CN105590515A - 多种结构体系、多层、多跨的静力、动力试验模型 - Google Patents

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Abstract

为了加深学生对多种结构体系的理解，改变目前本科生教学中缺少相关实验内容的现状，本发明提供一种多种结构体系、多层、多跨的静力、动力试验模型，用于静力状态下多种结构体系的比较和动力状态下动力特性的分析。该静力、动力试验模型包括立柱、横梁、梁柱、梁柱节点、楼板、剪力墙、人字形斜撑。通过框架结构的改变实现试验层数不一致框架结构、框架斜撑结构、框架剪力墙结构和筒中筒结构的相互转化。该发明可用于《建筑结构实验》、《建筑结构抗震》、《高层建筑结构设计》、《钢结构》等课程的日常教学。

Description

多种结构体系、多层、多跨的静力、动力试验模型
技术领域
本发明属于土木工程专业实验教学领域，涉及多种结构体系、多层、多跨的静力、动力试验模型。
背景技术
结构体系是指结构抵抗外部作用构件的组成方式。在实际多层、高层和超高层工程中，常见的结构体系主要有框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构、筒体结构等结构体系。土木工程本科生阶段,例如在《建筑结构实验》、《高层建筑结构设计》等课程都会对这些结构体系进行相关学习，以对各种结构体系的组成特点、优缺点和计算方法等进行简单了解。
目前高等院校主要通过理论教学的方法让学生对多种结构体系进行相关学习，由于缺少对相关理论的实验验证，难免会让学生对相关理论的理解不够深入，甚至产生怀疑。在高等院校的本科生教学中引入实验内容是今后教学发展的必然趋势。在静力试验中通过相同加载对多种结构体系的不同反应进行对比，可加深学生对不同结构体系的理解；在动力试验中通过控制地震波的输出观察结构的响应，可加深学生对动力特性的理解。
发明内容
为了加深学生对多种结构体系的理解，改变目前本科生教学中缺少相关实验内容的现状，本发明提供多种结构体系、多层、多跨的静力、动力试验模型，用于静力状态下多种结构体系的比较和动力状态下动力特性的分析。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
多种结构体系、多层、多跨的静力、动力试验模型主要用于模拟多层框架、框架结构在静力、动力作用下的力学特性，该静力、动力试验模型包括立柱、横梁、梁柱、节点块、楼板、剪力墙和人字形斜撑。
所述的立柱为多种长度的无缝钢管，带底座，立柱底端通过转接板与试验底板连接，根据需要组成不同模型；梁柱之间通过可拆卸的节点块连接；横梁采用方管制作，横梁上按模数布置安装孔，横梁通过节点块固定在立柱的任意高度，横梁的层数、层高能够调节；楼板水平放置，按模数冗余加工安装孔，楼板上有螺栓孔，通过螺栓与四边的横梁固定连接，通过螺栓安装配重块用以改变模型质量；剪力墙竖向放置，按模数冗余加工安装孔，上下两侧通过螺栓与横梁连接，左右两侧通过侧边转接板与立柱连接；倒置人字形斜撑下侧通过转接板连接固定在横梁中间，上侧通过转接板分别与两节点固定连接。横梁、楼板、剪力墙均按模数冗余加工安装孔，通过选择安装连接件的数量及位置调整连接刚度。
节点块用于连接立柱及横梁，沿立柱调整位置，安装在任意高度。静力、动力试验模型为剖分式结构，各面均为安装面。在静力、动力试验模型上增添剪力墙板组装成框架剪力墙结构或筒中筒结构，通过剪力墙连接板配件实现与周边横梁或立柱的连接。剪力墙连接板结构形式为板/剖分式夹紧块。
该静力、动力试验模型之间通过构件的安装与拆除实现四种结构的相互转化，节约材料。多种结构体系、多层、多跨的静力、动力试验模型通过框架结构的改变得到试验层数不一致框架结构、框架斜撑结构、框架剪力墙结构和筒中筒结构。改变横向两榀框架立柱高度，高出部分通过横梁、楼板连接，得到试验层数不一致框架结构；沿加载方向在每层立柱间加人字形斜撑，楼层上层的两节点块和对应楼层下层的横梁中点分别通过连接件相连，得到框架斜撑结构；将剪力墙板在框架结构外围梁柱之间用连接件固定，得到框架剪力墙结构；将剪力墙板通过连接件固定在框架结构外围和核心处，得到筒中筒结构，核心处指多跨框架结构纵横两个方向不包含边柱的中间某一跨或几跨围成的矩形区域。
动力模型结构可以为四层、六层和十层框架结构；楼板层间通过加斜撑增加模型刚度改变模型自振频率。四层和六层框架结构用于测定自振频率和振型试验，十层框架结构仅用于测定自振频率的试验。
多种结构体系中所用构件尺寸及物理特性如下：
(1)立柱。
实验功能：动力模型立柱、静力模型立柱；结构形式：无缝钢管，带底座，可通过转接板与试验底板连接。
(2)横梁。
实验功能：通用模型结构横梁；结构形式：方管结构，定长，端板可与夹紧块连接。横梁上按模数布置安装孔。
(3)支撑。
实验功能：支撑模型，用于各层横梁间相互连接；结构形式：定长钢板结构。
(4)楼板。
实验功能：楼板模型；结构形式：2mm厚钢板，按模数冗余加工安装孔。
(5)剪力墙。
实验功能：剪力墙模型；结构形式：2mm厚钢板，按模数冗余加工安装孔。
本发明的有益效果为：该模型根据需要组装成多种结构形式，如调整层数、层高、跨数等，并根据需要在合适位置安装楼板、剪力墙和配重块，可安装到实验室现有模型振动台上，也可通过槽道转接板安装到试验台座上，配与剪力墙配合的作动器挂板，方便安装水平加载作动器，对结构模型进行静载或低周往复试验。该发明可用于《建筑结构实验》、《建筑结构抗震》、《高层建筑结构设计》、《钢结构》等课程的日常教学。
附图说明
附图1是本发明静力试验框架结构模型轴测图；
附图2是本发明模型中立柱正视图；
附图3是本发明模型中立柱俯视图；
附图4是本发明模型中横梁主视图；
附图5是本发明模型中横梁俯视图；
附图6是本发明模型中横梁侧视图；
附图7是本发明模型中楼板主视图；
附图8是本发明模型中楼板俯视图；
附图9是本发明模型中剪力墙板主视图；
附图10是本发明模型中剪力墙板附视图；
附图11是本发明模型中节点块主视图；
附图12是本发明模型中节点块侧视图；
附图13是本发明模型中节点块俯视图；
图中：1立柱，2横梁，3楼板，4节点块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
梁柱节点4用于连接立柱及横梁，可沿立柱1调整位置，安装在任意高度。剖分式结构，各面均为安装面。尺寸为：60×54×54mm。所用螺栓为M8国际螺栓，强度等级不低于10.9级，配螺母及平垫片。当在结构上增添剪力墙板组装成框架剪力墙结构或筒中筒结构时，通过剪力墙连接板配件实现与周边横梁2或立柱1的连接。剪力墙连接板结构形式为板/剖分式夹紧块。
静力模型均为4×3跨结构，每层层高均为0.5m，平面尺寸2m×1.5m，除层数不一致结构外其他模型均4层高2m，层数不一致模型部分6层高3m。立柱主要技术参数：尺寸：Φ25×2；截面面积：1.45E-4(m2)；抗弯刚度：2021.88(N·m2)；横梁主要技术参数：尺寸：□20×20×2；截面面积：1.44E-4(m2)；抗弯刚度：1653.12(N·m2)；支撑主要技术参数：尺寸：—25×3；截面面积：7.50E-5(m2)；楼板主要技术参数：尺寸：—500×500×2；截面面积：1.00E-3(m2)；剪力墙主要技术参数：尺寸：—500×500×2；截面面积：1.00E-3(m2)。利用作动器和分配梁对结构施加水平荷载，加载方式有顶部中间两点加载、顶部四点加载、三四层中间两点加载等多种组合方式，还可通过作动器拉压结合实现扭转力矩加载。通过位移传感器测量每一楼层位移，通过应变片(花)测量某些部位应变并通过应力状态计算应力，实测数据可与理论计算结果相对比，并对误差进行分析。
静力模型试验层数不一致模型可由框架结构改变得到。具体做法：将横向两榀框架立柱改用3m高立柱，高出部分增加横梁、楼板与之相连，即实现四六层层数不一致结构。
静力模型框架支撑结构可由框架结构改变得到。具体做法：沿加载方向在每层立柱间加人字形斜撑，用连接件件分别于两节点和横梁中点相连。
静力模型框架剪力墙结构可由框架结构改变得到。具体做法：将剪力墙板在框架结构外围梁柱之间用连接件固定。
静力模型筒中筒结构可由框架结构改变得到。具体做法：将剪力墙板在框架结构外围和核心处分别用连接件固定。
静力试验多种结构体系可由框架结构增减构件改变所得到，每种结构体系在相同加载条件下将会到的不同的试验结果，对结果进行分析对比将会加深对每种结构体系特点的认识，也增强了学生的动手能力。
动力试验框架结构模型分三种：
(1)四层框架结构。由4根2m高立柱、16根横梁和4片楼板组成。
(2)六层框架结构。由4根3m高立柱、24根横梁和6片楼板组成。
(3)十层框架结构。由4根5m高立柱、40根横梁和10片楼板组成。
动力模型结构每层可安装16块质量块改变模型质量，层间可加人字形斜撑改变模型刚度。质量块和斜撑不同组合可得到不同的自振频率。
将动力模型固定在振动台上，外部敲击或者摇晃通过加速度传感器可测得结构基频；控制振动台输出高斯白振声，加速度传感器采集信号并做频谱分析可得结构的各阶频率；控制振动台输出与某一阶自振频率相同的正弦波，并在与结构楼板等高处布置位移传感器可测得结构该自振频率下的振型。

Claims (1)

1.一种多种结构体系、多层、多跨的静力、动力试验模型，其特征在于，该静力、动力试验模型包括立柱(1)、横梁(2)、梁柱、节点块(4)、楼板(3)、剪力墙和人字形斜撑；所述的立柱(1)为不同长度的钢管，带底座，立柱(1)底端通过转接板与试验底板连接，根据需要组成不同模型；梁柱之间通过能够拆卸的节点块(4)连接；横梁(2)采用方管制作，通过节点块(4)固定在立柱(1)的任意高度，横梁(2)的层数、层高能够调节；楼板(3)水平放置，通过螺栓与四边的横梁(2)固定连接，通过螺栓安装配重块改变模型质量；剪力墙竖向放置，上下两侧通过螺栓与横梁连接，左右两侧通过侧边转接板与立柱(1)连接；倒置人字形斜撑下侧通过转接板连接固定在横梁(2)中间，上侧通过转接板分别与两节点块(4)固定连接；横梁(2)、楼板(3)、剪力墙均按模数冗余加工安装孔，通过选择安装连接件的数量及位置调整连接刚度；
静力、动力试验模型之间通过构件的安装与拆除实现四种结构的相互转化：改变横向两榀框架立柱(1)高度，高出部分通过横梁(2)、楼板(3)连接，得到试验层数不一致框架结构；沿加载方向在每层立柱(1)间加人字形斜撑，楼层上层的两节点块(4)和对应楼层下层的横梁(2)中点分别通过连接件相连，得到框架斜撑结构；将剪力墙板在框架结构外围梁柱之间用连接件固定，得到框架剪力墙结构；将剪力墙板通过连接件固定在框架结构外围和核心处，得到筒中筒结构。
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