CN109269896B - 一种多角度荷载施加装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多角度荷载施加装置及方法，它解决了现有技术中只能实现较小荷载的试验，倾斜荷载试验操作复杂的问题，具有实现不同角度拉力和压力荷载试验的有益效果，其方案如下：一种多角度荷载施加装置，包括底座，底座用于支撑试验模型；支架，支架通过底座支撑，且支架设于试验模型的外侧；斜向支撑梁，斜向支撑梁通过支架支撑，且斜向支撑梁相对于底座的高度可调，且斜向支撑梁设置滑轨，滑轨与荷载施加件可拆卸连接，且荷载施加件朝向试验模型位置设置，通过滑轨的移动，荷载施加件位置发生变化，并在滑轨设定位置处对试验模型内试验件施加荷载。

Description

一种多角度荷载施加装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，特别是涉及一种多角度荷载施加装置及方法。

背景技术

在岩土工程领域，当涉及到结构极限承载力、变形和稳定性问题时，常常采用模型载荷试验研究结构的受力变形特性。对于建筑结构物桩基、锚杆、锚板、基坑支护等结构，除承受常见的水平荷载和竖向荷载之外，还承受倾斜荷载，如风荷载、倾斜锚定板/锚杆等结构。因此对于这类结构，应考虑复杂荷载情况下(倾斜荷载、水平荷载和竖向荷载组合)结构的承载机理和极限承载。对于水平荷载和竖向荷载，可采用水平剪力墙和反力架实现荷载施加，对于倾斜荷载，目前没有一个装置能进行适当的加载试验，现有技术主要是采用砝码，但砝码只能用于荷载较小的结构测量，而且砝码固定位置单一，固定角度较为单一，具体通过手动调整结构物位置或者荷载施加点位置实现倾斜荷载的施加，这种方法只适用于施加拉拔荷载，且试验过程中需准确调整荷载施加点才能准确定位荷载倾斜角度，操作复杂，不易找点。而且对于量值较大的倾斜拉拔荷载情况，或者压力/推力荷载，目前仍没有可靠有效的加载装置和方法。

因此，需要对一种多角度荷载施加装置进行新的研究设计。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种多角度荷载施加装置，能实现不同角度下荷载的时间，而且能实现拉力和压力荷载或者不同荷载形式组合的施加，解决了目前试验方法操作复杂且最大施加荷载有限的技术难题。

一种多角度荷载施加装置的具体方案如下：

一种多角度荷载施加装置，包括：

底座，底座用于支撑试验模型；

支架，支架通过底座支撑，且支架设于试验模型的外侧；

斜向支撑梁，斜向支撑梁通过支架支撑，且斜向支撑梁相对于底座的高度可调，且斜向支撑梁设置滑轨，滑轨与荷载施加件可拆卸连接，且荷载施加件朝向试验模型位置设置，通过滑轨的移动，荷载施加件位置发生变化，并在滑轨设定位置处对试验模型内试验件施加荷载。

上述的荷载施加装置，通过斜向支撑梁滑轨的设置，可便于调整荷载施加件相对于试验模型的倾斜角度，实现多角度倾斜荷载的施加，而且能实现较大荷载的施加，用于研究试验件结构的承载机构和极限承载情况，较为方便，试验可靠。

进一步地，为了拓宽试验范围，所述荷载施加件为双向荷载施加件，实现压力和推力荷载的施加。

进一步地，所述荷载施加件为砝码或双向加载千斤顶，具体砝码可用于较小荷载的施加，通过手动施加荷载，也可通过双向加载千斤顶实现较大荷载的设置，可根据具体试验要求，安装砝码或是加载千斤顶，因此荷载施加件与滑轨可拆卸连接，一些方案中，通过螺栓连接。

进一步地，所述斜向支撑梁滑轨安装有多个所述的荷载施加件，这样一个荷载施加件为砝码，另一个荷载施加件选择双向加载千斤顶，根据试验要求选择砝码或双向加载千斤顶进行工作。

进一步地，所述斜向支撑梁设置刻度，通过刻度的设置便于确定荷载施加件的位置。

进一步地，所述支架包括若干根立柱，在横向截面方向，若干根立柱构成的点为三角形的三个点，所述的斜向支撑梁通过立柱支撑。

进一步地，所述立柱为三根，其中第一立柱与第二立柱通过纵向吊装梁连接，另一立柱即第三立柱通过横向吊装梁与纵向吊装梁的中部连接，所述的斜向支撑梁一端设于第三立柱，另一端设于横向吊装梁与纵向吊装梁的连接处；

且斜向支撑梁中段设置固定支架与所述的支架连接，固定支架与横向吊装梁连接，这样通过调整横向吊装梁的高度，实现斜向支撑梁高度的调整；

进一步地，纵向吊装梁相对于第一立柱、第二立柱的高度可调，横向吊装梁相对于第三立柱的高度同样可调，在一些方案中，第一立柱、第二立柱和第三立柱设置多排螺栓孔，吊装梁与立柱通过螺栓螺母实现连接，根据试验件的尺寸，来调整纵向吊装梁和横向吊装梁的高度，也就实现斜向支撑梁高度的调整。

进一步地，所述底座表面导轨，所述的立柱安装于导轨，且其中至少一根立柱的一侧设有直线推动机构，或者，其中至少一导轨的一侧设置直线推动机构，一些方案中，直线推动机构为气缸或液压缸或双向千斤顶，带动立柱沿着导轨往复移动。

或者，所述底座表面设置轨道，所述支架与轨道配合实现支架的移动，在一些方案中，轨道为设于底座的凹槽，支架与凹槽配合实现移动。

进一步地，所述斜向支撑梁为弯曲工字梁，通过工字梁即形成滑轨，滑轨与荷载施加件之间通过滑块实现连接，且滑块相对于滑轨的位置可实现固定，在一些方案中，通过螺栓实现滑块位置的固定。

进一步地，所述荷载施加件与扁形接头连接以通过扁形接头向试验模型中的试验件施加荷载，荷载施加件处设置位移传感器和荷载传感器，当荷载施加件为加载千斤顶时，荷载传感器安装于扁形接头与加载千斤顶之间，扁形接头通过钢筋或钢绞线与试验件连接，位移传感器设于荷载施加件用于确定加载千斤顶的伸长量，千斤顶的伸长量就是实际施加荷载后的位移，或者，位移传感器设于试验件，或者位移传感器设于试验件的上方，测定试验件顶部的位移；

位移传感器和荷载传感器分别与控制器连接，当荷载施加件为加载千斤顶时，控制器与荷载施加件连接，这样通过荷载传感器对施加荷载进行测量，以调整加载千斤顶施加荷载的大小。

一种多角度荷载施加装置的使用方法，具体步骤如下：

1)确定设定尺寸的试验件，并初步确定荷载大小；

2)将试验件设于试验模型内，并将试验模型固定于底座；

3)通过荷载施加件向试验件提供荷载；

4)调整荷载施加件相对于斜向支撑梁的位置，进行0～90°倾斜荷载的加载。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明通过斜向支撑梁和滑轨的设置，能够实现荷载施加件角度的调整，实现多角度荷载的施加，满足现有的试验需求。

2)本发明通过斜向支撑梁的设置，能实现与砝码或是加载千斤顶的连接，根据具体情况选择适当的荷载施加件，而且通过双向加载千斤顶的设置，既可以施加拉力，由可以施加推力，可以用于锚杆/板拉拔和桩基受荷等多种结构和荷载工况的试验模拟。

3)本发明通过压力传感器和位移传感器的设置，可实现位移控制加载和荷载法加载，满足复杂的试验工况和需求。

4)本发明通过在斜向支撑梁设置多个加载系统，可实现不同方向荷载耦合作用时结构受荷的模拟。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明一种多角度荷载施加装置示意图；

图2为本发明采用砝码的多角度荷载施加装置示意图；

图3为采用个千斤顶的多角度荷载施加装置示意图；

其中：1、底座，2、第一立柱，3、横向吊装梁，4、纵向吊装梁，5、弯曲工字梁，6、滑块，7、加载千斤顶，8、位移传感器，9、荷载传感器，10、双向千斤顶，11、导轨，12、扁形接头，13、固定支架，14、砝码，15、第二立柱，16、第三立柱。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种多角度荷载施加装置。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种多角度荷载施加装置，包括底座1，底座1用于支撑试验模型；支架，支架通过底座1支撑，且支架设于试验模型的外侧；斜向支撑梁，斜向支撑梁通过支架支撑，且斜向支撑梁相对于底座的高度可调，且斜向支撑梁设置滑轨，滑轨与荷载施加件可拆卸连接，斜向支撑梁采用弯曲工字梁5，弯曲工字梁5侧面形成滑轨，且荷载施加件朝向试验模型位置设置，通过滑轨的设置，荷载施加件位置发生变化，并在滑轨设定位置处对试验模型内试验件施加荷载。

支架为设于底座1表面的三根立柱2，其中第一立柱2与第二立柱15通过纵向吊装梁4连接，另一立柱即第三立柱16通过横向吊装梁3与纵向吊装梁4的中部连接，横向吊装梁3连接弯曲工字梁5，弯曲工字梁5通过固定支架13连接横向吊装梁3，弯曲工字梁5通过滑块6与荷载施加件连接，滑块通过通孔设置紧固件如螺栓，在滑块6与弯曲工字梁5位置确定后，通过紧固件进行锁紧，从而实现荷载施加件的倾斜紧固固定。

荷载施加件为砝码14或双向加载千斤顶7，具体砝码可用于较小荷载的施加，通过手动施加荷载，也可通过双向加载千斤顶7实现较大荷载的设置，可根据具体试验要求，安装砝码14或是加载千斤顶7，因此荷载施加件与弯曲工字梁5滑轨可拆卸连接，一些方案中，通过螺栓连接。

底座1由钢板焊接而成，高度为10～30cm，长度为200～300cm，宽度为150～250cm。表面设置直径为2.3cm的开丝螺孔，间距为10cm，用于固定立柱2和试验模型，试验模型内设置试验件。沿底座1的长度方向设置三排导轨11，导轨长度为100～150cm，导轨11距底座侧边距离为10～20cm，通过导轨11安装立柱2，其中两侧边的导轨一端连接长度为1m的双向千斤顶10，双向千斤顶10与底座1固定，伸缩杆用于调节导轨11的运动，导轨11相对于底座1可实现往复运动，或者，双向千斤顶1立柱连接，从而通过双向千斤顶推动立柱沿着导轨11移动。

第一立柱2和第二立柱15选用U型钢，第三立柱选用工字钢结构，高度为200～350cm，立柱2由顶面至下方150cm范围内开孔，孔径为2cm，间距为10cm，用于连接横向吊装梁3和纵向吊装梁4并调节两吊装梁高度。

横向吊装梁3和纵向吊装梁4两者组成T字型结构，通过高强螺栓与立柱2连接。

弯曲工字梁5为1/4圆结构，半径为100～150cm，其两端分别与第三立柱和横向吊装梁3连接，在弯曲工字梁中间位置设置固定支架13，固定支架13与横向吊装梁3连接，用于增加弯曲工字梁4稳定性和强度，防止其变形，弯曲工字梁5设置刻度用于确定荷载施加件的位置。

如图2和图3所示，荷载施加件包括通过滑块与弯曲工字梁5连接的加载千斤顶7和/或砝码14，加载千斤顶7/砝码14通过滑块6与弯曲工字梁5的滑轨连接，并通过预紧螺栓固定加载千斤顶7/砝码14在弯曲工字梁5的位置。加载千斤顶7可实现双向加载，包括推力和拉力，最大施加荷载为10～20t，加载千斤顶7前端连接荷载传感器9，后端通过螺栓固定于滑轨6，荷载传感器9前端设置扁形接头12，通过钢筋或者钢绞线与试验件连接。千斤顶安装位移传感器8，用于采集和控制千斤顶伸长量，或者，位移传感器设于试验件的上方，可为测距传感器，测定试验件顶部的位移量。

试验件可以是模型桩，也可以是其他需要测定倾斜荷载的试验对象。

上述一种多角度荷载施加装置的试验方法，包括以下步骤：

1)首先根据相似定理确定试验件和试验模型的尺寸，荷载施加件的加载角度和荷载大小。

2)根据上述尺寸安装试验模型并固定在底座1，调整导轨11的位置，并调整横向吊装梁3和纵向吊装梁4的高度，使试验件受力点与双向加载千斤顶7施荷方向位于同一直线上。

3)启动加载千斤顶7油泵，施加推力/拉力，并通过荷载传感器9控制荷载大小，通过位移传感器8采集位移数据。

4)调整滑块6的位置，根据角度刻度(确定荷载施加件的施力角度)，使试验件受力点位于弯曲工字梁5圆心位置或者加载千斤顶7施荷方向与圆心的延长线上，进行0～90°倾斜荷载的加载。

如图3所示，倾斜荷载作用下桩基承载特性试验，安装试验模型和立柱并固定在底座1，安装导轨11，双向千斤顶10，将弯曲工字梁5固定在横向吊装梁，调整立柱位置和横向吊装梁高度，使得使试验件顶部受力点位于弯曲工字梁圆心位置，安装荷载施加件，并按照分级荷载法施加荷载，通过位移传感器测定桩顶位移值，荷载传感器测定荷载大小，得出试验件荷载位移曲线和试验件弯矩分布的关系，实现倾斜荷载的试验，或者通过千斤顶设置的位移传感器间接判断试验件荷载位移变化。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多角度荷载施加装置，其特征在于，包括：

底座，底座用于支撑试验模型；

支架，支架通过底座支撑，且支架设于试验模型的外侧；

斜向支撑梁，斜向支撑梁通过支架支撑，且斜向支撑梁相对于底座的高度可调，且斜向支撑梁设置滑轨，滑轨上设置滑块，滑块与荷载施加件可拆卸连接，且荷载施加件朝向试验模型位置设置，所述斜向支撑梁为弯曲工字梁，所述支架可在所述底座上滑动；

所述支架包括若干根立柱，在横向截面方向，若干根立柱构成的点为三角形的三个点，所述的斜向支撑梁通过立柱支撑；

通过滑块在滑轨上的移动，调整荷载施加件在滑轨上的位置，同时调整斜向支撑梁的水平位置和高度，使试验件受力点位于弯曲工字梁圆心位置或者荷载施加方向与受力点与圆心的延长线重合，实现在滑轨设定位置处对试验模型内试验件不同倾斜角度荷载的施加；

所述立柱为三根，第一立柱与第二立柱通过纵向吊装梁连接，第三立柱通过横向吊装梁与纵向吊装梁的中部连接，所述的斜向支撑梁一端设于第三立柱，另一端设于横向吊装梁与纵向吊装梁的连接处；

斜向支撑梁中段设置固定支架与所述的支架连接，固定支架与横向吊装梁连接，通过调整横向吊装梁的高度，实现斜向支撑梁高度的调整；

所述纵向吊装梁相对于第一立柱、第二立柱的高度可调，横向吊装梁相对于第三立柱的高度同样可调，第一立柱、第二立柱和第三立柱设置多排螺栓孔，吊装梁与立柱通过螺栓螺母实现连接，根据试验件的尺寸，调整纵向吊装梁和横向吊装梁的高度，实现斜向支撑梁高度的调整。

2.根据权利要求1所述的一种多角度荷载施加装置，其特征在于，所述荷载施加件为双向荷载施加件；所述荷载施加件为砝码或双向加载千斤顶。

3.根据权利要求1所述的一种多角度荷载施加装置，其特征在于，所述斜向支撑梁滑轨安装有多个所述的荷载施加件；所述斜向支撑梁设置刻度。

4.根据权利要求1所述的一种多角度荷载施加装置，其特征在于，所述底座表面设置轨道，所述支架与轨道配合实现支架的移动。

5.根据权利要求3所述的一种多角度荷载施加装置，其特征在于，所述底座表面设置导轨，所述的立柱安装于导轨，且其中至少一根立柱的一侧设有直线推动机构；

或者，其中至少一导轨的一侧设置直线推动机构。

6.根据权利要求4所述的一种多角度荷载施加装置，其特征在于，所述斜向支撑梁为弯曲工字梁。

7.根据权利要求1所述的一种多角度荷载施加装置，其特征在于，所述荷载施加件与扁形接头连接以通过扁形接头向试验模型中的试验件施加荷载，荷载施加件处设置位移传感器和荷载传感器；

位移传感器和荷载传感器分别与控制器连接，控制器与荷载施加件连接。

8.权利要求1-7中任一项所述的一种多角度荷载施加装置的使用方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)确定设定尺寸的试验件，并初步确定荷载大小；

2)将试验件设于试验模型内，并将试验模型固定于底座；

3)通过荷载施加件向试验件提供荷载；

4)调整荷载施加件相对于斜向支撑梁的位置，进行0～90°倾斜荷载的加载。

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