CN107576569B - 一种对板构件实现边缘约束的测试加载装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对板构件实现边缘约束的测试加载装置及试验方法，包括反力架装置、加载装置、板端约束装置、斜撑和板构件，反力架装置包括横梁和支撑结构，支撑结构顶端与横梁固定连接，加载装置包括加压装置和压力分布装置，板构件位于压力分布装置的下方，板端约束装置呈长条形，板端约束装置的内侧设有凹槽，板构件的板端可插入到凹槽内，斜撑的顶端与板端约束装置的外侧连接，斜撑的底端与地面连接。本发明提供的静定试验加载装置可根据试验需求和实验室条件进行自由组合，适用性广，为板的准静力测试提供了统一的试验平台。

Description

一种对板构件实现边缘约束的测试加载装置及试验方法

技术领域

本发明属于土木工程试验技术的新装置和新工艺研究领域，具体涉及一种对板构件实现板边约束的测试加载装置及试验方法。

背景技术

板（通常材料为钢筋混凝土）是一种常见的结构构件，在正常使用过程中主要承受均布重力荷载。在建筑结构遭受极端灾害条件时（如火灾、爆炸和冲击引起的连续倒塌等），板是抵御灾变的重要组成部分，可为结构防倒塌提供最后一道防线。为此，学术界和工程界对板的防灾变性能（尤其是在大变形条件下）越来越关注。对钢筋混凝土板在均布荷载作用下的整个抗力形式的研究，包括承载力和变形能力，破坏模式以及内力传递机制，具有很高的学术和实用价值。

在科研和实践过程中，根据结构遭受极端灾害条件的位置，对应于结构支撑柱或者承重墙失效的工况，抵御灾变的板有不同的边界条件。该边界条件均是由关键板构件周围相连的板和梁等水平构件提供的，体现了整体结构对局部灾变位置的约束。例如结构角柱失效时，起关键作用的板有相邻两边是自由的而另外相邻两边受到约束。而边框架的中柱失效时，起关键作用的板仅有一边是自由的，而其余三边是有轴向和转动约束的；相应地，如果某一内柱失效，关键板的四边均受到约束。

由于板是二维构件，在外部荷载的作用下，力的传递较为复杂，尤其是在大变形条件下。如果仅是以理想化固支来模拟边界约束，除了获得结构抗力和破坏模式外，由于不知道约束反力及对应内力（弯矩和轴力等）的大小，很难反映荷载的传递路径和机制（例如受弯机制还是弯压机制或者是受拉机制等）。此外，以往的研究往往是针对一类板的边界条件，设计一种特定的试验装置，缺少一个通用的装置平台。为此，需要开发出一种能实现对板端提供约束的静定试验加载装置和相应操作工法，对任何一种边界条件下的板，既能有效模拟周边梁板对板构件的约束，又可以提供约束反力大小，从而判断出荷载的传递路径和机制。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种可实现板边缘约束的静定试验加载装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种对板构件实现边缘约束的测试加载装置，包括反力架装置、加载装置、板端约束装置、斜撑和板构件，所述反力架装置包括横梁和支撑结构，所述支撑结构的底部固定在地面上，所述支撑结构顶端与所述横梁固定连接，所述加载装置包括加压装置和压力分布装置，所述加压装置的顶端与所述横梁连接，所述加压装置的底端与所述压力分布装置连接，板构件位于所述压力分布装置的下方，板构件的下方设有用于支撑板构件的支撑柱，所述板端约束装置呈长条形，所述板端约束装置的内侧设有凹槽，板构件的板端可插入到所述凹槽内，所述斜撑的顶端与所述板端约束装置的外侧连接，所述斜撑的底端与地面连接。

作为优选，所述支撑结构有两个，分别位于所述横梁的两端，每个支撑结构包括两个短钢梁、两个螺杆立柱和两个底座，两个短钢梁分别位于所述横梁的上方和下方并且相互平行，两个螺杆立柱分别穿过两个短钢梁的两端，螺杆立柱的底端穿过底座并固定在地面上。

作为优选，所述加压装置为千斤顶。

作为优选，所述压力分布装置包括一根主分配梁和两根次分配梁，所述主分配梁与所述千斤顶连接，两个次分配梁分别位于主分配梁两端，每个次分配梁的下方还设有两个分压板。

作为优选，所述分压板为三角板。

作为优选，所述斜撑包括上段钢管、下段钢管和穿心式拉压荷载传感器，所述穿心式拉压荷载传感器设置于上段钢管和下段钢管之间，所述上段钢管的顶端与所述板端约束装置通过钢铰连接，所述下段钢管的底端与地面通过钢铰连接。

作为优选，板构件的边缘设有螺孔，所述板端约束装置上也设有螺孔，板构件与板端约束装置通过螺栓相连接。

作为优选，所述支撑柱的外沿圆周粘贴有应变片。

作为优选，所述板端约束装置有1-4个，每个板端个板端约束装置配有多个斜撑。

作为优选，还包括地梁系统，所述地梁系统包括多个相互连接的支撑件，每个支撑件的底部固定在地面上，所述斜撑的底端与所述支撑件连接。

作为优选，所述支撑件为H型钢，H型钢的上翼边缘设有多个螺栓孔。

一种使用上述对板构件实现边缘约束的测试加载装置的试验方法，包括以下步骤：（a）根据实验室条件布置好地梁系统和反力架装置，然后在地梁上连接好支撑柱，并设置临时支撑，然后吊装板构件，并使板构件底部的混凝土柱和支撑柱的顶端对齐，连接固定，并撤销临时支撑，然后连接板端约束装置并连接斜撑，最后安装加载装置，准备试验加载；（b）加载时，由加载装置开始对混凝土板构件进行加载，反力架装置为千斤顶顶部提供反力和竖向位移约束，然后通过加载装置中的分配梁及三角板，将千斤顶施加的集中力均匀分布到混凝土板构件上的各点，以模拟板承受均布荷载，加载过程中，混凝土板构件根据自身的物理特性将力传递到支撑柱和板端约束装置上，然后板端约束装置将力传给斜撑，斜撑与支撑柱再将力传递给地梁系统或者地面，斜撑中间的穿心式拉压荷载传感器测得斜撑的轴力，支撑柱半高截面处粘贴的应变片测算出支撑柱的反力；（c）在加载完后，首先移除加载装置中的分配主梁，分配次梁和三角板，然后松开板端约束和板的连接，并通过绕斜撑转动放置在外侧。最后松开支撑柱和板的连接，并将测试后的板构件拆除。

本发明的有益效果是：

（1）本发明提供了一种测定板构件在有边缘约束条件下的结构性能的静定装置。该装置既可以模拟周边梁板对板构件的约束，又可以测得约束反力的大小，便于分析构件的内力大小，从而判断出荷载的传递路径和机制，为板构件的防灾变机理研究提供了有效试验平台。

（2）本发明的试验装置是装配式结构，可根据试验需求和实验室条件进行自由组合，适用性广，为板的准静力测试提供了统一的试验平台。本发明可以通过是否施加边缘约束以及在哪一边施加边缘约束，可以实现不同边界条件下的板构件的试验研究。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是地梁系统的结构示意图；

图3是反力架装置的结构示意图；

图4是加载装置的结构示意图；

图5是板端约束装置和斜撑的结构示意图。

附图标记列表：

1-地梁系统，2-反力架装置，3-加载装置、4-板端约束装置、5-板构件、6-斜撑、7-支撑柱；21-横梁；22-支撑结构；23-短钢梁；24-螺杆立柱；25-底座；31-加压装置；32-压力分布装置；33-主分配梁；34-次分配梁；35-分压板；61-上段钢管；62-下段钢管；63-穿心式拉压荷载传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

本发明的整体结构如图1所示，包括施加荷载加载装置3，为加载装置3提供反力和约束的反力架装置2，可为板提供良好边缘约束的板端约束装置4，用于支撑和固定板端约束装置4的斜撑6以及与地面锚固的地梁系统1。

如图2所示，地梁系统1是由多个支撑件相互连接而成，本实施例中采用H型钢作为支撑件，一系列H型钢通过端部的螺栓连接而成，并通过地锚螺栓锚固在实验室强力地板的预留槽上，在H型钢的上翼缘按照一定的孔距制作螺栓孔，以便于依据构件尺寸灵活设计约束支撑的位置。地梁系统1的设置是为了支撑和固定斜撑6，如果实验室强力地板具有锚固孔，地梁系统1可以省略，斜撑6底端可直接连接在实验室地板上，此时试验装置斜撑6的锚固根据地锚孔洞间距设计。

如图3所示，反力架装置2包括横梁21和支撑结构22，支撑结构22的底部固定在地面上，支撑结构22顶端与所述横梁21固定连接，反力架装置2可以是任何形式的门式框架，主要是能为加载装置3提供约束和反力。本例中反力装置是由一根横梁21、四根短钢梁23、四根螺杆立柱24和四个底座25构成。四根短梁分别位于横梁21两端的上方和下方并且两两平行，四根短梁两端均套设在螺杆立柱24上端并用螺帽锚固定住，位于横梁21同一端的两个短钢梁23通过高强螺栓对拉将横梁21固定住。四根螺杆立柱24的底端穿过底座25锚固在强力地板预留槽中。

如图4所示，加载装置3包括加压装置31和压力分布装置32，加压装置31顶端与横梁21连接，底端与压力分布装置32，用于为实验提供压力，本力中的加压装置31优选为千斤顶。压力分布装置32由一根主分配梁33、两根次分配梁34、四块分压板35构成，主分配梁33与千斤顶相连接，两根次分配梁34分别位于主分配梁33的两端，每个次分配梁34的下方设置两个分压板35，本利中分压板35优选为钢铁制成的三角板，千斤顶施加的集中荷载通过主分配梁33平均传递到两个次分配梁34的中心，进而再次平均分配到每根次分配梁34的两端。最后每个梁端荷载通过球型铰作用在钢质三角板的中心，从而使荷载三等分到三角板的三个顶点。通过这种方式将单点加载转化为12点加载，以模拟等效均布荷载。实际应用中可根据需要设置其他形状的分压板35，如方形、圆形等。

如图5所示，板端约束装置4呈长条形，内侧设有凹槽，板构件5的边缘和板端约束装置4上设有相互对应的螺孔，板端约束装置4与板构件5的边缘连接，板构件5的板端嵌入凹槽中，对齐板端约束装置4和板构件5上的预留螺孔，然后使用螺栓连接。

斜撑6主要包括上段钢管61、下段钢管62和穿心式拉压荷载传感器63，穿心式拉压荷载传感器63设置于上段钢管61和下段钢管62之间，上段钢管61的顶端与板端约束装置4通过钢铰连接，下段钢管62的底端与地面或者地梁系统1通过钢铰连接。理论上说斜撑6越多越好，但是可结合实际情况，进行适当布置，在板边沿着每单跨梁的梁端和跨中各设置一个斜撑6。在本例中，在板长边布置了五个斜撑6，在每个短边布置了三个斜撑6。

板构件5的混凝土柱与支撑柱7通过螺栓锚固在一起。

支撑柱7主要由钢管构成，且其中间高度截面外沿圆周粘贴有应变片。其底部通过钢铰与地梁系统1或者地面连接在一起，其顶部通过螺栓和板构件5的混凝土柱连接在一起。该钢管既可以有效模拟柱子对梁板子结构的支撑，又可以通过在钢管中间高度截面外沿圆周粘贴的应变片获取支撑柱7所受的内力。

本发明的使用方法如下：

以三边约束一边自由的试验为例进行说明，在首次使用该实验装置时，首先根据实验室条件布置好地梁系统1和反力架装置2，然后在地梁上连接好支撑柱7，并设置临时支撑使之处于竖直状态。然后吊装板构件5，并使板构件5底部的混凝土柱和支撑柱7的顶端对齐，通过螺栓连接，并撤销临时支撑。然后连接板端约束装置4并连接斜撑6。最后安装加载装置3，准备试验加载。

加载时，由加载装置3开始对混凝土板构件5进行加载，反力架装置2为千斤顶顶部提供反力和竖向位移约束，然后通过加载装置3中的分配梁及三角板，将千斤顶施加的集中力均匀分布到混凝土板构件5上的12个点，以模拟板承受均布荷载。混凝土板构件5以支撑柱7和板端约束装置4及斜撑6作为边界约束条件。加载过程中，混凝土板构件5根据自身的物理特性将力传递到支撑柱7和板端约束装置4上，然后板端约束装置4将力传给斜撑6。斜撑6与支撑柱7再将力传递给地梁系统1或者地面。斜撑6两端都是铰接，位于其中间的穿心式拉压荷载传感器63可以测得斜撑6的轴力。斜撑6与板端约束装置4一起作用约束构件板端的上翘，从而实现加载过程中对混凝土板端的约束作用。此外，支撑柱7半高截面处粘贴的应变片可以推算出支撑柱7的反力。

在加载完后，首先移除加载装置3中的分配主梁，分配次梁和三角板，然后松开板端约束和板的连接，并通过绕斜撑6转动放置在外侧。最后松开支撑柱7和板的连接，并将测试后的板构件5拆除。

在再次使用该装置时，采用和拆除构件相反的工序。首先吊装板构件5，并和支撑柱7连接。然后将板端约束绕斜撑6转动至板边缘进行连接。最后依次将三角板，分配次梁和分配主梁吊至板的上次，并于千斤顶接触，准备加载。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种对板构件实现边缘约束的测试加载装置，其特征在于，包括反力架装置、加载装置、板端约束装置、斜撑和板构件，所述反力架装置包括横梁和支撑结构，所述支撑结构的底部固定在地面上，所述支撑结构顶端与所述横梁固定连接，所述加载装置包括加压装置和压力分布装置，所述加压装置的顶端与所述横梁连接，所述加压装置的底端与所述压力分布装置连接，板构件位于所述压力分布装置的下方，板构件的下方设有用于支撑板构件的支撑柱，所述板端约束装置呈长条形，所述板端约束装置的内侧设有凹槽，板构件的板端可插入到所述凹槽内，所述斜撑的顶端与所述板端约束装置的外侧连接，所述斜撑的底端与地面连接；

所述压力分布装置包括一根主分配梁和两根次分配梁，所述主分配梁与千斤顶连接，两个次分配梁分别位于主分配梁两端，每个次分配梁的下方还设有两个分压板。

2.如权利要求1所述的对板构件实现边缘约束的测试加载装置，其特征在于，所述支撑结构有两个，分别位于所述横梁的两端，每个支撑结构包括两个短钢梁、两个螺杆立柱和两个底座，两个短钢梁分别位于所述横梁的上方和下方并且相互平行，两个螺杆立柱分别穿过两个短钢梁的两端，螺杆立柱的底端穿过底座并固定在地面上。

3.如权利要求1所述的对板构件实现边缘约束的测试加载装置，其特征在于，所述加压装置为千斤顶。

4.如权利要求3所述的对板构件实现边缘约束的测试加载装置，其特征在于，所述分压板为三角板。

5.如权利要求1所述的对板构件实现边缘约束的测试加载装置，其特征在于，所述斜撑包括上段钢管、下段钢管和穿心式拉压荷载传感器，所述穿心式拉压荷载传感器设置于上段钢管和下段钢管之间，所述上段钢管的顶端与所述板端约束装置通过钢铰连接，所述下段钢管的底端与地面通过钢铰连接。

6.如权利要求1所述的对板构件实现边缘约束的测试加载装置，其特征在于，板构件的边缘设有螺孔，所述板端约束装置上也设有螺孔，板构件与板端约束装置通过螺栓相连接。

7.如权利要求1所述的对板构件实现边缘约束的测试加载装置，其特征在于，所述支撑柱的外沿圆周粘贴有应变片。

8.如权利要求1所述的对板构件实现边缘约束的测试加载装置，其特征在于，所述板端约束装置有1-3个，每个板端个板端约束装置配有多个斜撑。

9.如权利要求1所述的对板构件实现边缘约束的测试加载装置，其特征在于，还包括地梁系统，所述地梁系统包括多个相互连接的支撑件，每个支撑件的底部固定在地面上，所述斜撑的底端与所述支撑件连接。

10.一种使用如权利要求1-9任意一项所述的对板构件实现边缘约束的测试加载装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：（a）根据实验室条件布置好地梁系统和反力架装置，然后在地梁上连接好支撑柱，并设置临时支撑，然后吊装板构件，并使板构件底部的混凝土柱和支撑柱的顶端对齐，连接固定，并撤销临时支撑，然后连接板端约束装置并连接斜撑，最后安装加载装置，准备试验加载；（b）加载时，由加载装置开始对混凝土板构件进行加载，反力架装置为千斤顶顶部提供反力和竖向位移约束，然后通过加载装置中的分配梁及三角板，将千斤顶施加的集中力均匀分布到混凝土板构件上的各点，以模拟板承受均布荷载，加载过程中，混凝土板构件根据自身的物理特性将力传递到支撑柱和板端约束装置上，然后板端约束装置将力传给斜撑，斜撑与支撑柱再将力传递给地梁系统或者地面，斜撑中间的穿心式拉压荷载传感器测得斜撑的轴力，支撑柱半高截面处粘贴的应变片测算出支撑柱的反力；（c）在加载完后，首先移除加载装置中的分配主梁，分配次梁和三角板，然后松开板端约束和板的连接，并通过绕斜撑转动放置在外侧，最后松开支撑柱和板的连接，并将测试后的板构件拆除。

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