CN108088736A - 子结构试验加载装置 - Google Patents
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- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
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Abstract
本公开涉及一种子结构试验加载装置，所述装置包括水平设置的反力底座、垂直于所述反力底座设置的反力墙和设置于反力底座上的加载框架，所述加载框架包括多根垂直连接反力底座且间隔设置的加载立柱和水平设置于所述加载立柱之间的加载主梁，所述反力底座和加载主梁之间形成有容纳子结构的容纳空间；所述反力墙与所述子结构之间设置有向所述子结构施加水平剪力的水平加载器，所述加载主梁与所述子结构之间设置有向所述子结构加载反向力偶的竖向左加载器和竖向右加载器。本公开的装置能够更好地模拟地震中剪力墙的破坏情况，对提高建筑的抗震性能提供有效指导。
Description
技术领域
本公开涉及建筑抗震技术领域，具体地，涉及一种子结构试验加载装置。
背景技术
低周往复加载试验方法是目前研究结构或构件性能中应用最广泛的试验方法。它是通过静力加载设备，采用力控制或者位移控制，对试件进行低周反复加载，使试件从弹性阶段直至破坏的一种试验。主要目的是观察结构材料、结构构件、连接节点、子结构和整体在往复载荷下的力学性能。根据对美国5年中地震工程实验研究的统计，发表在主要结构工程刊物上的试验研究中85-90％属于低周往复实验范畴。根据现在的试验技术情况来看，低周往复力试验主要采用千斤顶或电液伺服作动器进行加载，只能进行单向力加载，不能模拟子结构的压、弯、剪等多种受力性能。而且高层子结构在水平地震作用下受力与框架柱有很大的不同，并无反弯点，现有试验方法难以模拟上述受力状态。
发明内容
本公开的目的是提供一种子结构试验加载装置，本公开的装置能够更好地模拟地震中剪力墙的破坏情况，对提高建筑的抗震性能提供有效指导。
为了实现上述目的，本公开提供一种子结构试验加载装置，所述装置包括水平设置的反力底座、垂直于所述反力底座设置的反力墙和设置于反力底座上的加载框架，所述加载框架包括多根垂直连接反力底座且间隔设置的加载立柱和水平设置于所述加载立柱之间的加载主梁，所述反力底座和加载主梁之间形成有容纳子结构的容纳空间，所述子结构的底部与所述反力底座顶部相连；所述反力墙与所述子结构之间设置有向所述子结构施加水平剪力的水平加载器，所述加载主梁与所述子结构之间设置有向所述子结构加载反向力偶的竖向左加载器和竖向右加载器，所述竖向左加载器的两端分别与所述加载主梁和所述子结构铰接，所述竖向右加载器的两端分别与所述加载主梁和所述子结构铰接。
可选的，所述竖向左加载器和竖向右加载器之间的所述加载主梁与所述子结构之间设置有向所述子结构施加轴力的竖向中加载器，所述竖向中加载器的两端分别与所述加载主梁和所述子结构铰接。
可选的，所述子结构由上至下包括多层竖直设置的墙片，相邻墙片之间通过水平设置的楼板相连，所述水平加载器作用于所述楼板上。
可选的，位于最上方的楼板作用有所述水平加载器，位于最上方的楼板下方的楼板任选作用有所述水平加载器。
可选的，所述加载立柱为四根且分别为左前立柱、左后立柱、右前立柱和右后立柱，所述左前立柱和左后立柱的上端通过水平设置的左副梁相连，所述右前立柱和右后立柱的上端通过水平设置的右副梁相连，所述加载主梁与所述左副梁和右副梁相连。
可选的，所述加载主梁连接于所述左副梁和右副梁的底部。
可选的，所述子结构的顶部通过上加载梁与所述竖向左加载器和竖向右加载器相连，所述子结构的底部通过地梁与所述反力底座相连。
可选的，所述楼板和上加载梁上设置有位移传感器。
可选的，所述子结构外侧设置有应变片和/或应变花。
可选的，所述反力墙为混凝土剪切墙，所述竖向左加载器和竖向右加载器为静态加载器。
与现有技术相比较，本公开具有的优点在于：
本公开解决了低周往复力试验只能进行单向力加载，不能模拟结构的压、弯、剪等多种受力性能的问题。本公开通过在竖直方向布置两个竖向加载器，通过一对反向力偶实现对子结构试件施加弯矩，并使加载弯矩与水平剪力保持固定比例关系，进而实现弯矩和剪力的耦合加载；同时优选把竖向轴力分配到中间竖向加载器上，水平剪力分配到水平加载器上，最终实现子结构试件的压、弯、剪综合加载，更好地模拟地震中剪力墙的破坏情况，对提高建筑的抗震性能提供有效指导。
其次，本公开将加载主梁连接于副梁的底部，从而使主梁在为竖向加载器提供反力的时候为受压机制，副梁为主梁起到支座的作用，避免主梁受拉，其稳定性更好，受力更为合理。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1为本公开提供的装置一种具体实施方式的正视图；
图2为本公开提供的装置一种具体实施方式的侧视图；
图3为本公开提供的装置一种具体实施方式的俯视图；
图4为采用公开提供的装置进行加载的子结构的力偶等效弯矩受力图；
图5为采用公开提供的子结构试验加载装置进行加载的子结构的基底剪力计算示意图。
图6为本公开实施例试验原型结构地震反应谱分析结果。
图7为本公开实施例试验模型加载受力图。
图8为本公开实施例试件1的加载示意图。
图9为本公开实施例试件2的加载示意图。
附图标记说明
1反力底座 2反力底座锚孔 3左前立柱
4反力墙 5第一水平加载器 6第二水平加载器
7第三水平加载器 8主加载器 9竖向左加载器
10左副梁 11加载主梁 12右副梁
13右前立柱 14上加载梁 15楼板
16墙片 17锚栓 18地梁
19右后立柱 20左后立柱 21竖向右加载器
22竖向中加载器 23反力墙锚孔 24门洞
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指装置实际使用时的“上、下、左、右”，具体可以参考图1的图面方向。
如图1-3所示，本公开提供一种子结构试验加载装置，所述装置包括水平设置的反力底座1、垂直于所述反力底座1设置的反力墙4和设置于反力底座1上的加载框架，所述加载框架包括多根垂直连接反力底座1且间隔设置的加载立柱和水平设置于所述加载立柱之间的加载主梁11，所述反力底座1和加载主梁11之间形成有容纳子结构的容纳空间，所述子结构的底部与所述反力底座1顶部相连；所述反力墙4与所述子结构之间设置有向所述子结构施加水平剪力的水平加载器，所述加载主梁11与所述子结构之间设置有向所述子结构加载反向力偶的竖向左加载器9和竖向右加载器21，所述竖向左加载器9的两端分别与所述加载主梁11和所述子结构铰接，所述竖向右加载器21的两端分别与所述加载主梁11和所述子结构铰接。本公开提供的装置能够对子结构试件施加水平剪力并施加一对反向力偶以模拟弯矩，实现子结构试件的弯矩、剪力的耦合加载，更好模拟地震中剪力墙的破坏情况。
根据本公开，为了方便给予子结构试件竖向的轴力，如图1所示，所述竖向左加载器9和竖向右加载器21之间的所述加载主梁11与所述子结构之间可以设置有向所述子结构施加轴力的竖向中加载器22，所述竖向中加载器22的两端分别与所述加载主梁11和所述子结构铰接，竖向中加载器可以向子结构件试件施加压力，与弯矩和剪力一起实现综合加载，更好模拟地震中剪力墙的破坏情况，为提高建筑的抗震性能提供有效指导。
根据本公开，子结构用于模拟剪力墙，为了与现有高层剪力墙的构造更加相近，如图1所示，所述子结构由上至下可以包括多层竖直设置的墙片，相邻墙片之间可以通过水平设置的楼板15相连，所述水平加载器可以作用于所述楼板15上，从而实现水平方向剪力的模拟，水平加载器的数量可以根据子结构的层数进行设定，位于最上方的水平加载器称为主加载器，其余称为从加载器。另外，墙片上还可以开设有门洞24，以模拟剪力墙的门窗结构。
根据本公开，剪力墙在水平地震作用下受力与框架柱不同之处在于：剪力墙无反弯点，弯矩与剪力的耦合作用贯穿于整个墙体。为了更好地模拟水平剪力的作用，如图1所示，位于最上方的楼板15可以作用有所述水平加载器，位于最上方的楼板15下方的楼板15可以任选作用有所述水平加载器，从而可以根据地震的水平侧向力分布模式选择水平加载器的数量和位置。
根据本公开，加载立柱用于给予竖向加载器以反力，如图1-3所示，所述加载立柱可以为四根且分别为左前立柱3、左后立柱20、右前立柱13和右后立柱19，所述左前立柱3和左后立柱20的上端可以通过水平设置的左副梁10相连，所述右前立柱13和右后立柱19的上端可以通过水平设置的右副梁12相连，所述加载主梁11可以与所述左副梁10和右副梁12相连。本公开通过四根立柱以及连接在立柱之间的副梁和主梁形成空间框架体系，能够稳定地给予竖向加载器反力，提高装置稳定性。
进一步地，如图1-3所示，所述加载主梁11可以连接于所述左副梁10和右副梁12的底部，从而使主梁在为竖向加载器提供反力的时候为受压机制，副梁为主梁起到支座的作用，避免主梁受拉，其稳定性更好，受力更为合理。
为了防止子结构与加载器直接作用的部位受力过大而预先崩裂，如图1所示，所述子结构的顶部可以通过上加载梁14与所述竖向左加载器9和竖向右加载器21相连，所述子结构的底部可以通过地梁18与所述反力底座1相连，地梁18例如可以通过锚栓17与反力底座1相连，从而使加载器的作用力预先作用在上加载梁上，来自反力底座的反力先作用在地梁上，实现子结构上下部位的整体受力均匀。
为了更好地采集子结构在试验过程中的位移变化，所述楼板15和上加载梁14上可以设置有位移传感器。位移传感器的数量可以为多个，安装位置可以在每层墙片的顶部。
进一步地，为了测定子结构表面的应变情况，所述子结构外侧可以设置有应变片和/或应变花，应变片和/或应变花可以设置最下层墙片的底部和间隔该底部一段距离的位置以及其余墙片的楼板上方的位置。
根据本公开，所述反力墙4可以为混凝土剪切墙，从而具有良好的刚性和强度，其上可以设置有反力墙锚孔23以用于连接加载器。所述竖向左加载器9和竖向右加载器21可以为静态加载器，例如为千斤顶。
下面结合附图提供本公开的一种具体实施方式，但是并不因此而限制本公开。
如图1-3所示，本公开提供的装置包括反力底座1、反力墙4、加载框架以及水平加载器和竖向加载器，加载框架通过底部的反力底座锚固孔2锚固在反力底座1上方，水平加载器锚固在反力墙4上，竖向加载器连接在加载框架和子结构试件之间。反力底座1和反力墙4为整个加载提供竖向反力和水平反力。加载框架包括左前立柱3、左后立柱20、右前立柱13、右后立柱19、左副梁10、右副梁12和加载主梁11，左前立柱3、左后立柱20、右前立柱13、右后立柱19与反力底座1锚固连接，左副梁10和右副梁12与四个立柱螺栓连接，加载主梁11与左副梁10和右副梁12螺栓连接。加载器包括主加载器8、第一水平加载器5、第二水平加载器6、第三水平加载器7、竖向左加载器9、竖向右加载器21和竖向中加载器22。其中，主加载器8和第一水平加载器5、第二水平加载器6、第三水平加载器7连接在反力墙4与楼板15之间，向墙片施加水平剪力，并将子结构的反力传递到反力墙4上。竖向左加载器9、竖向右加载器21和竖向中加载器22连接在反力底座1与加载主梁11之间，向墙片施加竖向轴力和弯矩，并将子结构的反力传递到反力底座1上。
在子结构低周往复加载试验前，首先要得到试验模型的加载模式，使用有限元软件Sap2000对原型结构进行振型分解地震反应谱分析。提取分析结果，子结构中弯矩和剪力由水平地震作用引起并按照比例关系耦合。由于加载器只能施加推力和拉力，不能直接施加弯矩，因此试验将弯矩等效成力偶的形式加载，如图4所示。图4中两条相反的线表示正向加载及反向加载，箭头代表加载方向。试验时在子结构各层处各布置一个水平加载器，用来施加水平剪力V1、V2、V3、V4。在竖直方向左右两边布置两个竖向加载器，通过一对反向力偶F1和F2以实现对模型试件施加弯矩M，并使加载弯矩M与水平剪力V1、V2、V3和V4保持固定比例关系，进而实现弯矩和剪力的耦合加载，同时把竖向轴力N分配到中间竖向加载器，最终实现子结构试件的压、弯、剪综合加载。试验时，主加载器8为位移控制，其余第一水平加载器5、第二水平加载器6、第三水平加载器7及竖向左加载器9、竖向右加载器21、竖向中加载器22设为从加载器，控制为力控制加载，上述六个从加载器与顶层主加载器之间的力比例关系按分析得到的加载模式实施，并通过控制程序予以实现。试验时，主加载器8先加载到目标位移，然后第一水平加载器5、第二水平加载器6、第三水平加载器7及竖向左加载器9、竖向右加载器21、竖向中加载器22按照力比例加载到目标力，不断循环这个过程，直至完成所有目标位移试验结束。主加载器8和第一水平加载器5、第二水平加载器6、第三水平加载器7连接在反力墙4与楼板15之间，向墙片施加水平剪力，并将子结构的反力传递到反力墙4上。竖向左加载器9、竖向右加载器21、竖向中加载器22连接在反力底座1与加载主梁11之间，向墙片施加竖向轴力和弯矩，并将子结构的反力传递到反力底座1上。
如图3所示，加载框架包括左前立柱3、左后立柱20、右前立柱13、右后立柱19、左副梁10、右副梁12和加载主梁11，其中左前立柱3、左后立柱20、右前立柱13、右后立柱19与反力底座锚固连接，左副梁10和右副梁12与四个立柱螺栓连接，加载主梁11与左副梁10和右副梁12螺栓连接。加载主梁11放在左副梁10和右副梁12的下面，从而为竖向左加载器9、竖向右加载器21、竖向中加载器22提供反力的同时，加载主梁11为受压机制，稳定性更好。
如图5所示，本公开在计算最终基底剪力的时候，由于竖向左加载器9和竖向右加载器21在水平往复作用下会产生水平力分量ΔP1和ΔP2，因此基底剪力采用如下公式计算：
V＝V1+V2+V3+V4+ΔP
ΔP＝ΔP1+ΔP2≈P1×Δ2/L+P2×Δ2/L＝(P1+P2)×Δ2/L
其中，V为基底剪力，V1、V2、V3、V4为第一水平加载器5、第二水平加载器6、第三水平加载器7和主加载器8采集到的力，P1，P2为竖向左加载器9和竖向右加载器21采集的总力，L为竖向右加载器长度。
下面通过实施例来进一步说明本公开，但是并不因此而限制本公开。
实施例
实施例的试验原型为某十一层框架-剪力墙结构，实验原型结构按照《混凝土结构规范》(GB50010-2010)、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)以及《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)VII度(第二组)地区，III类场地进行抗震设防和设计。该结构的底层层高为4m，其他各层层高为3.2m，剪力墙的墙宽为3.6m，剪力墙的厚度为200mm，楼板厚度为100mm，混凝土材料为C30。
取该试验原型局部剪力墙部位的底部两层作为子结构试件，子结构试件与试验原型结构的缩尺比为1:2，截面尺寸为1800mm×100mm，一层层高为2000mm，二层层高为1600mm。为了使边界条件更能反映原型结构，在每层墙片两侧各伸出800mm的楼板，楼板厚度50mm，混凝土保护层厚度为10mm。设计二组子结构试件，进行拟静力加载，这三组模型的几何尺寸和配筋均相同，仅施加在模型上的荷载不同。
子结构试件进行依次浇筑，首先浇筑地梁，养护10天后，再浇筑墙体、楼板和上加载梁。地梁和上加载梁采用C35混凝土，墙体采用C30混凝土。
为了得到试验模型的加载模式，首先使用有限元软件Sap2000对11层原型结构进行VII度振型分解地震反应谱分析，分析结果见图6。分析结果可见，弯矩和剪力由水平地震作用引起并按照比例关系耦合，因此按照分析结果计算出弯矩和水平剪力的比例关系，将分析得到底部两层的弯矩和剪力的比例关系施加于试验模型。由于加载器只能施加推力和拉力，不能直接施加弯矩，因此试验将弯矩等效成力偶的形式加载，见图7所示。
本实施例在一层和二层中心处各布置一个加载器，用来施加水平横向力，其中一层采用50T静态作动器，二层采用100T静态作动器。以往剪力墙拟静力试验中多采用千斤顶施加竖向荷载，试验加载设备简单，忽略了上部结构传来的弯矩。为了真实模拟上部结构传递到下部剪力墙的弯矩，在竖直方向布置两个100T静态作动器加载，通过力偶的形式以实现对模型试件施加弯矩，并使加载弯矩与水平剪力保持固定比例关系。为防止剪力墙平面外失稳破坏，在一层、二层剪力墙中部和上加载梁处设置侧向支撑，支撑与墙面之间用滚轴相接。
为了探究轴压比、弯矩对剪力墙破坏的影响，设计了二个试件，这二个试件配筋、几何尺寸和混凝土标号一致，仅加载受力不同。试件一(SW1)考虑弯矩与剪力耦合作用，试件二(SW2)不考虑弯矩作用；试件一(SW1)和试件二(SW2)的轴压比为0.25。试件加载受力如图8-9所示。试验时，二层水平向作动器加载为位移控制，一层水平向作动器及两个竖向作动器为力控制加载，这三个作动器与二层水平向作动器之间的力比例关系按图7所示实施，并通过LabVIEW编制控制程序予以实现。
试验时，对试件先施加竖向荷载，取满载的40％～60％重复加载2-3次，以消除试件内部组织的不均匀性，然后再加载至满载并在试验过程中保持恒定轴力。取二层位移为控制位移，分别取剪力墙高度的1/2000、1/1000、1/800、1/400、1/300、1/200、1/150、1/120、1/100、1/80、1/70作为目标位移，每个目标位移循环加载两次。
试验结果表明，考虑弯剪耦合作用的试件SW1破坏时有大量水平裂缝及斜裂缝，试件最终发生弯曲破坏型侧向倒塌。不考虑弯矩作用的试件SW2破坏时有大量斜裂缝，试件最终发生弯剪破坏型侧向倒塌。实际震害调查显示剪力墙一般呈弯曲型破坏，有大量水平裂缝及斜裂缝，与试件SW1的破坏更为接近。试件SW1破坏承载力无明显下降，呈现较好的延性，滞回曲线饱满，耗能能力较好；试件SW2滞回曲线上的开裂拐点不太明显，有明显的屈服点，滞回曲线饱满程度和耗能能力低于SW1，与试件SW1相比，延性系数降低，说明不考虑弯矩作用，试件的极限变形能力和延性更差。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (10)
1.一种子结构试验加载装置，其特征在于，所述装置包括水平设置的反力底座(1)、垂直于所述反力底座(1)设置的反力墙(4)和设置于反力底座(1)上的加载框架，所述加载框架包括多根垂直连接反力底座(1)且间隔设置的加载立柱和水平设置于所述加载立柱之间的加载主梁(11)，所述反力底座(1)和加载主梁(11)之间形成有容纳子结构的容纳空间，所述子结构的底部与所述反力底座(1)顶部相连；
所述反力墙(4)与所述子结构之间设置有向所述子结构施加水平剪力的水平加载器，所述加载主梁(11)与所述子结构之间设置有向所述子结构加载反向力偶的竖向左加载器(9)和竖向右加载器(21)，所述竖向左加载器(9)的两端分别与所述加载主梁(11)和所述子结构铰接，所述竖向右加载器(21)的两端分别与所述加载主梁(11)和所述子结构铰接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述竖向左加载器(9)和竖向右加载器(21)之间的所述加载主梁(11)与所述子结构之间设置有向所述子结构施加轴力的竖向中加载器(22)，所述竖向中加载器(22)的两端分别与所述加载主梁(11)和所述子结构铰接。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述子结构由上至下包括多层竖直设置的墙片(16)，相邻墙片(16)之间通过水平设置的楼板(15)相连，所述水平加载器作用于所述楼板(15)上。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，位于最上方的楼板(15)作用有所述水平加载器，位于最上方的楼板(15)下方的楼板(15)任选作用有所述水平加载器。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加载立柱为四根且分别为左前立柱(3)、左后立柱(20)、右前立柱(13)和右后立柱(19)，所述左前立柱(3)和左后立柱(20)的上端通过水平设置的左副梁(10)相连，所述右前立柱(13)和右后立柱(19)的上端通过水平设置的右副梁(12)相连，所述加载主梁(11)与所述左副梁(10)和右副梁(12)相连。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述加载主梁(11)连接于所述左副梁(10)和右副梁(12)的底部。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述子结构的顶部通过上加载梁(14)与所述竖向左加载器(9)和竖向右加载器(21)相连，所述子结构的底部通过地梁(18)与所述反力底座(1)相连。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述楼板(15)和上加载梁(14)上设置有位移传感器。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述子结构外侧设置有应变片和/或应变花。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反力墙(4)为混凝土剪切墙，所述竖向左加载器(9)和竖向右加载器(21)为静态加载器。
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