CN108267319A - 轴压试验机支座转动刚度检测方法 - Google Patents

轴压试验机支座转动刚度检测方法 Download PDF

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陈颢元
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Abstract

本发明涉及一种轴压试验机支座转动刚度检测方法，具体为在轴压试件上、下端部设置应变测点，测量试件端部截面内的应力分布，在受压试验机支座上、下端部设置转动竖向位移测点，测量试验机支座转动角度；所测得端部应变数据与位移数据通过数据导线输入计算机；根据所测得应变数据计算得到试件端部截面弯矩，根据所测得竖向位移数据计算支座转动角度，最后由试件端部截面弯矩和支座转动角度计算得到轴压试验机的支座转动刚度。本发明有如下优点：检测方法操作简单、计算思路明晰、且结果可靠，通过计入两端支座实测的支座转动刚度，进而精确计算轴压试件的计算长度，从而可大大提高试验所得轴压稳定极限承载力的精度。

Description

轴压试验机支座转动刚度检测方法
技术领域
本发明涉及轴压试验技术领域，尤其是涉及一种轴压试验机支座转动刚度检测方法。
背景技术
每当对新型材料或新型组合材料的构件力学性能进行研究时，开展轴压稳定试验研究几乎成为一项必备工作。当前，不论是适用于理想弹性轴压杆的Euler公式，还是多部设计规范采用的Perry公式形式的计算公式，为精确计算构件的轴压杆极限稳定承载力，必须先明确轴压杆的实际计算长度。对于现在常见的轴压试验研究，通常选择在试件两端设置球铰、或单刀铰，然后假定轴压试件两端为理想铰接，而忽略试件两端支座转动刚度对轴压试件计算长度的影响。
然而事实上，对于这种轴压试验方法，试件两端支座不可避免的存在不为零、亦不为无穷大的转动刚度R，这将提高试件的极限承载力。在此情况下，通过试验获得的试件轴压承载力，比两端为铰接试件的承载力高，直接取试验值为承载能力是偏于危险的。
因此，轴压柱的计算长度系数μ，并不能简单的取为1.0、0.5或0.7，而是应通过实测其支座的转动刚度R，根据实际支座情况与轴压杆自身刚度进行修正，进而精确计算轴压杆的计算长度，以获得更精确、更可靠的试验极限承载力。
发明内容
本发明主要是解决现有轴压试验所存在的技术问题；提供了一种测量轴压试验机实际支座刚度的方法。此方法操作简单、计算思路明晰、且结果可靠，通过计入两端支座实测的支座转动刚度，进而精确计算轴压试件的计算长度，从而大大提高试验所得轴压稳定极限承载力的精度。
一种轴压试验机支座转动刚度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将轴压试件置于轴压试验机上、下支座之间；在轴压试件上、下端部侧壁分别布置多个应变片，用于测量轴压试件上、下端部截面的应变分布；在轴压试验机上支座下方沿平行或重合于轴压试件强轴方向布置至少两个竖向位移传感器，用于测量竖向位移传感器所对应的上支座位移测点的竖向位移；在轴压试验机下支座上方沿平行或重合于轴压试件强轴方向布置至少两个竖向位移传感器，用于测量竖向位移传感器所对应的下支座位移测点的竖向位移；
步骤2，对轴压试件进行轴压试验，获取应变数据和竖向位移数据；
步骤3，计算轴压试件上端部截面弯矩Ma和下端部截面弯矩Mb，
式中，Wx为轴压试件截面绕弱轴的截面抗弯抵抗矩；E为试件弹性模量；εmax,a和εmin,a分别为轴压试件下端部截面应变分布中的最大应变值和最小应变值；εmax,b和εmin,b分别为轴压试件上端部截面应变分布中的最大应变值和最小应变值；
步骤4，计算轴压试验机下支座转动角度θa和上支座转动角度θb，
式中：v2,a，v1,a分别为轴压试验机下支座上方其中两个竖向位移传感器测得的竖向位移，Da为这两个竖向位移传感器对应位移测点间的水平距离；v2,b，v1,b分别为轴压试验机上支座下方其中两个竖向位移传感器测得的竖向位移，Db为这两个竖向位移传感器对应位移测点间的水平距离；
步骤5，计算轴压试验机下支座转动刚度Ra和上支座转动刚度Rb
Ra＝Ma/θa，Rb＝Mb/θb
式中，Ma，Mb分别为轴压试件下端部截面弯矩和上端部截面弯矩；θa，θb分别为轴压试验机下支座转动角度和上支座转动角度。
上述步骤1中，轴压试件上端部侧壁上的应变片位于同一水平面上；轴压试件下端部侧壁上的应变片位于同一水平面上。
上述步骤1中，轴压试件上端部侧壁上的应变片均匀分布且位于同一水平面上；轴压试件下端部侧壁上的应变片均匀分布且位于同一水平面上。
上述步骤1中，轴压试件上、下端部侧壁各均匀布置至少6个应变片。
上述步骤1中，轴压试件上端部侧壁的应变片所在水平面尽量靠近轴压试件顶端，轴压试件下端部侧壁的应变片所在水平面尽量靠近轴压试件底端。
上述步骤4中，选取沿轴压试件的强轴、根据轴压试件形心对称布置的两个竖向位移传感器测得的位移，用于轴压试验机上、下支座转动角度的计算。
上述任一项所述的轴压试验机支座转动刚度检测方法的步骤1中，应变片、竖向位移传感器均与计算机信号连接，计算机用于采集、处理应变数据和竖向位移数据。
一种轴压试验机支座转动刚度检测装置，其特征在于：
包括轴压试验机，轴压试件，数据采集处理系统；
所述轴压试件置于轴压试验机上、下支座之间；
所述轴压试件上、下端部侧壁均设置有多个应变片，用于测量轴压试件的上、下端部截面应变分布；
所述轴压试验机上支座下方沿平行或重合于轴压试件强轴方向布置至少两个竖向位移传感器，用于测量竖向位移传感器所对应的上支座位移测点的竖向位移；所述轴压试验机下支座上方沿平行或重合于轴压试件强轴方向布置至少两个竖向位移传感器，用于测量竖向位移传感器所对应的下支座位移测点的竖向位移；
所述应变片、竖向位移传感器与与计算机通过数据导线连接构成数据采集处理系统。
作为优选，所述轴压试验机的上支座下方、下支座上方均设置有至少两个竖向位移传感器，其中两个竖向位移传感器沿轴压试件的强轴且根据轴压试件形心对称布置。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.采用本发明方法可解决以往受压试验中计算假定过多的问题，减小当理想支座如固接或铰接不能实现时，对轴压构件极限稳定承载力所带来的误差。
2.采用本发明方法可快速准确地将所测得参数(支座端部应变和转动竖向位移)转化为求解支座转动刚度所需的弯矩值M和转角值θ，最终求出端部支座刚度R。
3.采用本发明方法能直接明确加载装置的支座刚度约束情况，从而确定轴压构件的计算长度系数μ，进而提高试验承载力的精度。
4.通过采用数据导线与计算机相连的方法，可提高数据测量的效率与精度，减小人为读数所带来的误差。
5.本发明方法操作简单、计算思路明晰、且结果可靠，通过计入两端支座实测的支座转动刚度，进而精确计算轴压试件的计算长度，从而可大大提高试验所得轴压稳定极限承载力的精度。
本发明受国家自然科学基金面上项目：大规格高强度角钢压杆超强承载力特征及机理研究(基金号：51378401)资助。
附图说明
图1是本发明实施例为测量轴压试验机支座转动刚度而布置的应变测点和位移测点图。
图2是本发明实施例测量轴压试验机下部支座转动刚度的现场详图。
图3是本发明实施例测量轴压试验机上、下支座转动刚度的现场全貌图。
图4是本发明实施例试件端部支座转角示意图。
图5是本发明实施例轴压试验机下支座刚度～荷载(Ra～P)曲线。
图6是本发明实施例轴压试验机上支座刚度～荷载(Rb～P)曲线。
图中：1为支座端板；2为角钢轴压试件；3为位移计；4为应变片；5为轴压试验机上支座；6为轴压试验机下支座；
S-A，S-B，S-C，S-D，S-E，S-F，S-G，S-H为设于角钢轴压试件端部的应变测点；
DR-1，DR-2为位移测点；
x-x为角钢轴压试件的弱轴；
y-y为角钢轴压试件的强轴；
P为荷载(轴力加载值)；M为角钢轴压试件端部截面弯矩；
D为位移测点DR-1与DR-2间的水平距离；
O为角钢轴压试件的截面形心；
v1，v2分别表示位移测点DR-1，DR-2的竖向位移；
θ为支座转动角度；
R为支座转动刚度；
Ra为下支座转动刚度；
Rb为上支座转动刚度。
具体实施方式
本发明提供的一种轴压试验机支座转动刚度检测方法，包括以下步骤：
步骤1，试件端部应力分布与支座转动测量步骤：通过在轴压试件上、下端部设置应变测点，在轴压试验机两支座处设置位移测点，来测量试件端部截面内的应力分布和支座转动竖向位移，通过数据导线将所测数据传入计算机；
步骤2，试件端部截面弯矩M计算步骤：由应变片所测得的截面应变值，通过下式计算得到试件端部截面弯矩M；
上式中，Wx为试件截面绕弱轴(x-x)的截面抗弯抵抗矩；E为试件弹性模量；εmax和εmin分别为端部截面所测得的最大应变值和最小应变值。
步骤3，支座转动角度θ计算步骤：由支座处位移计所测得的竖向位移变化量，通过下式计算得到支座的转动角度θ；
上式中，D表示支座的两个位移计间的水平距离；v1、v2分别表示支座的两个位移测点的竖向位移。
步骤4，支座转动刚度R计算步骤：由以上步骤得到的试件端部截面弯矩M和支座的转动角度θ，通过下式计算得到支座转动刚度R；
R＝Mθ
步骤5，将步骤1测得的上支座的应变数据和竖向位移数据，结合步骤2-4中的公式，可计算得到上支座转动刚度；同理，将步骤1测得的下支座的应变数据和竖向位移数据，结合步骤2-4中的公式，可计算得到下支座转动刚度。
下面通过以大规格高强度角钢(肢宽为220mm，肢厚为20mm，长细比为40，材质为Q420)作为轴压试件，来实施轴压试验机支座转动刚度检测的实例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。需说明的是，本发明方法不仅局限于大规格高强度角钢，对于其他截面形式或是其他强度的构件，本发明方法也具备通用性，此处仅是以大规格高强度角钢为例进行说明。
一种轴压试验机支座转动刚度检测方法，包括以下步骤：
步骤1，测量角钢轴压试件端部应力分布与支座转动，具体步骤如下：
步骤1.1，将角钢轴压试件放置于轴压试验机上、下支座之间，在角钢轴压试件的上、下端10cm处各均匀布置6处应变测点(S-A，S-B，S-C，S-D，S-E，S-F，S-G，S-H)，应变测点处设置应变片，用以测量角钢端部截面应变分布，如图1、图2所示；
步骤1.2，在轴压试验机上、下两个支座处，沿角钢轴压试件的强轴(y-y)轴、根据角钢轴压试件形心对称各布置两处位移测点(DR-1，DR-2)，在位移测点附近设置位移计，用于测量位移测点的竖向位移，用以计算支座转角，如图1、图2所示；
步骤1.3，结合角钢轴压试件的轴压加载试验，对支座刚度进行测量，如图3所示；计算机通过应变片获取各应变测点的应变值εA，εB，εC，εD，εE，εF，εG，εH,；
步骤2，计算角钢轴压试件端部截面弯矩M，由应变片所测得的截面应变值，带入(1)式计算得到角钢轴压试件端部截面弯矩M；
上式中，Wx为试件截面绕弱轴(x-x)的截面抗弯抵抗矩；E为试件弹性模量；εmax和εmin分别为εA、εB、εC、εD、εE、εF、εG，εH中最大应变值和最小应变值。轴压试件上、下端部截面的Wx通过查表可得，E是轴压构件恒定值，这两个参数由构件本身性质决定。
步骤3，计算支座转动角度θ，通过计算机读入由支座处位移计所测得的竖向位移变化量，如图4所示，并用(2)式计算得到支座转动角度θ，本实例中的位移测点DR-1，DR-2间的水平距离D＝760mm；v1、v2分别表示位移测点DR-1，DR-2的竖向位移；
步骤4，计算支座刚度R：由以上步骤得到的角钢轴压试件端部截面弯矩M和支座的转动角度θ，通过(3)式计算得到上、下支座刚度R：
R＝M/θ(3)
步骤5，基于上述步骤2-3，结合步骤1测得的上支座的应变数据和竖向位移数据，通过计算可得到上支座转动刚度；同理可计算得到下支座转动刚度。
结合试件的轴压加载，对支座刚度进行检测。检测的支座转动刚度的最终结果，见图5和图6所示。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了应变片、位移计、计算机、数据导线等术语，以及较多的使用了Ma、Mb、E、εmax,a、εmin,a、εmax,b、εmin,b、v2,a，v1,a、v2,b，v1,b、Da、Db等参数符号，但并不排除使用其它术语和参数符号的可能性。使用这些术语和参数符号仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.一种轴压试验机支座转动刚度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将轴压试件置于轴压试验机上、下支座之间；在轴压试件上、下端部侧壁分别布置多个应变片，用于测量轴压试件上、下端部截面的应变分布；在轴压试验机上支座下方沿平行或重合于轴压试件强轴方向布置至少两个竖向位移传感器，用于测量竖向位移传感器所对应的上支座位移测点的竖向位移；在轴压试验机下支座上方沿平行或重合于轴压试件强轴方向布置至少两个竖向位移传感器，用于测量竖向位移传感器所对应的下支座位移测点的竖向位移；
步骤2，对轴压试件进行轴压试验，获取应变数据和竖向位移数据；
步骤3，计算轴压试件上端部截面弯矩Ma和下端部截面弯矩Mb，
式中，Wx为轴压试件截面绕弱轴的截面抗弯抵抗矩；E为试件弹性模量；εmax,a和εmin,a分别为轴压试件下端部截面应变分布中的最大应变值和最小应变值；εmax,b和εmin,b分别为轴压试件上端部截面应变分布中的最大应变值和最小应变值；
步骤4，计算轴压试验机下支座转动角度θa和上支座转动角度θb，
式中：v2,a，v1,a分别为轴压试验机下支座上方其中两个竖向位移传感器测得的竖向位移，Da为这两个竖向位移传感器对应位移测点间的水平距离；v2,b，v1,b分别为轴压试验机上支座下方其中两个竖向位移传感器测得的竖向位移，Db为这两个竖向位移传感器对应位移测点间的水平距离；
步骤5，计算轴压试验机下支座转动刚度Ra和上支座转动刚度Rb
Ra＝Ma/θa，Rb＝Mb/θb
式中，Ma，Mb分别为轴压试件下端部截面弯矩和上端部截面弯矩；θa，θb分别为轴压试验机下支座转动角度和上支座转动角度。
2.根据权利要求1所述的轴压试验机支座转动刚度检测方法，其特征在于：
上述步骤1中，轴压试件上端部侧壁上的应变片位于同一水平面上；轴压试件下端部侧壁上的应变片位于同一水平面上。
3.根据权利要求2所述的轴压试验机支座转动刚度检测方法，其特征在于：
上述步骤1中，轴压试件上端部侧壁上的应变片均匀分布且位于同一水平面上；轴压试件下端部侧壁上的应变片均匀分布且位于同一水平面上。
4.根据权利要求2所述的轴压试验机支座转动刚度检测方法，其特征在于：
上述步骤1中，轴压试件上、下端部侧壁各均匀布置至少6个应变片。
5.根据权利要求2所述的轴压试验机支座转动刚度检测方法，其特征在于：
上述步骤1中，轴压试件上端部侧壁的应变片所在水平面尽量靠近轴压试件顶端，轴压试件下端部侧壁的应变片所在水平面尽量靠近轴压试件底端。
6.根据权利要求1所述的轴压试验机支座转动刚度检测方法，其特征在于：
上述步骤4中，选取沿轴压试件的强轴、根据轴压试件形心对称布置的两个竖向位移传感器测得的位移，用于轴压试验机上、下支座转动角度的计算。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的轴压试验机支座转动刚度检测方法，其特征在于：
上述步骤1中，应变片、竖向位移传感器均与计算机信号连接，计算机用于采集、处理应变数据和竖向位移数据。
8.一种轴压试验机支座转动刚度检测装置，其特征在于：
包括轴压试验机，轴压试件，数据采集处理系统；
所述轴压试件置于轴压试验机上、下支座之间；
所述轴压试件上、下端部侧壁均设置有多个应变片，用于测量轴压试件的上、下端部截面应变分布；
所述轴压试验机上支座下方沿平行或重合于轴压试件强轴方向布置至少两个竖向位移传感器，用于测量竖向位移传感器所对应的上支座位移测点的竖向位移；所述轴压试验机下支座上方沿平行或重合于轴压试件强轴方向布置至少两个竖向位移传感器，用于测量竖向位移传感器所对应的下支座位移测点的竖向位移；
所述应变片、竖向位移传感器与与计算机通过数据导线连接构成数据采集处理系统。
9.一种轴压试验机支座转动刚度检测装置，其特征在于：
所述轴压试验机的上支座下方、下支座上方均设置有至少两个竖向位移传感器，其中两个竖向位移传感器沿轴压试件的强轴且根据轴压试件形心对称布置。
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