨中单点加载作用下钢梁整体稳定承载力试验的加载装置。
背景技术
钢结构具有良好、丰富的建筑艺术表现力，受到建筑师们的普遍青睐；钢结构所使用的钢材具有强度高、塑性韧性好、抗震性能优的特点，可以减小构件截面，降低结构重量；钢结构更便于实现工业化生产，材料又可回收利用，被认为是一种环保、节能的结构体系。国内外一系列大型钢结构工程的应用，推动了钢结构学科的快速发展。
钢梁作为钢结构体系中一种重要的结构构件，在横向荷载作用下，其极限承载力往往由整体稳定控制，钢梁的整体稳定承载力的试验研究成为结构工程中最具活力的研究方向之一。
对于如图1所示跨中有一个集中荷载作用的简支梁，其整体失稳后的变形如图1中的虚线所示。图2为荷载作用点处梁截面的变形示意图，图2(b)中虚线部分为失稳前的截面，从图2可以，梁整体失稳后，截面将发生侧向位移并伴随扭转，所施加的荷载要随截面侧向移动，但方向仍然保持垂直。换言之，试验用的加载装置不允许对试验梁的侧向位移及扭转产生约束，这使得此类试验变得十分困难。
传统的钢梁整体稳定试验有千斤顶加载和吊挂加载两种方案。
千斤顶加载方案具有以下缺点：①压紧后的千斤顶具有较大的侧向刚度，对钢梁的侧向弯曲具有较强的约束；②千斤顶上的球铰转动刚度较大，对钢梁的扭转产生约束。以上缺点导致试验结果不准确。
吊挂加载方案具有以下缺点：①仅适用于荷载较小的钢梁试验，当钢梁的稳定极限荷载较大时很难解决吊挂重物的问题；②梁整体失稳时，吊挂重物会突然掉落，对施加荷载的人员造成安全隐患。
发明内容
本发明的目的是解决钢梁整体稳定试验研究中加载装置存在的问题，提供一种能安全、可靠、能适应钢梁侧向位移和扭转变形的加载装置。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种钢梁整体稳定承载力试验的加载装置，其特征在于：包括四连杆机构、过渡装置、拉力千斤顶、加载框、力传感器、加载球铰、试验钢梁。
所述四连杆机构包括锚固于地面上的地梁、斜杆和三角形刚体：
所述地梁通过地锚栓固定于地面，其长度方向与所述试验钢梁垂直，上表面焊接有4个连接耳板，耳板与所述地梁长度方向平行；所述三角形刚体为钢板焊接组合而成的空心刚体，位于两侧的钢板上分别有三个孔洞，顶部两个用于连接斜杆，底部孔洞用于连接过渡装置；所述斜杆为钢连杆，下端通过销钉分别铰接于所述地梁上部的耳板，上端通过销钉铰接于所述三角形刚体侧板上部圆孔。
所述过渡装置包含一槽型金属件和两个滚子轴承，槽型金属件顶部焊接一螺杆，用于连接所述拉力千斤顶，槽型金属件的两个侧板开圆孔，所述滚子轴承安装于槽型金属件的侧板圆孔内。
所述拉力千斤顶用于施加竖向荷载，下部与所述过渡装置连接，上部与所述加载框下横梁上的耳板连接。
所述加载框为金属制成的矩形框，包括上下横梁与左右立柱，，下横梁上焊接耳板，用于连接所述拉力千斤顶。
所述试验钢梁穿过加载框的中部。
所述力传感器位于所述加载框上横梁与所述加载球铰之间，通过连接螺杆与所述加载框上横梁连接，用于测量施加到所述试验钢梁上的荷载。
所述加载球铰由放置于所述试验钢梁上表面的凹球面和固定于所述加载框上横梁，位于所述力传感器下方的凸球面组成：
所述凹球面为下表面水平，上表面具有球窝的金属圆块；所述凸球面是连接于钢板上具有球头的金属短柱，通过连接螺杆与所述加载框上横梁连接。
进一步，除加载点采用本发明的装置加载外，所述试验钢梁的两端被固定在支座上。定义钢梁的长度方向为z轴，与之垂直的水平方向为x轴，垂直于xoy面的轴为y轴。位于钢梁的两端的支座应符合夹支条件，即两端支座能约束钢梁绕z轴扭转和沿x、y轴方向的移动，但不能约束钢梁沿x、y轴的转动及沿z轴的移动。
进一步，所述三角形刚体由两侧侧板与连接钢板焊接而成的空心刚体，两侧板之间的距离略大于过渡装置宽度。
进一步，所述斜杆与所述地梁耳板、三角形刚体之间的连接采用销轴连接，间隙配合。
进一步，所述拉力千斤顶通过过渡装置与所述四连杆机构中的三角形刚体上的。
进一步，所述拉力千斤顶上端是通过销轴与所述加载框下横梁上的耳板连接。
进一步，所述加载球铰的凸球面直径略小于凹球面直径，之间涂油膏以减小两者之间的摩擦力。
进一步，安装时，所述加载球铰的凹球面放置与所述试验钢梁上表面的中点，其轴线与凸球面、力传感器、拉力千斤顶的轴线重合。
本加载装置发明的有益效果是：
1.所述试验钢梁侧向位移时，所述四连杆结构发生侧向变形，拉力千斤顶跟随所述四连杆机构发生水平位移，并保持竖直，释放加载装置对钢梁侧向位移的约束；
2.所述试验钢梁发生扭转时，所述加载球铰的凹球面与凸球面之间发生转动，释放加载装置对所述试验钢梁扭转的约束；
3.调整所述加载球铰凹球面及凸球面的直径，该装置可用于不同规格钢梁整体稳定性能的试验，特别是承载力较大的钢梁；
4.本套加载装置能适应不同截面形式、规格的试验钢梁，且可以重复利用，减小试验成本。
附图说明
图1是钢梁整体失稳后的变形示意图
图2荷载作用点处梁截面的变形示意图
图3是钢梁失稳前加载装置示意图；
图4是钢梁变形后加载装置示意图；
图5是球铰转动示意图
图6是加载装置透视图
图中：四连杆结构10、地梁11、斜杆12、三角形刚体13、过渡装置20、拉力千斤顶30、加载框40、力传感器50、加载球铰60、试验钢梁70、连接螺杆80。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
参见图3～图6，一种钢梁整体稳定承载力试验的加载装置，其特征在于：包括四连杆机构10、过渡装置20、拉力千斤顶30、加载框40、力传感器50、加载球铰60、试验钢梁70。
所述四连杆机构10包括锚固于地面上的地梁11、斜杆12和三角形刚体13：
所述地梁11通过地锚栓固定于地面，其长度方向与所述试验钢梁70垂直，上表面焊接有4个连接耳板，耳板与所述地梁11长度方向平行；所述三角形刚体13为钢板焊接组合而成的空心刚体，位于两侧的钢板上分别有三个孔洞，顶部两个用于连接斜杆12，底部孔洞用于连接过渡装置20；所述斜杆12为钢连杆，下端通过销钉分别铰接于所述地梁11上部的耳板，上端通过销钉铰接于所述三角形刚体13侧板上部圆孔。
所述过渡装置20包含一槽型金属件和两个滚子轴承，槽型金属件顶部焊接一螺杆，用于连接所述拉力千斤顶30，槽型金属件的两个侧板开圆孔，所述滚子轴承安装于槽型金属件的侧板圆孔内。
所述拉力千斤顶30用于施加竖向荷载，下部与所述过渡装置20连接，上部与所述加载框40下横梁上的耳板连接。
所述加载框40为金属制成的矩形框，包括上下横梁与左右立柱，，下横梁上焊接耳板，用于连接所述拉力千斤顶30。
所述试验钢梁70穿过加载框的中部。
所述力传感器50位于所述加载框40上横梁与所述加载球铰60之间，通过连接螺杆80与所述加载框40上横梁连接，用于测量施加到所述试验钢梁70上的荷载。
所述加载球铰60由放置于所述试验钢梁上表面的凹球面和固定于所述加载框40上横梁，位于所述力传感器50下方的凸球面组成：
所述凹球面为下表面水平，上表面具有球窝的金属圆块；所述凸球面是连接于钢板上具有球头的金属短柱，通过连接螺杆80与所述加载框40上横梁连接。
工作原理
参见图2，当梁整体失稳时，加载点处截面要发生侧向移动及扭转，试验的加载装置必须能适应这种变形，同时保证所施加的荷载竖直向下。
本发明设计了一个四连杆机构10，如图3所示，所述实验钢梁70失稳前，所述加载球铰60、力传感器50、拉力千斤顶30、四连杆机构11的轴线重合，所述斜杆12轴线延长线交点位于所述拉力千斤顶30轴线上，所述拉力千斤顶30竖直向下。当所述实验钢梁70整体失稳发生侧移时，如图4所示，所述实验钢梁70带动所述加载框40和所述拉力千斤顶30侧向位移，所述四连杆机构10的各杆件发生相对转动，以适应所述加载框40的侧移。同时，所述斜杆12轴线线延长线交点依然位于所述拉力千斤顶30轴线上，但位置发生变化，所述拉力千斤顶30轴线发生倾斜，但当所述四连杆机构10各杆件及所述三角形刚体13的几何尺寸选择适当时，所述拉力千斤顶30轴线会发生倾斜角极小，从而保证荷载竖直向下。
本发明还设计了一个加载球铰60，其工作原理如图6，当所述实验钢梁70整体失稳而发生扭转时，所述加载球铰60的凸球面与凹球面发生相对转动，由于凸球面半径略小于凹球面，接触面积小，且凹球面内涂油脂，使得凸球面与凹球面之间的转动刚度极小，从而释放了对所述试验钢梁70的扭转约束。
Claims (6)
1.一种钢梁整体稳定承载力试验的加载装置，其特征在于：包括四连杆机构(10)、过渡装置(20)、拉力千斤顶(30)、加载框(40)、力传感器(50)、加载球铰(60)、试验钢梁(70)。
所述四连杆机构(10)包括锚固于地面上的地梁(11)、斜杆(12)和三角形刚体(13)：
所述地梁(11)通过地锚栓固定于地面，其长度方向与所述试验钢梁(70)垂直，上表面焊接有4个连接耳板，耳板与所述地梁(11)长度方向平行；所述三角形刚体(13)为钢板焊接组合而成的空心刚体，位于两侧的钢板上分别有三个孔洞，顶部两个用于连接斜杆(12)，底部孔洞用于连接过渡装置(20)；所述斜杆(12)为钢连杆，下端通过销钉分别铰接于所述地梁(11)上部的耳板，上端通过销钉铰接于所述三角形刚体(13)侧板上部圆孔。
所述过渡装置(20)包含一槽型金属件和两个滚子轴承，槽型金属件顶部焊接一螺杆，用于连接所述拉力千斤顶(30)，槽型金属件的两个侧板开圆孔，所述滚子轴承安装于槽型金属件的侧板圆孔内。
所述拉力千斤顶(30)用于施加竖向荷载，下部与所述过渡装置(20)连接，上部与所述加载框(40)下横梁上的耳板连接。
所述加载框(40)为金属制成的矩形框，包括上下横梁与左右立柱，，下横梁上焊接耳板，用于连接所述拉力千斤顶(30)。
所述试验钢梁(70)穿过加载框的中部。
所述力传感器(50)位于所述加载框(40)上横梁与所述加载球铰(60)之间，通过连接螺杆(80)与所述加载框(40)上横梁连接，用于测量施加到所述试验钢梁(70)上的荷载。
所述加载球铰(60)由放置于所述试验钢梁上表面的凹球面和固定于所述加载框(40)上横梁，位于所述力传感器(50)下方的凸球面组成：
所述凹球面为下表面水平，上表面具有球窝的金属圆块；所述凸球面是连接于钢板上具有球头的金属短柱，通过连接螺杆(80)与所述加载框(40)上横梁连接。
2.根据权利要求1所述的一种钢梁整体稳定承载力试验的加载装置，其特征在于：所述三角形刚体(13)由两侧侧板与连接钢板焊接而成的空心刚体，两侧板之间的距离略大于所述过渡装置(20)宽度。
3.根据权利要求1所述的一种钢梁整体稳定承载力试验的加载装置，其特征在于：所述斜杆(12)与所述地梁(11)耳板、三角形刚体(13)之间的连接采用销轴连接，间隙配合。
4.根据权利要求1所述的一种钢梁整体稳定承载力试验的加载装置，其特征在于：所述拉力千斤顶(30)通过所述过渡装置(20)与所述四连杆机构(10)中的三角形刚体(13)上的。
5.根据权利要求1所述的一种钢梁整体稳定承载力试验的加载装置，其特征在于：所述拉力千斤顶(30)上端是通过销轴与所述加载框(40)下横梁上的耳板连接。
6.根据权利要求1所述的一种钢梁整体稳定承载力试验的加载装置，其特征在于：所述加载球铰(60)的凸球面直径略小于凹球面直径。
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