CN105424483B - 一种防屈曲支撑自平衡竖向加载试验系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种防屈曲支撑自平衡竖向加载试验系统，包括基座，竖立在基座上的加载立柱，加载立柱顶部固定有加载顶梁，所述基座、所述加载立柱和加载顶梁组成自平衡加载框架，还包括在所述加载立柱上竖直运动的移动横梁，加载立柱上设置有将移动横梁固定到立柱特定位置的锁紧机构，所述底座上安装有加载平台，所述加载平台与固定到基座的竖向作动器连接，所述移动横梁和所述加载平台之间安装有加载调节装置和与之相连的加载作动器，该系统采用竖向加载方式，可适用于不同高度的防屈曲支撑试件试验，操作方便，试验精度高。

Description

一种防屈曲支撑自平衡竖向加载试验系统及其方法

技术领域

本发明属于试验设备技术领域，涉及一种加载试验系统，尤其涉及一种用于防屈曲支撑试件竖向加载的试验系统及其方法。

背景技术

防屈曲支撑的性能试验系指在单轴往复轴向荷载作用下，获得防屈曲支撑的承载能力、耗能能力、消能段的屈服机制、延性性能（屈强比）等相关数据，从而为结构抗震设计提供重要参考依据。

比较简单的防屈曲支撑性能试验的加载系统一般由钢架配合电液伺服加载设备搭建而成。对于竖向加载的防屈曲性能试验，一般搭建门式钢架，钢架的底脚使用高强螺栓紧固在基础底板上，钢架顶梁上安装液压伺服加载设备，防屈曲支撑一端和该液压伺服加载设备相连接，另一端固定在基础底板上。

在长柱试验机上进行的防屈曲支撑性能试验，由于受到加载设备的限制，试件长度不会特别长。而且长柱试验机一般是自平衡的结构形式，其试验空间是封闭的，安装试件的过程、拆卸工作会很困难。

有部分科研机构使用水平加载的防屈曲支撑试验系统，这类试验系统虽然能够使试件的安装比较方便。但对于长度较长、自重较大的防屈曲支撑，如果将试件水平放置，试件的自重会使其产生很大的挠度、轴向承载能力降低，试验结果不能反映试件的性能。

综上所述，提供一种安装方便、试验效率高、试验空间大、可竖直放置试件的试验系统对于长度较大的防屈曲支撑试件进行竖向加载试验具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种防屈曲支撑自平衡竖向加载试验系统，以解决现有技术中大型试件不能竖向放置，不能适应不同长度试件，试件安装拆卸困难，试验效率低，误差大的问题。

一种防屈曲支撑自平衡竖向加载试验系统，包括基座，竖立在基座上的加载立柱，加载立柱顶部设置有加载顶梁，所述基座、所述加载立柱和加载顶梁组成自平衡加载框架。此外，还包括在所述加载立柱上竖直运动的移动横梁，加载立柱上设置有将移动横梁固定到立柱特定位置的锁紧机构，所述基座上安装有加载平台，所述加载平台底面与固定到基座的竖向作动器连接，所述移动横梁和所述加载平台之间安装有加载调节装置和与之相连的加载作动器。

进一步地，所述加载调节装置具有螺纹套筒的结构，其内部为中心螺杆，所述中心螺杆头部旋入上部套筒的内螺纹中，所述中心螺杆尾部旋入调节套筒的内螺纹中，所述调节套筒底部安装在下部套筒内并通过止推轴承在其中转动；所述调节套筒外缘套挂有与之过盈配合的第一齿轮，所述第一齿轮与安装在第二齿轮安装座上的第二齿轮啮合，所述第二齿轮与步进电机相连并由其驱动，所述第二齿轮安装座与下部套筒固定连接。

进一步地，所述加载作动器为液压伺服作动器；所述竖向作动器为静压支承型作动器，共有6个，每个作动器可施加的最大荷载为1800吨，作动器最大行程250mm，竖向作动器上安装有力传感器和位移传感器。

进一步地，所述移动横梁与加载顶梁之间设置有提升机构以驱动移动横梁在竖直方向运动，所述提升机构的本体固定在加载顶梁上，其输出端与移动横梁相连；所述加载平台侧面连接有3组驱动其水平运动的水平作动器，其中，所述加载平台x方向两侧各布置一组，所述加载平台y方向单侧布置一组；所述加载平台两侧连接有驱动其水平运动的水平作动器；所述加载立柱上安装有位移传感器。

进一步地，所述提升机构由4组液压伺服作动器构成，每个作动器可施加的最大拉力荷载为450吨，提升机构可施加的最大提升力为1800吨,提升机构安装在所述加载顶梁的4个边角部位。

进一步地，所述水平作动器为液压伺服作动器，共有2个，最大行程1500mm。

进一步地，所述移动横梁上开有容纳螺杆从中穿过的通孔，从而通过螺杆和螺母分别将第一垫板和第二垫板固定在移动横梁上，所述加载调节装置和防屈曲支撑试件分别安装到第一垫板和第二垫板上，所述加载调节装置与加载作动器之间通过第三垫板连接，所述加载作动器底部通过第四垫板固定到加载平台。

可选地，所述螺母与移动横梁之间设置有螺母垫板。

一种防屈曲支撑自平衡竖向加载试验系统进行试验的方法，包括以下步骤：

（1）根据防屈曲支撑试件的高度驱动步进电机转动，从而使加载调节装置的调节套筒与中心螺杆发生相对转动，实现加载调节装置高度的调整变化；

（2）启动提升机构将移动横梁下降，将螺杆穿过移动横梁上的通孔以及第一垫板和第二垫板的通孔，并用螺母将第一垫板和第二垫板锁紧在移动横梁上；

（3）提升机构将移动横梁提升到最高位置，促动水平作动器运动以使得加载平台水平移出；

（4）将所述防屈曲支撑试件、加载作动器以及加载调节装置放置到加载平台上；将加载平台由水平作动器驱动回到初始位置；

（5）启动提升机构将移动横梁下降，直至移动横梁下表面与所述防屈曲支撑试件以及加载调节装置的上表面接触，将所述防屈曲支撑试件顶部和底部分别通过螺纹连接固定到被分别锁紧到移动横梁的第一垫板和加载平台的第四垫板，所述加载调节装置顶部连接到第二垫板，所述加载调节装置与加载作动器通过第三垫板螺纹连接，所述加载作动器底部通过螺纹连接固定到紧固到加载平台的第四垫板。

（6）在每个所述加载立柱的下部安装位移传感器，位移传感器量测加载平台的竖向位移，启动加载作动器在竖直方向运动，从而对防屈曲支撑试件施加轴向拉、压载荷，同时所述竖向作动器跟随加载作动器做协同竖直运动以维持加载框架自平衡状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）试验空间大，适应高度较高的防屈曲支撑试件试验需求；

（2）竖直放置试件及加载，避免了水平放置由于自重等其它因素影响试验精度；

（3）采用加载调节系统，可适应不同高度防屈曲支撑试件的安装和试样需求；

（4）采用水平作动器驱动加载平台进出立柱空间，方便对试件进行安装和拆卸。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的防屈曲支撑自平衡竖向加载系统主视图；

图2为图1中防屈曲支撑自平衡竖向加载系统A-A剖视图；

图3为加载调节装置主视图；

图4为加载调节装置附视图。

附图标记：1-加载顶梁、2－提升机构、3－移动横梁、4－锁紧机构、5－加载立柱、6－加载平台、7-竖向作动器、8-水平作动器、8A-y向水平作动器、8B-x向水平作动器、9-基座、10-螺杆、11-螺母、12-螺母垫板、13-第一垫板、14-第二垫板、15-加载调节装置、16-第三垫板、17-加载作动器、18-第四垫板、19-防屈曲支撑试件、20-位移传感器、21-第五垫板、151-上部套筒、152-第二齿轮安装座、153-中心螺杆、154-调节套筒、155-第一齿轮、156-第二齿轮、157-下部套筒、158-止推轴承、159-步进电机。

具体实施方式

参考图1和图2，防屈曲支撑自平衡竖向加载试验系统包括基座9，竖立在基座上的加载立柱5，加载立柱顶部固定有加载顶梁1，所述基座9、所述加载立柱5和加载顶梁1组成自平衡加载框架。此外，还设置有在所述加载立柱上竖直运动的移动横梁3，当移动横梁移动到加载立柱上的特定位置，锁紧机构4可将其与加载立柱锁紧固定。所述基座9上安装有加载平台6，竖向作动器7底部固定到基座，其加载端与加载平台底面连接，可驱动加载平台在竖直方向运动。所述防屈曲支撑试件两端分别固定到移动横梁3和加载平台6，而所述移动横梁3和所述加载平台6之间安装固定有加载调节装置15和与之相连的加载作动器17，当所述加载作动器伸出或回缩，相应的防屈曲支撑试件被施加轴向拉伸或压缩载荷，加载立柱5上安装的位移传感器20可测得试件的变形量以及加载平台6的竖向位移。

参考图3和图4，为了适应不同高度的防屈曲支撑试件，加载调节装置15可根据试件高度不同调整其自身的高度，其具有螺纹套筒的结构，内部为中心螺杆153，所述中心螺杆头部旋入上部套筒151的内螺纹中，所述中心螺杆尾部旋入调节套筒154的内螺纹中，所述调节套筒底部安装在下部套筒157内并通过轴承158在其中转动，所述调节套筒外缘套挂有与之过盈配合的第一齿轮155，所述第一齿轮与安装在第二齿轮安装座152上的第二齿轮156啮合，所述第二齿轮与步进电机159相连并由其驱动，所述第二齿轮安装座152与下部套筒157固定连接。需要对加载调节装置进行高度调整时，驱动步进电机159转动，与之相连的第二齿轮156一同转动，从而带动与第二齿轮啮合的第一齿轮155随之转动，由于第一齿轮内圈与调节套筒154外圈是过盈配合，则调节套筒154也转动，而上部套筒151和下部套筒157分别是固定到移动横梁和加载作动器17，不发生转动。因此，调节套筒154与中心螺杆153发生相对转动，中心螺杆在调节套筒154的内螺纹中进行螺旋转动导致其与调节套筒154相对位置发生变化，从而实现加载调节装置高度的变化，一直驱动步进电机159转动以至将加载调节装置15高度调整到试验所需的高度。

本发明的一种实施例中，所述加载作动器17可为液压伺服作动器；所述竖向作动器7可为静压支承型作动器，共有6个，每个作动器可施加的最大荷载为1800吨，作动器最大行程250mm，竖向作动器7上安装有力传感器和位移传感器。

继续参考图1，所述移动横梁3与加载顶梁1之间设置有提升机构2以驱动移动横梁在竖直方向运动，所述提升机构的本体固定在加载顶梁1上，其加载端与移动横梁3相连，通过调节其加载端的伸出和回缩从而实现动横梁3在竖直方向的上下运动。

参考图2，所述加载平台6侧面连接有3组驱动其水平运动的水平作动器8，其中，所述加载平台6的x方向两侧各布置一组如图2中8B所示的x向水平作动器，所述加载平台6的y方向单侧布置一组如图2中8A所示的y向水平作动器，即在加载平台6的y向有一侧没有布置水平作动器，从而在该侧两个立柱之间划定了一条进出通道，以使得加载平台可沿该通道方向移进移出；可选地，所述水平作动器8为液压伺服作动器，共有2个，最大行程1500mm，即水平作动器可将加载平台移动1.5m，将其推出立柱外，以便安装防屈曲支撑试样19、加载作动器17以及加载调节装置。

特别地，所述防屈曲支撑试件19应当安装在移动横梁3及加载平台6的几何中心，以避免偏载；所述加载立柱5上安装有位移传感器20，优选地，所述位移传感器20为精度较高的磁致伸缩型位移传感器，其分别安装在四个加载立柱5的底部，竖向布置，其所测得的竖向位移即为防屈曲支撑试件的竖向形变量，当试验采用位移控制的加载模式时，所述竖向位移为所需的位移控制参量。

参考图1，本发明一种实施例中所述提升机构2由4组液压伺服作动器构成，每个作动器可施加的最大拉力荷载为450吨，提升机构可施加的最大提升力为1800吨,提升机构2安装在所述加载顶梁1的4个边角部位。

进一步地，所述移动横梁3上开有容纳螺杆10从中穿过的通孔，从而通过螺杆10和螺母11分别将第一垫板13和第二垫板14固定在移动横梁3上，所述加载调节装置15顶面和防屈曲支撑试件19顶面分别安装到第一垫板和第二垫板上，所述加载调节装置15底面与加载作动器17顶面之间通过第三垫板16连接，所述加载作动器17底面通过第四垫板18固定到加载平台6。

作为一种优选实施例，所述螺母11与移动横梁3之间可设置有螺母垫板12，以避免螺母11直接固定到移动横梁3导致接触面积太小，锁紧力小且安装不便的问题。

一种防屈曲支撑自平衡竖向加载试验系统进行试验的方法，包括以下步骤：

（1）根据防屈曲支撑试件19的高度驱动步进电机159转动，从而使加载调节装置的调节套筒154与中心螺杆153发生相对转动，实现加载调节装置15高度的调整变化；

（2）启动提升机构2将移动横梁3下降，将螺杆10穿过移动横梁3上的通孔以及第一垫板13和第二垫板14的通孔，并用螺母11将第一垫板13和第二垫板14锁紧在移动横梁3上；

（3）提升机构2将移动横梁3提升到最高位置，促动水平作动器8运动以使得加载平台6水平移出加载立柱5外；

（4）将所述防屈曲支撑试件19、加载作动器17以及加载调节装置15安装到加载平台6上；将加载平台6由水平作动器8驱动回到初始位置；

（5）启动提升机构2将移动横梁3下降，直至移动横梁3下表面与所述防屈曲支撑试件19以及加载调节装置15的上表面接触，将所述防屈曲支撑试件19顶部和底部分别通过螺纹连接固定到被分别锁紧到移动横梁和加载底座的第一垫板13，所述加载调节装置15顶部连接到第二垫板14，所述加载调节装置15与加载作动器17通过第三垫板16螺纹连接，所述加载作动器17底部通过螺纹连接紧固在加载平台6的第四垫板18上。

（6）在每个所述加载立柱5的下部安装位移传感器20，位移传感器量测加载平台的竖向位移，启动加载作动器17在竖直方向运动，从而对防屈曲支撑试件19施加轴向拉、压载荷，同时所述竖向作动器7跟随加载平台6做竖直运动，其上升或下降的动作与加载作动器17协同，从而维持加载框架自平衡状态。

以上所述的实例仅仅是对发明的防屈曲支撑自平衡竖向加载系统实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种防屈曲支撑自平衡竖向加载试验系统，包括基座（9），竖立在基座上的加载立柱（5），加载立柱顶部固定有加载顶梁（1），所述基座（9）、所述加载立柱（5）和加载顶梁（1）组成自平衡加载框架，其特征在于，还包括在所述加载立柱上竖直运动的移动横梁（3）；加载立柱上设置有将移动横梁（3）固定到立柱特定位置的锁紧机构（4）；所述基座上安装有加载平台（6），所述加载平台底面与固定到基座的竖向作动器（7）连接；所述移动横梁（3）和所述加载平台（6）之间安装有加载调节装置（15）和与之相连的加载作动器（17）；所述移动横梁（3）与加载顶梁（1）之间设置有提升机构（2）以驱动移动横梁（3）在竖直方向运动，所述提升机构（2）的本体固定在加载顶梁（1）上，其输出端与移动横梁相连；所述加载平台（6）侧面连接有3组驱动其水平运动的水平作动器（8），其中，所述加载平台（6）x方向两侧各布置一组，所述加载平台（6）y方向单侧布置一组；所述加载立柱（5）上安装有位移传感器（20）。

2.根据权利要求1所述的防屈曲支撑自平衡竖向加载试验系统，其特征在于，所述加载调节装置（15）具有螺纹套筒的结构，其内部为中心螺杆（153），所述中心螺杆头部旋入上部套筒（151）的内螺纹中，所述中心螺杆尾部旋入调节套筒（154）的内螺纹中，所述调节套筒底部安装在下部套筒（157）内并通过止推轴承（158）在其中转动；所述调节套筒（154）外缘套挂有与之过盈配合的第一齿轮（155），所述第一齿轮（155）与安装在第二齿轮安装座（152）上的第二齿轮（156）啮合，所述第二齿轮与步进电机（159）相连并由其驱动，所述第二齿轮安装座（152）与下部套筒（157）固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的防屈曲支撑自平衡竖向加载试验系统，其特征在于，所述加载作动器（17）为液压伺服作动器；所述竖向作动器（7）为静压支承型作动器，共有6个，每个作动器可施加的最大荷载为1800吨，作动器最大行程250mm，竖向作动器上安装有力传感器和位移传感器。

4.根据权利要求1所述的防屈曲支撑自平衡竖向加载试验系统，其特征在于，所述提升机构（2）由4组液压伺服作动器构成，每个作动器最大拉力荷载为450吨，提升机构最大提升力为1800吨,提升机构安装在所述加载顶梁的4个边角部位。

5.根据权利要求1所述的防屈曲支撑自平衡竖向加载试验系统，其特征在于，所述水平作动器（8）为液压伺服作动器，最大行程1500mm。

6.根据权利要求1或2所述的防屈曲支撑自平衡竖向加载试验系统，其特征在于，所述移动横梁（3）上开有容纳螺杆（10）从中穿过的通孔，从而通过螺杆（10）和螺母（11）分别将第一垫板（13）和第二垫板（14）固定在移动横梁（3）上，所述加载调节装置（15）和防屈曲支撑试件（19）分别安装到第一垫板和第二垫板上，所述加载调节装置（15）与加载作动器（17）之间通过第三垫板（16）连接，所述加载作动器（17）底部通过第四垫板（18）固定到加载平台（6）。

7.根据权利要求6所述的防屈曲支撑自平衡竖向加载试验系统，其特征在于，所述螺母（11）与移动横梁（3 ）之间设置有螺母垫板（12）。

8.使用权利要求1或2所述的防屈曲支撑自平衡竖向加载试验系统进行试验的方法，包括以下步骤：

（1）根据防屈曲支撑试件（19）的高度调整加载调节装置（15）的高度；

（2）启动提升机构（2）将移动横梁（3）下降，将螺杆（10）穿过移动横梁（3）上的通孔以及第一垫板和第二垫板的通孔，并用螺母将第一垫板和第二垫板分别锁紧在移动横梁上；

（3）提升机构将移动横梁（3）提升到最高位置，驱动水平作动器（8）运动以使得加载平台（6）沿Y轴负方向水平移出；

（4）将所述防屈曲支撑试件（19）、加载作动器（17）以及加载调节装置（15）放置到加载平台（6）上；加载平台（6）由水平作动器（8）驱动回到初始位置；

（5）启动提升机构将移动横梁（3）下降，直至移动横梁（3）下表面与所述防屈曲支撑试件（19）以及加载调节装置（15）的上表面接触，将所述防屈曲支撑试件（19）顶部和底部分别通过螺纹连接固定到被分别锁紧到移动横梁（3）的第二垫板（14）和加载平台（6）的第五垫板（21），所述加载调节装置顶部连接到第一垫板（13），所述加载调节装置（15）与加载作动器（17）通过第三垫板（16）螺纹连接，所述加载作动器底部通过螺纹连接固定到紧固到加载平台（6）的第四垫板（18）；

（6）在每个所述加载立柱（5）的下部安装位移传感器（20），位移传感器量测加载平台的竖向位移，启动加载作动器在竖直方向运动，从而对防屈曲支撑试件（19）施加轴向拉、压载荷，同时所述竖向作动器（7）跟随加载作动器（17）做协同竖直运动以维持加载框架自平衡状态。