CN106644349A - 一种可持续施加轴力的多功能冲击实验平台及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种可持续施加轴力的多功能冲击实验平台及实验方法。此装置包括刚性支撑、固定端、滑动端、滑动组件、加载组件、液压组件、数据采集组件七部分，其关键技术点在于，滑动端与液压组件的千斤顶之间装配环形弹簧，通过压缩弹簧实现试件预加压力，冲击实验中，弹簧逐渐伸长，轴力减小，真实模拟轴压构件在冲击或爆炸载荷作用下的轴力渐弱过程；并且，滑动端底部预设四个内螺纹螺栓孔，与刚性支撑固定后可模拟受弯构件承受冲击载荷下的失效过程；本发明整体结构简单、紧凑，实验操作简便。

Description

一种可持续施加轴力的多功能冲击实验平台及实验方法

技术领域

本发明涉及一种实验用平台，具体涉及一种可持续施加轴力的多功能冲击实验装置。

背景技术

受压构件（如柱、墙等）是建筑结构的重要组成部分，其抗冲击性能是评估结构抗倒塌能力的重要指标。

针对此类构件的实验通常借助液压实验机或简易千斤顶开展，然而，一旦受压构件因承受侧向撞击产生轴向位移，加载仪器即与试件脱离，轴力消失，这与结构倒塌过程中轴力渐弱的情况不符，基于此类实验的数据无法为准确理解受压构件的抗冲击行为提供可靠支持。

此外，传统实验机仅能针对边界条件为一端固定、另一端自由的构件开展冲击实验，工况单一。随着该类研究内课题的深入，迫切需要发展可以准确模拟其内力变化规律和边界条件的试验设备。

发明内容

本发明的目的之一是，提供一种可持续施加轴力的多功能冲击实验平台，其结构简单、紧凑，在冲击实验过程中，试件轴力逐渐变小，符合工程实际的“轴力渐弱”过程，具有较小的“系统误差”。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种可持续施加轴力的多功能冲击实验平台，其特征在于，包括刚性支撑、固定端、滑动端、滑动组件、加载组件、液压组件、数据采集组件七个部分，其中，滑动端、滑动组件、加载组件依次布置于刚性支撑；

所述刚性支撑包括大、小底座各一组，其上预设螺孔和槽沟；

所述固定端包括开有凹槽的固定端上部组件、固定端下部组件和夹具一，固定端下部组件通过螺栓固定于刚性支撑，夹具一形状、尺寸契合固定端上部组件和固定端下部组件凹槽；

所述滑动端包括开有凹槽的滑动端上部组件、滑动端下部组件和夹具二，通过与所述滑动组件嵌套，保证其沿刚性支撑上表面水平方向自由滑动；

上述夹具一和夹具二可根据试件形状、尺寸调整，以适应不同试验对象；

所述滑动组件包括两个滑动槽和一个钢棒，滑动槽中部镂空，通过螺栓固定于刚性支撑；

上述钢棒穿过滑动端下部组件和两个滑动槽，其直径与滑动槽开槽短边大小及滑动端下部组件开洞大小一致；

所述加载组件包括两个槽钢、弹簧、H型钢和保护盖板，H型钢通过螺栓与滑动端相连，弹簧两端布置槽钢，保护盖板通过螺栓与刚性支撑连接，整体覆盖两个槽钢和弹簧，部分覆盖H型钢；

上述槽钢内侧边长等于弹簧外直径；

上述H型钢内侧边长等于槽钢外边边长；

上述H型钢与滑动端通过螺栓连接；

所述数据采集组件包括荷载传感器、位移计、计算机终端和高速摄像机，荷载传感器位于槽钢和H型钢之间，位移计固定于保护盖板，其端部与H型钢凸起接触，高速摄像机及计算机终端均布置于刚性支撑前方；

所述液压组件，包括千斤顶、油泵、螺杆、油管及反力底板；

上述螺杆一端连接刚性支撑，另一端连接反力底板，内部空间布置千斤顶

所述液压站的供油油泵由所述计算机终端控制与调节。

优选为位移计、荷载传感器和高速摄像机，均通过数据线与计算机通讯终端连接；

该优选方案带来的直接技术效果是，环形弹簧前部接触H型钢（与所述滑动端连接），冲击过程中，试件侧向变形引发弹簧轴向伸长，试件在整个响应过程中保持渐弱的轴力，符合工程实际。

进一步优选，所述滑动端下部组件预留四个内螺纹螺栓孔，孔洞大小与所述刚性支撑预留槽沟宽度一致。

该优选技术方案带来的直接技术效果是，通过螺栓连接滑动端与刚性支撑，可开展受弯构件（如钢、混凝土梁）侧向冲击（对应两端固定边界条件）实验；拆除滑动端下部组件螺栓，可进行轴压与冲击实时耦合（对应一端滑动、另一端固定边界条件）实验；以此保证底座适应不同的实验工况。

进一步优选，固定端夹具一端部和滑动端夹具二端部均有部分突出。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，可避免现有实验机因强大撞击力导致试件被拔出现象的发生。

进一步优选，上述滑动槽中部镂空，钢棒依次穿过滑动槽和滑动端下部组件；

该优选技术方案直接带来的技术效果是，保证滑动端沿试件的轴向自由滑动，而其他方向位移为零，严格遵循工程实际边界条件和力学分析模型，减小“系统误差”。

本发明的目的之二是，提供一种上述的可持续施加轴力的多功能冲击实验平台的实验方法，其具有操作简便、实验过程中的核心环节/关键步骤“全自动化”进行，人为介入少，实验结果误差小等特点。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种上述的可持续施加轴力的多功能冲击实验平台的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，手动操作，将试件布置于所述刚性支撑的大、小底座之间，两端嵌入固定端及滑动端夹具的凹槽内，并通过螺栓固定所述固定端、滑动端上、下组件；

第二步，手动调节高速摄像机，保证其视场可以覆盖自试件初始状态至可能发生的最大变形区域；

第三步，手动操作，连接荷载传感器，启动计算机终端，启动液压站，驱动千斤顶活塞杆伸长，至计算机终端显示的荷载值达到预定数值，关闭油泵；

第四步，手动调节位移计，使其与H型钢钢片接触；

第五步，启动实验设备，施加冲击载荷，由数据采集系统记录动力过程中试件轴力、位移变化规律并显示于计算机终端；

第六步，手动控制计算机终端，实时记录、保存图像和数据文件。

综上所述，本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、实验结果准确，可靠性高；试件轴力变化符合结构倒塌过程所经历的轴力渐弱趋势，实验系统误差小。

2、实验工况易于转换，通过灵活调整滑动端与刚性支撑之间的螺栓连接，可快速实现一端固定、一端自由以及两端固定边界条件的实验工况，真实反映受压、受弯构件承受冲击荷载的失效机理。

3、实验装置结构简单紧凑、操作简便。

附图说明

图1 为本发明装置西南等轴侧示意图；

图2为本发明装置刚性支撑、固定端、滑动端、滑动组件的组装示意图；

图3为本发明装置加载组件、液压组件、数据采集组件的组装示意图。

图中的标号为：1、刚性支撑；2、固定端；3、试件；4、滑动端；5、加载组件；6、液压组件；7、滑动组件；8、数据采集组件；9、刚性底板；10、螺栓；11、固定端下部组件；12、夹具一；13、固定端上部组件；14、滑动端下部组件；15、夹具二；16、滑动端上部组件；17、钢棒；18、滑动槽；19、槽沟；20、H型钢；21、荷载传感器；22、槽钢；23、弹簧；24、保护盖板；25、反力底板；26、千斤顶；27、螺杆；28、油管；29、油表；30、油泵；31、位移计；32、高速摄像机；33、计算机终端。

具体实施方式

本发明可提供两端固定以及一端固定、一端滑动边界条件，配合冲击设备开展实验，下面结合附图分别对这两种工况进行解释说明。

一端固定、一端滑动工况：如图1、3所示，一种可持续施加轴力的多功能冲击实验平台，其特征在于，包括刚性支撑1、固定端2、滑动端4、加载组件5、液压组件6、滑动组件7、数据采集组件8七个部分，其中，滑动端4、滑动组件7、加载组件5均放置在刚性支撑1大底座上，从左向右依次布置；

所述刚性支撑1包括大、小底座各一组，其上布置螺孔和槽沟19；

所述固定端2包括固定端下部组件11、固定端上部组件13和夹具一12，固定端下部组件11通过高强螺栓10固定于刚性支撑1，夹具一12契合固定端2的凹槽；

所述滑动端4包括滑动端下部组件14、滑动端上部组件16和夹具二15。

上述滑动端下部组件14可在刚性支撑1上轴向自由滑动；

所述滑动组件7包括滑动槽18和钢棒17，滑动槽18中部镂空，通过螺栓10固定于刚性支撑1；

上述钢棒17穿过滑动端下部组件14和滑动槽18，其直径与滑动槽18开槽短边尺寸及滑动端下部组件14开洞大小一致；

上述滑动端4与滑动组件7嵌套；

所述加载组件5包括槽钢22、弹簧23、H型钢20和保护盖板24，H型钢20通过螺栓10与滑动端4相连，弹簧23两端各布置一个槽钢22，保护盖板24将槽钢22和弹簧23全部覆盖，将H型钢20部分覆盖，保护盖板24通过螺栓10与刚性支撑1刚接；

上述槽钢22内侧边长等于弹簧23外直径；

上述H型钢20内侧边长等于槽钢22外边边长；

上述H型钢20与滑动端4通过螺栓10连接；

所述数据采集组件8包括荷载传感器21、位移计31、计算机终端33、高速摄像机32和数据线，荷载传感器21位于槽钢22和H型钢20之间，位移计31固定于保护盖板24，端部与H型钢20凸起接触，高速摄像机32和计算机终端33均布置于刚性支撑1前方；

上述位移计31、荷载传感器21和高速摄像机32，均通过数据线与计算机终端33连接；

所述液压组件6，包括千斤顶26、油泵30、螺杆27、油管28和反力底板25；

上述螺杆27两端分别连接固定于刚性支撑1和反力底板25；

上述千斤顶26布置于刚性支撑1和反力底板25之间；

上述滑动端下部组件14的底部预设内螺纹螺栓孔，孔洞大小与沟槽19宽度一致；

上述固定端夹具一12端部与滑动端夹具二15端部均有部分突出；

上述滑动槽18中部镂空，钢棒17依次穿过滑动槽18和滑动端下部组件14；

上述的可持续施加轴力的多功能冲击实验平台的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，手动操作，将试件布置于所述刚性支撑的大、小底座之间，两端嵌入固定端及滑动端夹具的凹槽内，并通过螺栓固定所述固定端、滑动端上、下组件；

第二步，手动调节高速摄像机，保证其视场可以覆盖自试件初始状态至可能发生的最大变形区域；

第三步，手动操作，连接荷载传感器，启动计算机终端，启动液压站，驱动千斤顶活塞杆伸长，至计算机终端显示的荷载值达到预定数值，关闭油泵；

第四步，手动调节位移计，使其与H型钢钢片接触；

第五步，启动实验设备，施加冲击载荷，由数据采集系统记录动力过程中试件轴力、位移变化规律并显示于计算机终端；

第六步，手动控制计算机终端，实时记录、保存图像和数据文件。

两端固定工况：此工况下，无需施加轴力，因此只需使用刚性支撑1、固定端2、滑动端4三部分。

如图2所示，一种两端固定的多功能冲击实验平台，所述平台包括刚性支撑1、固定端2、滑动端4，所述固定端2和滑动端4通过螺栓10和刚性支撑1连接，固定端2和滑动端4通过试件3相连，所述刚性支撑1通过地锚杆固定在刚性底板9上。

上述固定端2从上到下依次是：固定端上部组件13、夹具一12、固定端下部组件11。

上述滑动端4从上到下依次是：滑动端上部组件16、夹具二15、滑动端下部组件14。

上述一种两端固定的多功能冲击实验平台，包括以下步骤：

第一步，手动操作，将试件布置于所述刚性支撑的大、小底座之间，两端嵌入固定端及滑动端夹具的凹槽内，并通过螺栓固定所述固定端、滑动端上、下组件；

第二步，手动调节高速摄像机，保证其视场可以覆盖自试件初始状态至可能发生的最大变形区域；

第三步，启动实验设备，施加冲击载荷，由数据采集系统记录动力过程中试件横向位移变化规律并显示于计算机终端；

第四步，手动控制计算机终端，实时记录、保存图像和数据文件。

Claims (7)

1.一种可持续施加轴力的多功能冲击实验平台，其结构简单、紧凑，操作简便，在冲击实验过程中，试件轴力逐渐变小，符合工程实际的“轴力渐弱”过程，具有较小的“系统误差”。

2.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种可持续施加轴力的多功能冲击实验平台，其特征在于，包括刚性支撑、固定端、滑动端、滑动组件、加载组件、液压组件、数据采集组件七部分，其中，滑动端、滑动组件、加载组件依次布置于刚性支撑上部；

所述刚性支撑包括大、小底座各一组，其上预设螺孔和槽沟；

所述固定端包括开有凹槽的固定端上部组件、固定端下部组件和夹具一，固定端下部组件通过螺栓固定于刚性支撑，夹具一形状、尺寸契合固定端上部组件和固定端下部组件凹槽；

所述滑动端包括开有凹槽的滑动端上部组件、滑动端下部组件和夹具二，与所述滑动组件嵌套；

所述滑动组件包括两个滑动槽和一个钢棒，滑动槽中部镂空，通过螺栓固定于刚性支撑；

上述钢棒穿过滑动端下部组件和两个滑动槽，其直径与滑动槽开槽短边大小及滑动端下部组件开洞大小一致；

所述加载组件包括两个槽钢、一个弹簧、一个H型钢和一个保护盖板，H型钢通过高强螺栓与滑动端相连，弹簧两端布置槽钢，保护盖板通过螺栓与刚性支撑连接，整体覆盖两个槽钢和弹簧，部分覆盖H型钢；

上述槽钢内侧边长等于弹簧外直径；

上述H型钢内侧边长等于槽钢外边边长；

上述H型钢与滑动端通过螺栓连接；

所述数据采集组件包括荷载传感器、位移计、计算机终端和高速摄像机，荷载传感器位于槽钢和H型钢之间，位移计固定于保护盖板，其端部与H型钢凸起接触，高速摄像机及计算机终端均布置于刚性支撑前方；

所述液压组件，包括千斤顶、油泵、螺杆、油管及反力底板；

上述螺杆一端连接刚性支撑，另一端连接反力底板，内部空间布置千斤顶。

3.根据权利要求1所述的一种可持续施加轴力的多功能冲击实验平台，其特征在于，所述刚性支撑通过地锚固定于刚性底板。

4.根据权利要求1所述的一种可持续施加轴力的多功能冲击实验平台，其特征在于，上述H型钢位于弹簧和滑动端之间，并通过螺栓与滑动端连接。

5.根据权利要求1所述的一种可持续施加轴力的多功能冲击实验平台，其特征在于，上述保护盖板将槽钢、弹簧及荷载传感器全部覆盖，将H型钢部分覆盖。

6.根据权利要求1所述的一种可持续施加轴力的多功能冲击实验平台，其特征在于，上述位移计、荷载传感器和高速摄像机，均通过数据线与计算机通讯终端连接。

7.如权利要求1所述的一种可持续施加轴力的多功能冲击实验平台的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，手动操作，将试件布置于所述刚性支撑的大、小底座之间，两端嵌入固定端及滑动端夹具二的凹槽内，并通过螺栓固定所述固定端、滑动端上、下组件；

第二步，手动调节高速摄像机，保证其视场可以覆盖自试件初始状态至可能发生的最大变形区域；

第三步，手动操作，连接荷载传感器，启动计算机终端，启动液压站，驱动千斤顶活塞杆伸长，至计算机终端显示的荷载值达到预定数值，关闭油泵；

第四步，手动调节位移计，使其与H型钢钢片接触；

第五步，启动实验设备，施加冲击载荷，由数据采集系统记录动力过程中试件轴力、位移变化规律并显示于计算机终端；

第六步，手动控制计算机终端，实时记录、保存图像和数据文件。