CN106441753B - 长梁构件纯扭转试验加载装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长梁构件纯扭转试验加载装置，包括对置于试验梁两端上下表面的扭转上横梁和扭转下横梁，且在两个扭转下横梁的一端分别穿设有呈对角线分布的用于提供反作用力的反力架，该反力架内设有用于为扭转下横梁施加载荷的带测力传感器的千斤顶；所述扭转上横梁/扭转下横梁与试验梁上下表面之间设有用于释放试验梁纵向约束的滚动支撑；所述扭转下横梁的下方可转动连接有非对称结构的扭转支撑墩，且该转动中心与试验梁的扭转中心相重合。本发明试验梁的边界条件设置合理，通过确保扭转下横梁的转动中心为试验梁的扭转中心，以及采用滚动支撑释放试验梁的纵向约束来实现试验梁的扭转为绕截面扭转中心的纯扭转。

Description

长梁构件纯扭转试验加载装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及结构工程试验装置及其试验方法，尤其涉及一种长梁构件纯扭转试验加载装置及其试验方法。

背景技术

在结构工程中，桥梁、混凝土梁等都可简化为梁构件，在风载荷和地震等复杂受力作用下，除了受到轴向力和弯矩外，还有扭矩的作用。因此，有必要对梁构件在扭矩作用下的结构性能、破坏机理进行深入研究。目前在梁构件的纯扭转试验中，当采用电液伺服作动器作为加载设备时，造价高昂。当没有电液伺服作动器作为加载设备时，一般采用普通液压千斤顶作为加载设备。而在这种情况下，加载装置较难以获得试验梁的极限承载能力，主要是因为随着试验梁扭转端的扭转角的增大，千斤顶会发生倾斜，当倾斜角度达到一定程度时，千斤顶将发生掉落。若没有设置特殊装置时，试验梁的边界条件设置不合理，试验梁的扭转不是绕梁构件截面扭转中心的纯扭转。

因此，亟待解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种可保障千斤顶在加载过程中不发生倾斜且试验梁的扭转为绕截面扭转中心的纯扭转的长梁构件纯扭转试验加载装置。

本发明的第二目的是提供该加载装置的试验方法。

技术方案：为实现以上目的，本发明长梁构件纯扭转试验加载装置，包括对置于试验梁两端上下表面的扭转上横梁和扭转下横梁，且在两个扭转下横梁的一端分别穿设有呈对角线分布的用于提供反作用力的反力架，该反力架内设有用于为扭转下横梁施加载荷的带测力传感器的千斤顶；所述扭转上横梁/扭转下横梁与试验梁上下表面之间设有用于释放试验梁纵向约束的滚动支撑；所述扭转下横梁的下方可转动连接有非对称结构的扭转支撑墩，且该转动中心与试验梁的扭转中心相重合。本发明试验梁的边界条件设置合理，通过确保扭转下横梁的转动中心为试验梁的扭转中心，以及采用滚动支撑释放试验梁的纵向约束来实现试验梁的扭转为绕截面扭转中心的纯扭转。本发明采用试验梁两端同步加载，克服了千斤顶的顶升行程一般较短的缺陷，可以在有限的顶升行程内获得较大的扭转角，从而适用于试验梁长度较长的情况。

其中，所述千斤顶外侧围设有位于反力架内的千斤顶防偏装置，该千斤顶防偏装置包括自上而下依次设置的与千斤顶顶端固定连接的固定板、用于限制千斤顶移动的限位架、承载千斤顶底部的无盖式防偏箱、单向铰支座和置于扭转下横梁的上表面的圆柱滚子；所述防偏箱的一相对侧面上还设有垂直于扭转下横梁的一对侧向支撑钢板。本发明通过反力架为装置提供反作用力，同时在反力架内设置千斤顶防偏装置，通过该千斤顶防偏装置保障千斤顶在随着试验梁扭转端的扭转角逐渐增大的过程中不发生倾斜，千斤顶不会发生掉落。

优选的，所述防偏箱和侧向支撑钢板相接触的表面均喷有润滑剂。

进一步，所述反力架包括对称设置的反力架立柱和用于连接反力架立柱的反力架横梁、反力架底座，该反力架横梁、反力架立柱和扭转下横梁围成的空间内置有千斤顶和千斤顶防偏装置；其中，所述反力架横梁与固定板相连接，所述反力架立柱的内侧与限位架和侧向支撑钢板相连接，该反力架立柱的外侧与反力架斜撑相连接。本发明的反力架是由钢板焊接而成，结构牢固，且在反力架的外侧两边对称设于反力架斜撑进一步增强反力架的支撑能力。

再者，所述扭转支撑墩由钢板焊接而成的非对称式倒T型结构，该扭转支撑墩的立柱上端通过转动支座与扭转下横梁可转动连接，且该转动支座的转动中心与试验梁的扭转中心相重合，所述扭转支撑墩的横梁与地面固接；其中所述转动支座包括带弧形凸起的上半支座和与其相卡合的带弧形凹槽的下半支座，该下半支座的凹槽内设有与凹槽弧度相一致的弧形保持架，该弧形保持架内排布有若干个滚柱。本发明采用非对称结构的扭转支撑墩，通过调整扭转支撑墩的位置可自由改变加载力臂的大小，可进行多组参数的试验梁纯扭转试验；同时本发明通过转动支座实现扭转下横梁与扭转支撑墩的可转动连接，同时通过相互卡合的带弧形凸起的上半支座与带弧形凹槽的下半支座实现其转动中心与试验梁的扭转中心相重合。

优选的，所述扭转上横梁和扭转下横梁均由钢板焊接而成，该扭转上横梁和扭转下横梁上设有L组上下一一对应且与试验梁尺寸相匹配的螺栓孔，并穿设双头螺栓进行连接；所述扭转下横梁的下表面设有与转动支座相匹配的M组螺栓孔；L和M均为不小于2的整数。本发明的装配式结构，可实现各部件的局部快速替换，且该装置的扭转上下横梁上设置有多组螺栓孔，有利于针对不同尺寸的试验梁展开试验研究，通用性强。

再者，所述滚动支撑包括若干个由带凹槽的钢板和置于凹槽内的圆棒组成的分段式支撑结构，该滚动支撑的总长度与试验梁的宽度相一致。

一种利用上述加载装置进行梁构件纯扭转试验的试验方法，包括如下步骤：

(1)、备好试验梁、扭转上横梁、扭转下横梁、反力架、反力架斜撑、千斤顶、滚动支撑、扭转支撑墩、千斤顶防偏装置、限位架、防偏箱、单向铰支座和转动支座；

(2)、将反力架、反力架斜撑和扭转支撑墩的底部与底面相固接，反力架斜撑与反力架相连接；

(3)、将扭转下横梁、转动支座依次和扭转支撑墩相连接，调节扭转下横梁至水平；

(4)、安装试验梁，并在其与扭转上横梁和扭转下横梁之间放置滚动支撑，将扭转上横梁与扭转下横梁相连接；

(5)、将带测力传感器的千斤顶与千斤顶防偏装置相连接，并置于反力架内；

(6)、千斤顶对扭转下横梁施加垂直向下的载荷，直至试验梁发生破坏；

(7)、根据测力传感器检测出的数据计算试验梁所承受的扭矩；

(8)、根据倾角仪检测出的数据计算试验梁所产生的扭转角。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

(1)本发明试验梁的边界条件设置合理，通过确保扭转下横梁的转动中心为试验梁的扭转中心，以及采用滚动支撑释放试验梁的纵向约束来实现试验梁的扭转为绕截面扭转中心的纯扭转；

(2)本发明采用试验梁两端同步加载，克服了千斤顶的顶升行程一般较短的缺陷，可以在有限的顶升行程内获得较大的扭转角，从而适用于试验梁长度较长的情况；

(3)本发明通过反力架为装置提供反作用力，同时在反力架内设置千斤顶防偏装置，通过该千斤顶防偏装置保障千斤顶在随着试验梁扭转端的扭转角逐渐增大的过程中不发生倾斜，千斤顶不会发生掉落；

(4)本发明采用非对称结构的扭转支撑墩，通过调整扭转支撑墩的位置可自由改变加载力臂的大小，可进行多组参数的试验梁纯扭转试验；

(5)本发明通过转动支座实现扭转下横梁与扭转支撑墩的可转动连接，同时通过相互卡合的带弧形凸起的上半支座与带弧形凹槽的下半支座实现其转动中心与试验梁的扭转中心相重合；

(6)本发明的装配式结构，可实现各部件的局部快速替换，且该装置的扭转上下横梁上设置有多组螺栓孔，有利于针对不同尺寸的试验梁展开试验研究，通用性强，可用于各类矩形梁构件的纯扭转试验，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中反力架的结构示意图；

图3为本发明中千斤顶防偏装置的爆炸图；

图4为本发明中转动支座的爆炸图；

图5为本发明中滚动支撑的结构示意图；

图6(a)～6(d)为常见的试验梁的结构示意图；

图7为本发明加载装置施加的扭矩计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明一种长梁构件纯扭转试验加载装置，包括扭转上横梁2、扭转下横梁3、反力架4、千斤顶5、滚动支撑6、扭转支撑墩7、千斤顶防偏装置8和转动支座9。如图3所示，千斤顶防偏装置8包括固定板801、限位架802、防偏箱803、单向铰支座804、圆柱滚子805和侧向支撑钢板806，其中固定板801、限位架802、防偏箱803、单向铰支座804和圆柱滚子805自上而下依次设置。如图2所示，反力架4由钢板焊接而成，包括反力架立柱401、反力架横梁402、反力架底座403和反力架斜撑404。

如图3所示，本发明的千斤顶采用液压分离式千斤顶，通过油泵进行控制，其型号可根据试验需要施加的载荷最大值选用，该千斤顶通过螺栓倒立固定于固定板801上。其中，千斤顶5外侧围设有位于反力架4内的千斤顶防偏装置8，固定板801上开设相应的定位孔，通过螺栓与千斤顶底部的螺纹孔相固定；固定板上还设有螺纹孔，并通过螺栓与反力架横梁402底部相固接。限位架802为相对顶卡在千斤顶外壁的一对T型钢板，该T型钢板的立板上具有与千斤顶外壁弧度一致的弧形缺口，该T型钢板的底板上设有螺栓孔，并通过螺栓与反力架4的反力架立柱401相连接。防偏箱803由钢板焊接而成的无盖式箱体结构，千斤顶5下放置测力传感器501，该测力传感器501与千斤顶5一同放置在防偏箱803内，该防偏箱803的底部与单向铰支座804顶部通过螺栓连接。同时防偏箱803的一相对侧面上还设有垂直于扭转下横梁的一对侧向支撑钢板806，且防偏箱803和侧向支撑钢板806相接触的表面均喷有室温固化型二硫化钼润滑干膜。该侧向支撑钢板806插入反力架立柱401内侧面上的槽道405内，以限制防偏箱803侧向的位移。单向铰支座804为一对相互铰接且可相对转动的半铰支座，该单向铰支座与扭转下横梁之间设置圆柱滚子805。本发明通过圆柱滚子805的滚动、单向铰支座804的转动以及侧向支撑钢板对防偏箱侧向位移的限制来保障在加载过程中千斤顶5与测力传感器501不发生倾斜和掉落。

如图2所示，反力架立柱401对称设置，并通过反力架横梁402、反力架底座403连接反力架立柱401的上下两端。反力架横梁402、反力架立柱401和扭转下横梁3围成的空间内置有千斤顶5和千斤顶防偏装置8；上述反力架横梁402底面、反力架立柱401内侧面、反力架立柱401外侧面上分别开设有螺栓孔。其中，反力架横梁402底面通过螺栓与固定板801相连接，反力架立柱401内侧面通过螺栓与限位架802相固接，反力架立柱401外侧面与反力架斜撑404相固接。其中，反力架立柱401的内侧还设有槽道405，该槽道405是用于设置侧向支撑钢板806。本发明通过反力架为装置提供反作用力，同时在反力架内设置千斤顶防偏装置，通过该千斤顶防偏装置保障千斤顶在随着试验梁扭转端的扭转角逐渐增大的过程中不发生倾斜，千斤顶不会发生掉落。

本发明加载装置包括对置于试验梁1两端上下表面的扭转上横梁2和扭转下横梁3，设置在同一端上下表面的转上横梁2和扭转下横梁3为一组扭转端。每个扭转下横梁3上均穿设有用于提供反作用力的反力架4，两个扭转下横梁3上的反力架4呈对角线分布。该反力架4内设有用于为扭转下横梁3施加载荷的带测力传感器501的千斤顶5；其中扭转上横梁2/扭转下横梁3与试验梁1上下表面之间设有用于释放试验梁纵向约束的滚动支撑6；所述扭转下横梁3的下方可转动连接有非对称结构的扭转支撑墩7，且该转动中心与试验梁1的扭转中心相重合。

本发明的扭转支撑墩7由钢板焊接而成的非对称式倒T型结构，该扭转支撑墩7的立柱上端通过转动支座9与扭转下横梁3可转动连接，且该转动支座9的转动中心与试验梁1的扭转中心相重合，扭转支撑墩7的横梁通过地锚螺栓与地面固接。本发明采用非对称结构的扭转支撑墩，通过调整扭转支撑墩的位置可自由改变加载力臂的大小，可进行多组参数的试验梁纯扭转试验。

如图4所示，转动支座9包括带弧形凸起的上半支座901和与其相卡合的带弧形凹槽的下半支座902，该下半支座902的凹槽内设有与凹槽弧度相一致的弧形保持架903，该弧形保持架903内排布有若干个滚柱904。带弧形凸起的上半支座901由经铣削成弧形的厚钢板与方钢板组合焊接而成，带弧形凹槽的下半支座902由经铣削成带弧形凹槽的钢块与方钢板焊接而成。转动支座9的弧形半径可根据试验梁的尺寸进行设置，使其转动中心为试验梁1的扭转中心相一致。本发明通过转动支座实现扭转下横梁与扭转支撑墩的可转动连接，同时通过相互卡合的带弧形凸起的上半支座与带弧形凹槽的下半支座实现其转动中心与试验梁的扭转中心相重合。

本发明扭转上横梁2和扭转下横梁3均由钢板焊接而成，该扭转上横梁2和扭转下横梁3上设有L组上下一一对应且与试验梁尺寸相匹配的螺栓孔，并穿设双头螺栓进行连接；扭转下横梁3的下表面设有与转动支座9相匹配的M组螺栓孔；L和M均为不小于2的整数。上述装配式结构，可实现各部件的局部快速替换，且该装置的扭转上下横梁上设置有多组螺栓孔，有利于针对不同尺寸的试验梁展开试验研究，通用性强。

如图5所示，上述滚动支撑6包括若干个由带凹槽的钢板601和置于凹槽内的圆棒602组成的分段式支撑结构，该滚动支撑6的总长度与试验梁1的宽度相一致。扭转上横梁与试验梁的上表面之间和扭转下横梁与试验梁的下表面之间分别放置了滚动支撑6。

一种利用加载装置进行梁构件纯扭转试验的试验方法，包括如下步骤：

(1)、备好试验梁1、扭转上横梁2、扭转下横梁3、反力架4、反力架斜撑404、千斤顶5、滚动支撑6、扭转支撑墩7、千斤顶防偏装置8、限位架802、防偏箱803、单向铰支座804和转动支座9；

(2)、将反力架4、反力架斜撑404和扭转支撑墩7的底部与地面通过地锚螺栓相固接，反力架斜撑404与反力架4通过螺栓相连接；

(3)、将扭转下横梁3、转动支座9依次和扭转支撑墩7通过螺栓相连接，可用临时支撑调节扭转下横梁3至水平；

(4)、安装试验梁1，并在其与扭转上横梁2和扭转下横梁3之间放置滚动支撑6，将扭转上横梁2与扭转下横梁3相连接；

(5)、将带测力传感器501的千斤顶5与千斤顶防偏装置8中的固定板801通过螺栓相连接，将固定板用螺栓固定在反力架横梁402的底部，将限位架802用螺栓固定在反力架立柱401上；单向铰支座804与防偏箱803用螺栓相连接，并设置在千斤顶5的正下方，在千斤顶5和防偏箱803之间放置测力传感器501，在单向铰支座804和扭转下横梁3之间放置若干个圆柱滚子805；

(6)、采用液压分离式千斤顶5对扭转下横梁3施加垂直向下的载荷，加载过程采用按力控制加载的分级加载方式，直至试验梁1发生破坏；

(7)、根据测力传感器501检测出的数据计算试验梁1所承受的扭矩；

(8)、根据倾角仪10检测出的数据计算试验梁1所产生的扭转角。

完成一种参数的试验梁1纯扭转试验后，可替换试验梁1(必要时可替换转动支座9，以使转动支座9的转动中心与试验梁1横截面的扭转中心相吻合)并保留其余装置，进行下一种参数的试验梁1的纯扭转试验。

因试验梁1的长度较长，则其扭转角较大，故在试验梁1的两端同步施加反向的扭矩T。

如图7所示，千斤顶5施加的垂直力为F，可由测力传感器501测得，扭转下横梁3实际受到的荷载为垂直于扭转下横梁3的力F′，其产生的扭转角为θ，可由倾角仪10测得。图7中∠CBD＝∠CAD＝θ，BC＝l，AD＝h，AC＝h′，力F′可分解为千斤顶施加的垂直力为F和侧向支撑钢板806提供的水平力H。因此试验梁1受到的扭矩T＝Fl+Hh′＝Fl+Ftanθ(ltanθ+h/cosθ)，当θ和h较小时，可以近似认为T＝Fl；在扭矩T作用下，试验梁1产生的扭转角为2θ。

本发明采用试验梁两端同步加载，克服了千斤顶的顶升行程一般较短的缺陷，可以在有限的顶升行程内获得较大的扭转角，从而适用于试验梁长度较长的情况；且本发明试验梁的边界条件设置合理，通过确保扭转下横梁的转动中心为试验梁的扭转中心，以及采用滚动支撑释放试验梁的纵向约束来实现试验梁的扭转为绕截面扭转中心的纯扭转。

Claims (7)

1.一种长梁构件纯扭转试验加载装置，其特征在于：包括对置于试验梁（1）两端上下表面的扭转上横梁（2）和扭转下横梁（3），且在两个扭转下横梁（3）的一端分别穿设有呈对角线分布的用于提供反作用力的反力架（4），该反力架（4）内设有用于为扭转下横梁（3）施加载荷的带测力传感器（501）的千斤顶（5）；所述扭转上横梁（2）/扭转下横梁（3）与试验梁（1）上下表面之间设有用于释放试验梁纵向约束的滚动支撑（6）；所述扭转下横梁（3）的下方可转动连接有非对称结构的扭转支撑墩（7），且该转动中心与试验梁（1）的扭转中心相重合；所述千斤顶（5）外侧围设有位于反力架（4）内的千斤顶防偏装置（8），该千斤顶防偏装置（8）包括自上而下依次设置的与千斤顶顶端固定连接的固定板（801）、用于限制千斤顶移动的限位架（802）、承载千斤顶底部的无盖式防偏箱（803）、单向铰支座（804）和置于扭转下横梁的上表面的圆柱滚子（805）；所述防偏箱（803）的一相对侧面上还设有垂直于扭转下横梁的一对侧向支撑钢板（806）。

2.根据权利要求1所述的长梁构件纯扭转试验加载装置，其特征在于：所述防偏箱（803）和侧向支撑钢板（806）相接触的表面均喷有润滑剂。

3.根据权利要求1所述的长梁构件纯扭转试验加载装置，其特征在于：所述反力架（4）包括对称设置的反力架立柱（401）和用于连接反力架立柱的反力架横梁（402）、反力架底座（403），该反力架横梁（402）、反力架立柱（401）和扭转下横梁（3）围成的空间内置有千斤顶（5）和千斤顶防偏装置（8）；其中，所述反力架横梁（402）与固定板（801）相连接，所述反力架立柱（401）的内侧与限位架（802）和侧向支撑钢板（806）相连接，该反力架立柱（401）的外侧与反力架斜撑（404）相连接。

4.根据权利要求1所述的长梁构件纯扭转试验加载装置，其特征在于：所述扭转支撑墩（7）由钢板焊接而成的非对称式倒T型结构，该扭转支撑墩（7）的立柱上端通过转动支座（9）与扭转下横梁（3）可转动连接，且该转动支座（9）的转动中心与试验梁（1）的扭转中心相重合，所述扭转支撑墩（7）的横梁与地面固接；其中所述转动支座（9）包括带弧形凸起的上半支座（901）和与其相卡合的带弧形凹槽的下半支座（902），该下半支座（902）的凹槽内设有与凹槽弧度相一致的弧形保持架（903），该弧形保持架（903）内排布有若干个滚柱（904）。

5.根据权利要求4所述的长梁构件纯扭转试验加载装置，其特征在于：所述扭转上横梁（2）和扭转下横梁（3）均由钢板焊接而成，该扭转上横梁（2）和扭转下横梁（3）上设有L组上下一一对应且与试验梁尺寸相匹配的螺栓孔，并穿设双头螺栓进行连接；所述扭转下横梁（3）的下表面设有与转动支座（9）相匹配的M组螺栓孔；L和M均为不小于2的整数。

6.根据权利要求1所述的长梁构件纯扭转试验加载装置，其特征在于：所述滚动支撑（6）包括若干个由带凹槽的钢板（601）和置于凹槽内的圆棒（602）组成的分段式支撑结构，该滚动支撑（6）的总长度与试验梁（1）的宽度相一致。

7.一种利用权利要求1~6任一所述的加载装置进行梁构件纯扭转试验的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）、备好试验梁（1）、扭转上横梁（2）、扭转下横梁（3）、反力架（4）、反力架斜撑（404）、千斤顶（5）、滚动支撑（6）、扭转支撑墩（7）、千斤顶防偏装置（8）、限位架（802）、防偏箱（803）、单向铰支座（804）和转动支座（9）；

（2）、将反力架（4）、反力架斜撑（404）和扭转支撑墩（7）的底部与底面相固接，反力架斜撑（404）与反力架（4）相连接；

（3）、将扭转下横梁（3）、转动支座（9）依次和扭转支撑墩（7）相连接，调节扭转下横梁（3）至水平；

（4）、安装试验梁（1），并在其与扭转上横梁（2）和扭转下横梁（3）之间放置滚动支撑（6），将扭转上横梁（2）与扭转下横梁（3）相连接；

（5）、将带测力传感器（501）的千斤顶（5）与千斤顶防偏装置（8）相连接，并置于反力架（1）内；

（6）、千斤顶（5）对扭转下横梁（3）施加垂直向下的载荷，直至试验梁（1）发生破坏；

（7）、根据测力传感器（501）检测出的数据计算试验梁（1）所承受的扭矩；

（8）、根据倾角仪（10）检测出的数据计算试验梁（1）所产生的扭转角。