CN109030253A - 圆钢管超低周疲劳试验装置及塑性变形采集方法 - Google Patents
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Abstract
本试验装置用于圆钢管的超低周疲劳破坏试验,其主要包括反力架装置、FCS电液伺服结构试验系统、限位装置、螺栓球和钢管组合试件、边界固接系统。本试验操作步骤简单,作动器固定于门式反力架,施加荷载时通过三向水平限位支架保证作动器作用于螺栓球与圆钢管组合结构的力为轴向力,FCS电液伺服结构试验系统对高强螺栓管球组配构件施加循环往复荷载,并收集杆端力与位移的数据,整个装置安全稳定性好,提高试验结果的准确性与稳定性,可实现对圆钢管在超低周疲劳下的试验研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种大位移轴向加载试验装置,尤其涉及一种圆钢管与螺栓球组合试件的超低周疲劳试验装置及钢管塑性变形采集方法。
背景技术
大跨度螺栓球网格结构公共建筑除完成日常的公共活动功能外,还要求其承担地震避难所的功能,螺栓球网格结构的抗震性能具有很好的研究价值。历次震害表明,强震下螺栓球网格结构的破坏表现为杆件屈曲或拉断、杆中形成塑性铰并伴随断裂等,这些破坏的杆件经历了数次循环塑性应变的过程,其破坏形态具有超低周疲劳破坏的特征。试验是研究圆钢管在往复荷载作用下的性能的常用方法,但目前有关开展圆钢管超低周疲劳试验的试验装置和塑性采集方法尚未见到报道。
所述螺栓球和钢管组合试件包括上螺栓球、套筒、顶丝、高强螺栓、圆钢管、下螺栓球,上螺栓球通过高强螺栓、套筒与圆钢管一端的封板实现连接,下螺栓球通过高强螺栓、套筒与圆钢管另一端的封板实现相连接。
发明内容
本发明的目的是提供一种对圆钢管施加大位移循环往复加载的试验装置,并对圆钢管发生塑性变形的区域进行划定,进一步对塑性变形数据进行采集。
本发明解决其技术问题所采用如下技术方案:圆钢管超低周疲劳试验装置,包括门式反力架、位于门式反力架后方正中的加载支架以及包含有作动器的电液伺服结构试验系统;作动器竖直连接在门式反力架的横梁中部下方,作动器的端头朝下且连接有联系梁,门式反力架的左、右竖直架以及加载支架上均设有竖向的滑槽;所述联系梁左右两侧分别通过一个限位支架滑动连接在门式反力架的左、右竖直架上的滑槽内;联系梁的后侧也通过一个限位支架滑动连接在加载支架上的滑槽内;限位支架均呈水平设置且长度可调;联系梁的底部连接有上支座,位于上支座正下方的地面上安装有高度可调的底支座,上支座和底支座上均开有用于连接螺栓球与圆钢管的组合试件的螺栓孔。
采用本装置可有效开展钢管在超低周疲劳下的破坏形态研究和塑性变形研究。使用时,螺栓球与圆钢管的组合试件通过高强螺栓连接于上下支座。
所述作动器、联系梁、上部支座、底支座的重心连线与地表垂直,保证圆钢管受轴心往复荷载作用。
所述门式反力装置满足加载试验刚度的要求,由H型钢柱和箱型梁通过地脚锚栓和高强螺栓连接。滑槽设在H型钢珠的横段上。
所述加载装置的作动器底座通过长杆高强螺栓固定于门式反力架的箱型横梁上,作动器头部(端头)通过高强螺栓连接联系梁,联系梁三向侧面连接限位支架,上表面连接作动器,下表面连接上支座,将动力装置与试件有效的组合在一起。
所述限位支架中间设有法兰圆盘,有效调节限位支架与滑槽的间距,限位支架一端连接联系梁,另一端焊有抱钩与连接于门式反力架和加载支架上的滑槽连接。
所述的垫板设有地脚螺母并调节至水平,垫板满足试验刚度要求,底支座钻孔通过高强螺栓连接垫板形成刚性固定边界。
本发明还提供一种圆钢管塑性变形采集方法,该方法包括:
圆钢管塑性变形通过截面形状的变化表现出来,由未加载的圆形截面变为加载后的椭圆形截面,用截面椭圆度来衡量圆钢管发生塑性变形的范围;
a、预先将圆钢管沿轴向以杆件中点截面为始点上下300mm范围内每20mm取一个截面,共31个截面,每个截面标定四个等分点,并保持每层截面四等分点竖向保持一条直线;
b、通过ArtecEVA3D扫描仪和游标卡尺分别记录原始直径和加载后力卸载为零时的截面直径并进行对比,确保数据准确;
c、通过ArtecEVA3D扫描仪数据直径的变化得知钢管轴向发生塑性变形的范围;
d、在得知圆钢管发生塑性变形区域的范围内测量出塑性变形区域钢管的椭圆度:提取截面直径大值、小值分别为长、短轴直径,并令长轴与短轴变化值的差除初始直径的平均值为椭圆度;
e、塑性变形区域钢管的缩颈量:令加载后截面椭圆化面积与原始截面面积的差除原始截面面积的百分数为缩颈量;
f、测量钢管在反复循环荷载作用下发生断裂以后塑性变形区域钢管的伸长量:记录断后塑性变形区域标定点长度并减去原始长度即为塑性变形区域钢管的伸长量;
g、预先将钢管端部和中点截面四等分,并保持每层截面四等分点沿轴向保持一条直线,四等分点作为控制点;
h、用南方测绘NST-360R型全站仪记录圆钢管控制点的坐标及加载后的变化过程,利用坐标求出圆钢管在荷载作用下挠度及变化与ArtecEVA3D扫描仪所求挠度进行对比,确保数据准确;
i、为对圆钢管杆件断口处壁厚变化进行测量,使用标智GM130型超声波测厚仪,并结合游标卡尺对断口附近壁厚进行测量,在得到断口厚度变化情况后,在断口截面厚度最薄和最厚处沿轴向以10mm为间隔布置10个测点,研究壁厚沿杆件轴线方向的变化;
j、前述加载中,圆钢管两端均通过高强螺栓、套筒连接有上下螺栓球,构成螺栓球和钢管组合试件;上螺栓球通过高强螺栓与上支座相连接,下螺栓球通过高强螺栓与底支座相连接;并保证作动器、联系梁、上支座、底支座的重心连为一条直线且与水平地面垂直;对试件进行加载直至试件发生断裂、力卸载为零为止。
本发明装置及塑性变形采集方法具有如下技术优势:
本发明试验装置通过设置加载装置、限位装置、边界固接装置、反力架装置可实现结构轴向大位移循环往复加载试验。
本发明试验装置的限位系统能将作动器的力全部传给上支座而没有发生明显摩擦致使能量的损失。
作动器固定于门式反力架,施加荷载前通过调节三向水平限位支架上的法兰圆盘保证作动器作用于螺栓球与圆钢管组合试件的力为轴向力;同时利于进行装置在长时间循环往复荷载作用下的位移偏差矫正。
FCS电液伺服结构试验系统对高强螺栓管球组配构件施加循环往复荷载作用,收集到杆端位移与作动器位移基本相同,说明整个装置安全稳定性好,提高试验结果的准确性与稳定性,可实现对圆钢管在超低周疲劳下的试验研究。
本发明为螺栓球网架生产企业提供模型试验装置,也可用于学生结构设计实验平台,也可根据需要让学生自行设计螺栓球节点试验,开展自主创新型试验。
本发明设计的圆钢管塑性采集方法较为准确的寻找到钢管在荷载作用的沿钢管轴向发生塑性变形的区域及圆钢管发生塑性变形特有的变形特征,如椭圆化、缩颈、伸长,并补充椭圆度、缩颈量、伸长量的测量方法。
附图说明
图1是本发明装置的正视图。
图2是本发明装置的侧视图。
图3是本发明装置的俯视图。
图4是钢管塑性变形测量标记示意图。其中上图表示沿轴向以杆件中点截面为始点上下每200mm取一个截面;下图表示每个截面标定四个等分点。
图5限位支架的结构示意图。
图中:1、门式反力架,2、作动器,3、联系梁,4、限位支架,5、滑槽,6、上支座,7、螺栓球与钢管组合试件,8、底支座,9、地脚螺栓及垫板,10、加载支架,11、法兰圆盘,12-抱钩,13-螺杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参照图1~4,本发明的圆钢管施加循环往复加载试验装置,圆钢管超低周疲劳试验装置包括:门式反力架1,作动器2、加载支架10,限位支架4,联系梁3,法兰圆盘11、上支座6,螺栓球与圆钢管的组合试件7,底支座8,地脚螺栓及垫板9。作动器底座用长杆锚栓连接于门式反力架横梁(还通过钢丝绳缠绕紧固),作动器端头用高强螺栓连接联系梁3,所述正方形的联系梁左、右、后三向连接限位支架4,限位支架4另一端焊有抱钩12与连接于反力架上的滑槽5连接(滑动限位于滑槽内)。联系梁3下表面通过高强螺栓连接上支座6,螺栓球与圆钢管的组合试件7通过高强螺栓连接于上下支座,底支座8通过高强螺栓连接于垫板上,垫板用地脚锚栓固定于地面。本试验杆端力与位移数据采集通过FCS电液伺服结构试验系统收集。
所述滑槽的槽壁内侧也开有凹槽,抱钩伸入滑槽内后还通过相应的限位块伸入滑槽槽壁的凹槽内,这样抱钩和滑槽就实现了限位,不会脱离滑槽,只能够在滑槽内上下运动。
所述的限位支架必须保证可以随着联系梁的运动而发生上下活动,通过法兰圆盘调节限位支架长度保证构件轴心受力,对作动器的活动起到约束作用。两个法兰圆盘通过螺杆连接,可以方便长度调节。
螺栓球与支座,螺栓球与钢管的连接都通过高强螺栓紧固,在进行安装试验试件时保证人工拧紧,保证连接节点的刚度满足试验要求。
安装时保证作动器、联系梁、上部支座、底支座的重心连线与地表面垂直。
通过地脚锚栓将垫板固定于地表,形成满足试验要求的固定台座,调节垫板使之水平,底支座用高强螺栓固定于垫板上。
进行试验模型施加荷载前,依次从下而上调节螺栓球与钢管组合试件各螺栓的紧固程度,使作动器的位移接近于钢管端部位移,将传感器采集到的力和位移信号传输到电脑中。
本实施例还提供一种圆钢管塑性变形采集方法,该方法包括:
预先沿轴向以杆件中点截面为始点上下每20mm取一个截面,共31个截面,每个截面标定四个等分点,并保持每层截面四等分点竖向保持一条直线;用游标卡尺测量杆件原始直径和加载完成力卸载为零后标定截面处直径,同时用3D扫描仪扫描杆件,将扫描的杆件模型剖开横截面测量四等分点圆截面的直径并与游标卡尺测量数据对比,验证数据采集的精度。
通过分析3D扫描仪数据直径的变化得知钢管延轴向塑性变形的范围,在塑性变形的范围内提取截面直径大值、小值分别为长、短轴直径,并令长轴与短轴变化值的差除初始直径的平均值为椭圆度,求出塑性变形区域内钢管的椭圆度。令加载后截面椭圆化面积与原始截面面积的差除原始截面面积的百分数为缩颈量,求出塑性变形区域内钢管的缩颈量。记录断后塑性变形区域标定点长度并减去原始长度即为塑性变形区域钢管的伸长量。
预先将钢管端部和中点截面四等分,并保持每层截面四等分点沿轴向保持一条直线,四等分点作为控制点。
利用南方测绘NST-360R型全站仪记录杆件控制点的坐标及加载后的变化过程,利用坐标求出杆件挠度的变化与ArtecEVA3D扫描仪所求挠度进行对比,确保数据准确。
为对圆钢管杆件断口处壁厚变化进行测量,使用标智GM130型超声波测厚仪,并结合游标卡尺对断口附近壁厚进行测量,在得到断口厚度变化情况后,在断口截面厚度最薄和最厚处沿轴向以10mm为间隔布置10个测点,研究壁厚沿杆件轴线方向的变化。
当然上述说明并非是对本发明的限值,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换,也属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.圆钢管超低周疲劳试验装置,其特征在于,包括门式反力架(1)、位于门式反力架(1)后方正中的加载支架(10)以及包含有作动器(2)的电液伺服结构试验系统;作动器(2)竖直连接在门式反力架(1)的横梁中部下方,作动器(2)的端头朝下且连接有联系梁(3),门式反力架(1)的左、右竖直架以及加载支架(10)上均设有竖向的滑槽(5);所述联系梁(3)左右两侧分别通过一个限位支架(4)滑动连接在门式反力架(1)的左、右竖直架上的滑槽(5)内;联系梁(3)的后侧也通过一个限位支架(4)滑动连接在加载支架(10)上的滑槽(5)内;限位支架(4)均呈水平设置且长度可调;联系梁(3)的底部连接有上支座(6),位于上支座(6)正下方的地面上安装有高度可调的底支座(8),上支座(6)和底支座(8)上均开有用于连接螺栓球与圆钢管的组合试件(7)的螺栓孔;作动器(2)、联系梁(3)、上支座(6)、底支座(8)的重心连线与地表垂直。
2.依据权利要求1所述的圆钢管超低周疲劳试验装置,其特征在于:联系梁(3)为正方形,联系梁(3)左、右、后三向连接限位支架(4),每个限位支架(4)另一端焊有抱钩(12)并通过抱钩(12)与门式反力架(1)以及加载支架(10)上的滑槽(5)连接。
3.依据权利要求2所述的圆钢管超低周疲劳试验装置,其特征在于:限位支架(4)分为两段,两段相对的一端均设有法兰圆盘(11),法兰圆盘(11)之间通过螺杆(13)连接以实现限位支架(4)的长度调节。
4.依据权利要求1~3任一项所述的圆钢管超低周疲劳试验装置,其特征在于:电液伺服结构试验系统中的作动器(2)底座通过长杆螺栓与门式反力架(1)横梁固定,端头通过高强螺栓与联系梁(3)顶部连接。
5.依据权利要求1~3任一项所述的圆钢管超低周疲劳试验装置,其特征在于:通过地脚锚栓将垫板固定于地表,形成满足试验要求的固定台座,调节垫板使之水平,底支座(8)用高强螺栓固定于垫板上。
6.依据权利要求5所述的圆钢管超低周疲劳试验装置,其特征在于:将联系梁(3)钻孔通过高强螺栓与上支座(6)连接。
7.依据权利要求1~3任一项所述的圆钢管超低周疲劳试验装置,其特征在于:门式反力架(1)包括一对竖直设置的H型钢柱以及连接在H型钢柱顶端的箱型梁;H型钢柱通过地脚锚栓固定于地面,H型钢柱与箱型梁之间通过高强螺栓连接。
8.圆钢管塑性变形采集方法,其特征在于,采用权利要求1~7所述的圆钢管超低周疲劳试验装置来实现,该方法包括:
a、预先将圆钢管沿轴向以杆件中点截面为始点上下300mm范围内每20mm取一个截面,共31个截面,每个截面标定四个等分点,并保持每层截面四等分点竖向保持一条直线;
b、通过ArtecEVA3D扫描仪和游标卡尺分别记录原始直径和加载后力卸载为零时的截面直径并进行对比,确保数据准确;
c、通过ArtecEVA3D扫描仪所得直径的变化得知钢管轴向发生塑性变形的范围;
d、在得知圆钢管发生塑性变形区域的范围内测量出塑性变形区域钢管的椭圆度:提取截面直径大值、小值分别为长、短轴直径,并令长轴与短轴变化值的差除初始直径的平均值为椭圆度;
e、塑性变形区域钢管的缩颈量:令加载后截面椭圆化面积与原始截面面积的差除原始截面面积的百分数为缩颈量;
f、测量钢管在反复循环荷载作用下发生断裂以后塑性变形区域钢管的伸长量:记录断后塑性变形区域标定点长度并减去原始长度即为塑性变形区域钢管的伸长量;
g、 预先将钢管端部和中点截面四等分,并保持每层截面四等分点沿轴向保持一条直线,四等分点作为控制点;
h、用南方测绘NST-360R型全站仪记录圆钢管控制点的坐标及加载后的变化过程,利用坐标求出圆钢管在荷载作用下挠度及变化与ArtecEVA3D扫描仪所求挠度进行对比,确保数据准确;
i、为对圆钢管杆件断口处壁厚变化进行测量,使用标智GM130型超声波测厚仪,并结合游标卡尺对断口附近壁厚进行测量,在得到断口厚度变化情况后,在断口截面厚度最薄和最厚处沿轴向以10mm为间隔布置10个测点,研究壁厚沿杆件轴线方向的变化;
j、前述加载中,圆钢管两端均通过高强螺栓连接有上下螺栓球,构成螺栓球和钢管组合试件(7);上螺栓球通过高强螺栓与上支座(6)相连接,下螺栓球通过高强螺栓与底支座(8)相连接;并保证作动器(2)、联系梁(3)、上支座(6)、底支座(8)的重心连为一条直线且与水平地面垂直;对试件进行循环往复加载直至试件发生断裂、力卸载为零为止。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
CB03 | Change of inventor or designer information | ||
CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Li Haiwang Inventor after: Song Xiayun Inventor after: Qiao Yongqiang Inventor after: Zhang Jie Inventor after: Chao Yang Inventor before: Li Haiwang Inventor before: Qiao Yongqiang Inventor before: Zhang Jie Inventor before: Song Xiayun Inventor before: Chao Yang |
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GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |