CN106768996B - 一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置，包括底座及力加载装置，所述底座用于固定栓钉，所述力加载装置用于向栓钉施加沿着栓钉径向方向的压应力，还包括筒体及转动台，所述筒体用于套设在栓钉的外侧，且筒体的内部空间作为灌浆的容置空间，以在栓钉的外侧得到混凝土包裹层；所述底座固定于转动台上；所述栓钉相对于转动台转轴的距离可调；所述力加载装置作用于筒体的壁面上。本发明提出的实验装置，能够考虑单个栓钉在多轴、复杂应力状态下的动态响应，准确模拟栓钉在实际使用中的复杂受力状态。

Description

一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置

技术领域

本发明涉及力学试验器具技术领域，特别是涉及一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置。

背景技术

钢-混凝土组合结构是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种结构。利用剪力连接件将钢梁与混凝土连接在一起，这种结构的性能优劣，很大程度上取决于钢材和混凝土之间的组合作用。

钢混组合结构的性能取决于钢与混凝土接触面上力的有效传递，单靠自然粘结不足以保证组合结构在大荷载作用下，钢混结构仍能协同作用，此时剪力连接件，即栓钉的工作性能是一个决定性的因素。一般情况下，剪力连接件要满足剪力、拉力、疲劳强度等三种功能要求。

栓钉作为一种柔性连接件，其变形能力强，不仅栓钉与周围混凝土在共同工作时会产生应力重分部，相邻栓钉之间也会相互影响，使得研究人员难以准确掌握单个栓钉的应力状态。常见的栓钉连接件的破坏形态主要有：(1)栓钉附近混凝土破坏；(2)栓钉的受剪破坏。钢混组合结构中，影响栓钉连接件承载力的因素很多，主要有：

(1)栓钉连接件的数量；

(2)栓钉周围混凝土的密实度；

(3)钢与混凝土接触面的粘结力；

(4)栓钉本身的强度、形状及尺寸。

目前针对栓钉的实验，主要有推出实验及梁试实验两种。推出实验多为破坏性实验，梁试实验虽然可以考虑动力影响，但对栓钉的应力状态了解并不明确，且两种模型均只能考虑栓钉的单轴应力状态。

发明内容

针对上述提出的现有技术中针对栓钉受力的试验，只能考虑到栓钉的单轴应力状态的问题，本发明提供了一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置，本发明提出的实验装置，能够考虑单个栓钉在多轴、复杂应力状态下的动态响应，准确模拟栓钉在实际使用中的复杂受力状态。

本发明提供的一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置通过以下技术要点来解决问题：一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置，包括底座及力加载装置，所述底座用于固定栓钉，所述力加载装置用于向栓钉施加沿着栓钉径向方向的压应力，还包括筒体及转动台，所述筒体用于套设在栓钉的外侧，且筒体的内部空间作为灌浆的容置空间，以在栓钉的外侧得到混凝土包裹层；

所述底座固定于转动台上；

所述栓钉相对于转动台转轴的距离可调；

所述力加载装置作用于筒体的壁面上。

目前国内、外对栓钉受力机理的研究主要通过推出试验结果获取其极限承载力和疲劳承载力等相关信息。与栓钉相关规范的制订都是以推出试验结果为基础，也有通过局部截段模型实验对群钉的受力性能进行研究的。通过对栓钉推出试验的荷载—滑移量曲线、破坏形态等，分别对栓钉及组合结构的受力机理和破坏机理进行分析研究，获得栓钉的宏观整体受力性能，但及时辅以有限元分析，仍无法提供单个栓钉的细观应力状态。

以上底座、栓钉、混凝土包裹层、筒体四者组成模拟钢管混凝土模拟元件。以上转动台用于驱动底座转动，转动台的动力可来源于驱动电机。由于栓钉固定于底座上，而底座固定于转动台上随转动台转动，这样，当力加载装置向筒体的壁面上施加方向沿着栓钉径向方向的压应力时，此时可使得栓钉受到剪应力。而在栓钉随转动台转动的过程中，栓钉可受到来自不同径向方向的压应力，这样，可对栓钉进行复杂应力的疲劳效应研究；同时，由于以上装置中，只需改变栓钉距转动台转轴的位置，在栓钉随转动台转动至力加载装置力输出端的侧面时，即可获得新的剪力连接件的受力状态，即栓钉的受力状态，同时，通过调整转动台的转动状态，均能够使得本加载装置能够运用于：考虑单个栓钉在多轴、复杂应力状态下的动态响应，准确模拟栓钉在实际使用中的复杂受力状态。

作为本领域技术人员，所述栓钉相对于转动台转轴位置可调，可通过采用与转动台螺栓连接的底座，同时在将底座与转动台固定后，将栓钉焊接于底座的不同位置；也可采用将底座与栓钉固定后，将底座连接于转动台的不同位置加以实现。

更进一步的技术方案为：

由于以上钢管混泥土模拟元件在栓钉疲劳破坏时，其与转动台的连接失效，由于此时存在力加载装置对其的推力，为避免试验过程中出现危险因素，还包括架体及限位杆，所述限位杆固定连接于架体上，所述限位杆与混凝土包裹层或/和筒体的端部相接触，限位杆用于向实验体施加朝向转动台方向的力，所述实验体为栓钉、底座、混凝土包裹层、筒体四者的组合体。以上限位杆用于向实验体上施加压力，以上压力产生的摩擦力即可发挥保护作用。

作为一种便于实现的限位杆形式，所述限位杆包括连接座、第一弹簧、压紧座，所述第一弹簧为连接座与压紧座相连的中间连接件，所述限位杆通过连接座与架体相连，所述限位杆通过压紧座对实验体施力，所述力来自第一弹簧的压缩变形。以上限位杆方案中，第一弹簧充当压力施力部件，同时，在栓钉发生弯曲变形时，第一弹簧相当于是限位杆中的柔性部件，这样，可通过第一弹簧径向方向的变形，使得限位杆对栓钉的变形影响小，从而达到利于模型试验数据准确性的目的。

为进一步减小限位杆对栓钉变形的影响，所述压紧座上还镶嵌有滚球，所述滚球可绕其球心左右转动，所述限位杆通过滚球作用于组合体上。本方案中，可通过在压紧座上设置直径大于滚球直径的球形腔，将所述滚球镶嵌于所述球形腔中，实现滚球与压紧座的连接。这样，在栓钉发生变形时，限位杆与实验体之间仅有较小的摩擦力。

作为一种便于对栓钉受力进行分析、对力加载装置的结构或性能要求低的技术方案，所述底座呈法兰盘状，且底座与转动台螺栓连接，底座的轴线与转动台的轴线共线；

所述筒体为圆筒，且筒体的轴线与底座的轴线共线。

本方案中，筒体的壁面位于同一圆周上，这样，在转动台转动的过程中，若栓钉不发生变形，相当于力加载装置的力输出端在空间内的位置固定。

作为便于实现的力加载装置设置形式，所述力加载装置为千斤顶。

力加载装置与筒体之间还设置有第二弹簧，所述第二弹簧为压缩弹簧，且力加载装置对筒体的施力方向与第二弹簧的轴线方向平行，所述第二弹簧作为力加载装置向筒体施加径向力时力的中间传递部件。

以上设置的第二弹簧可通过自身发生弹性变形，避免力加载装置对栓钉施加的力过大，同时，可通过第二弹簧的弹性回复力，保证在栓钉发生变形时，力加载装置仍然对栓钉能够提供较为稳定的力。

为避免力加载装置对筒体的压力影响转动台的转动，所述力加载装置的自由端上还设置有滚轮，所述自由端为力加载装置力的输出端，所述力加载装置通过滚轮与筒体作用，且所述滚轮的轴线与筒体的轴线平行，滚轮可绕自身轴线转动。本方案中，可在力加载装置的力输出端上设置一个轮架，以上滚轮的轮轴固定于轮架上。优选的，设置为筒体为圆筒，筒体的中心线，即轴线正对力加载装置力的输出方向，如力加载装置采用千斤顶时，所述千斤顶的轴线与所述中心线相交，同时，设置为滚轮为两个，两个滚轮相对于千斤顶的轴线对称，这样，可有效控制力加载装置对栓钉的施力方向与试验人员所设定的一致。

为使得本加载装置能够建立更多的栓钉受力模型，所述力加载装置相对于底座的高度可调。具体的，可将力加载装置固定于架体上，同时设置为架体为门型架，转动台与地基相连，转动台的轴线位于竖直方向，底座固定于转动台的顶面，栓钉焊接于底座上表面，且初始状态下栓钉的轴线方向位于竖直方向，且设置为力加载装置的轴线方向位于水平方向。在门型架的侧边上设置长度方向位于竖直方向的条形槽，力加载装置通过穿设在条形槽中的螺栓与架体螺栓连接，这样，可使得力加载装置相对于栓钉的高度在一定范围内线性可调。

本发明具有以下有益效果：

以上底座、栓钉、混凝土包裹层、筒体四者组成模拟钢管混凝土模拟元件。以上转动台用于驱动底座转动，转动台的动力可来源于驱动电机。由于栓钉固定于底座上，而底座固定于转动台上随转动台转动，这样，当力加载装置向筒体的壁面上施加方向沿着栓钉径向方向的压应力时，此时可使得栓钉受到剪应力。而在栓钉随转动台转动的过程中，栓钉可受到来自不同径向方向的压应力，这样，可对栓钉进行复杂应力的疲劳效应研究；同时，由于以上装置中，只需改变栓钉距转动台转轴的位置，在栓钉随转动台转动至力加载装置力输出端的侧面时，即可获得新的剪力连接件的受力状态，即栓钉的受力状态，同时，通过调整转动台的转动状态，均能够使得本加载装置能够运用于：考虑单个栓钉在多轴、复杂应力状态下的动态响应，准确模拟栓钉在实际使用中的复杂受力状态。

附图说明

图1是本发明所述的一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置一个具体实施例中，反映底座与栓钉连接关系的局部结构俯视图；

图2是本发明所述的一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置一个具体实施例中，反映底座与栓钉连接关系的局部结构剖视图；

图3是本发明所述的一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置一个具体实施例中，限位杆与架体的连接关系示意图；

图4是本发明所述的一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置一个具体实施例的局部俯视图；

图5是本发明所述的一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置一个具体实施例的局部侧视图；

图6是本发明所述的一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置一个具体实施例中，限位杆的结构示意图。

图中的编号依次为：1、底座，2、栓钉，3、混凝土包裹层，4、中心线，5、限位杆，54、滚球，53、连接座，52、第一弹簧，51、压紧座，6、架体，7、力加载装置，8、筒体，9、转动台。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明的结构不仅限于以下实施例。

实施例1：

如图1至图6所示，一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置，包括底座1及力加载装置7，所述底座1用于固定栓钉2，所述力加载装置7用于向栓钉2施加沿着栓钉2径向方向的压应力，还包括筒体8及转动台9，所述筒体8用于套设在栓钉2的外侧，且筒体8的内部空间作为灌浆的容置空间，以在栓钉2的外侧得到混凝土包裹层3；

所述底座1固定于转动台9上；

所述栓钉2相对于转动台9转轴的距离可调；

所述力加载装置7作用于筒体8的壁面上。

目前国内、外对栓钉2受力机理的研究主要通过推出试验结果获取其极限承载力和疲劳承载力等相关信息。与栓钉2相关规范的制订都是以推出试验结果为基础，也有通过局部截段模型实验对群钉的受力性能进行研究的。通过对栓钉2推出试验的荷载—滑移量曲线、破坏形态等，分别对栓钉2及组合结构的受力机理和破坏机理进行分析研究，获得栓钉2的宏观整体受力性能，但及时辅以有限元分析，仍无法提供单个栓钉2的细观应力状态。

以上底座1、栓钉2、混凝土包裹层3、筒体8四者组成模拟钢管混凝土模拟元件。以上转动台9用于驱动底座1转动，转动台9的动力可来源于驱动电机。由于栓钉2固定于底座1上，而底座1固定于转动台9上随转动台9转动，这样，当力加载装置7向筒体8的壁面上施加方向沿着栓钉2径向方向的压应力时，此时可使得栓钉2受到剪应力。而在栓钉2随转动台9转动的过程中，栓钉2可受到来自不同径向方向的压应力，这样，可对栓钉2进行复杂应力的疲劳效应研究；同时，由于以上装置中，只需改变栓钉2距转动台9转轴的位置，在栓钉2随转动台9转动至力加载装置7力输出端的侧面时，即可获得新的剪力连接件的受力状态，即栓钉2的受力状态，同时，通过调整转动台9的转动状态，均能够使得本加载装置能够运用于：考虑单个栓钉2在多轴、复杂应力状态下的动态响应，准确模拟栓钉2在实际使用中的复杂受力状态。

作为本领域技术人员，所述栓钉2相对于转动台9转轴位置可调，可通过采用与转动台9螺栓连接的底座1，同时在将底座1与转动台9固定后，将栓钉2焊接于底座1的不同位置；也可采用将底座1与栓钉2固定后，将底座1连接于转动台9的不同位置加以实现。

实施例2：

如图1至图6所示，本实施例在实施例1的基础上作进一步限定：由于以上钢管混泥土模拟元件在栓钉2疲劳破坏时，其与转动台9的连接失效，由于此时存在力加载装置7对其的推力，为避免试验过程中出现危险因素，还包括架体6及限位杆5，所述限位杆5固定连接于架体6上，所述限位杆5与混凝土包裹层3或/和筒体8的端部相接触，限位杆5用于向实验体施加朝向转动台9方向的力，所述实验体为栓钉2、底座1、混凝土包裹层3、筒体8四者的组合体。以上限位杆5用于向实验体上施加压力，以上压力产生的摩擦力即可发挥保护作用。

作为一种便于实现的限位杆5形式，所述限位杆5包括连接座53、第一弹簧52、压紧座51，所述第一弹簧52为连接座53与压紧座51相连的中间连接件，所述限位杆5通过连接座53与架体6相连，所述限位杆5通过压紧座51对实验体施力，所述力来自第一弹簧52的压缩变形。以上限位杆5方案中，第一弹簧52充当压力施力部件，同时，在栓钉2发生弯曲变形时，第一弹簧52相当于是限位杆5中的柔性部件，这样，可通过第一弹簧52径向方向的变形，使得限位杆5对栓钉2的变形影响小，从而达到利于模型试验数据准确性的目的。

为进一步减小限位杆5对栓钉2变形的影响，所述压紧座51上还镶嵌有滚球54，所述滚球54可绕其球心左右转动，所述限位杆5通过滚球54作用于组合体上。本方案中，可通过在压紧座51上设置直径大于滚球54直径的球形腔，将所述滚球54镶嵌于所述球形腔中，实现滚球54与压紧座51的连接。这样，在栓钉2发生变形时，限位杆5与实验体之间仅有较小的摩擦力。

作为一种便于对栓钉2受力进行分析、对力加载装置7的结构或性能要求低的技术方案，所述底座1呈法兰盘状，且底座1与转动台9螺栓连接，底座1的轴线与转动台9的轴线共线；

所述筒体8为圆筒，且筒体8的轴线与底座1的轴线共线。

本方案中，筒体8的壁面位于同一圆周上，这样，在转动台9转动的过程中，若栓钉2不发生变形，相当于力加载装置7的力输出端在空间内的位置固定。

作为便于实现的力加载装置7设置形式，所述力加载装置7为千斤顶。

力加载装置7与筒体8之间还设置有第二弹簧，所述第二弹簧为压缩弹簧，且力加载装置7对筒体8的施力方向与第二弹簧的轴线方向平行，所述第二弹簧作为力加载装置7向筒体8施加径向力时力的中间传递部件。

以上设置的第二弹簧可通过自身发生弹性变形，避免力加载装置7对栓钉2施加的力过大，同时，可通过第二弹簧的弹性回复力，保证在栓钉2发生变形时，力加载装置7仍然对栓钉2能够提供较为稳定的力。

为避免力加载装置7对筒体8的压力影响转动台9的转动，所述力加载装置7的自由端上还设置有滚轮，所述自由端为力加载装置7力的输出端，所述力加载装置7通过滚轮与筒体8作用，且所述滚轮的轴线与筒体8的轴线平行，滚轮可绕自身轴线转动。本方案中，可在力加载装置7的力输出端上设置一个轮架，以上滚轮的轮轴固定于轮架上。优选的，设置为筒体8为圆筒，筒体8的中心线4，即轴线正对力加载装置7力的输出方向，如力加载装置7采用千斤顶时，所述千斤顶的轴线与所述中心线4相交，同时，设置为滚轮为两个，两个滚轮相对于千斤顶的轴线对称，这样，可有效控制力加载装置7对栓钉2的施力方向与试验人员所设定的一致。

实施例3：

本实施例在以上任意一个实施例提供的任意一个技术方案的基础上对本案作进一步限定，如图1至图6所示，为使得本加载装置能够建立更多的栓钉2受力模型，所述力加载装置7相对于底座1的高度可调。具体的，可将力加载装置7固定于架体6上，同时设置为架体6为门型架，转动台9与地基相连，转动台9的轴线位于竖直方向，底座1固定于转动台9的顶面，栓钉2焊接于底座1上表面，且初始状态下栓钉2的轴线方向位于竖直方向，且设置为力加载装置7的轴线方向位于水平方向。在门型架的侧边上设置长度方向位于竖直方向的条形槽，力加载装置7通过穿设在条形槽中的螺栓与架体6螺栓连接，这样，可使得力加载装置7相对于栓钉2的高度在一定范围内线性可调。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置，包括底座（1）及力加载装置（7），所述底座（1）用于固定栓钉（2），所述力加载装置用于向栓钉（2）施加沿着栓钉（2）径向方向的压应力，其特征在于，还包括筒体（8）及转动台（9），所述筒体（8）用于套设在栓钉（2）的外侧，且筒体（8）的内部空间作为灌浆的容置空间，以在栓钉（2）的外侧得到混凝土包裹层（3）；

所述底座（1）固定于转动台（9）上；

所述栓钉（2）相对于转动台（9）转轴的距离可调；

所述力加载装置作用于筒体（8）的壁面上；

所述底座（1）呈法兰盘状，且底座（1）与转动台（9）螺栓连接，底座（1）的轴线与转动台（9）的轴线共线；

所述筒体（8）为圆筒，且筒体（8）的轴线与底座（1）的轴线共线；

所述力加载装置（7）的自由端上还设置有滚轮，所述自由端为力加载装置（7）力的输出端，所述力加载装置（7）通过滚轮与筒体（8）作用，且所述滚轮的轴线与筒体（8）的轴线平行，滚轮可绕自身轴线转动。

2.根据权利要求1所述的一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置，其特征在于，还包括架体（6）及限位杆（5），所述限位杆（5）固定连接于架体（6）上，所述限位杆（5）与混凝土包裹层（3）或/和筒体（8）的端部相接触，限位杆（5）用于向实验体施加朝向转动台（9）方向的力，所述实验体为栓钉（2）、底座（1）、混凝土包裹层（3）、筒体（8）四者的组合体。

3.根据权利要求2所述的一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置，其特征在于，所述限位杆（5）包括连接座（53）、第一弹簧（52）、压紧座（51），所述第一弹簧（52）为连接座（53）与压紧座（51）相连的中间连接件，所述限位杆（5）通过连接座（53）与架体（6）相连，所述限位杆（5）通过压紧座（51）对实验体施力，所述力来自第一弹簧（52）的压缩变形。

4.根据权利要求3所述的一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置，其特征在于，所述压紧座（51）上还镶嵌有滚球（54），所述滚球（54）可绕其球心左右转动，所述限位杆（5）通过滚球（54）作用于组合体上。

5.根据权利要求1所述的一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置，其特征在于，所述力加载装置（7）为千斤顶。

6.根据权利要求1所述的一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置，其特征在于，力加载装置（7）与筒体（8）之间还设置有第二弹簧，所述第二弹簧为压缩弹簧，且力加载装置（7）对筒体（8）的施力方向与第二弹簧的轴线方向平行，所述第二弹簧作为力加载装置（7）向筒体（8）施加径向力时力的中间传递部件。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种用于栓钉多轴疲劳模型试验的加载装置，其特征在于，所述力加载装置（7）相对于底座（1）的高度可调。

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