CN109374246A - 模拟十字型梁柱节点承受水平地震作用的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木工程领域，公开一种模拟十字型梁柱节点承受水平地震作用的试验装置，包括在试件柱顶施压的轴压加载装置、向柱端侧面施水平力的往复加载装置、固定往复加载装置的固定架；试件柱底用铰接件铰接于地面，梁端与地面间设竖直布置的连杆，连杆两端分别与梁端及地面用铰接座铰接；还包括套设在柱底的第一套筒、与轴压加载装置自由端接触的第二套筒、包覆在柱顶和轴压加载装置交接处的第三套筒，第三套筒呈两端开口结构，一开口端包覆在柱顶外周、另一开口端包覆在轴压加载装置外周，两开口端之间设隔板，隔板与试件柱顶贴合，三个套筒通过连接件连成一整体。本装置可实现稳定轴压比，更真实地反映实际梁柱节点承受水平地震作用时的状况。

Description

模拟十字型梁柱节点承受水平地震作用的试验装置

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，具体地，涉及一种模拟十字型梁柱节点承受水平地震作用的试验装置。

背景技术

框架结构不仅具有布置灵活、结构整体性好及刚度较好等优点，且拥有良好的抗震性能，同时还具有自重轻，耗材少，工期短等优点。

梁柱节点是指框架结构中节点核心区域、靠近节点核心区梁端及靠近节点核心区柱端。它是框架结构中重要传力枢纽，能传递和分配内力，一般比梁、柱、板构件受力复杂，其所承受的剪力约为柱子承受剪力的4～6倍。框架节点是框架结构中最为薄弱部位，框架节点破坏会危及到结构的整体安全，引起整个房屋的倒塌，从而带来人员伤亡和重大财产损失，所以针对梁柱节点滞回性能（P-Δ）的检测尤为重要，可以充分反映整个结构的抗震性能。

现有技术中，对于梁柱节点滞回性能的研究主要采用结构拟静载试验，拟静载试验可以模拟地震作用下节点试件的抗震性能，但是，大多数的拟静力试验所采用的加载方式是柱端加载，柱端加载的拟静力试验主要研究的是柱端的塑性铰，从单一方面的柱端不能完整的表现出节点在地震作用下的抗震性能。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种结构简单、操作简便、实现稳定轴压比、完全实现P-Δ效应的模拟十字型梁柱节点承受水平地震作用的试验装置。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种模拟十字型梁柱节点承受水平地震作用的试验装置，包括可在梁柱节点试件柱顶处施压的轴压加载装置、可向梁柱节点试件在梁以上的柱端侧面施加水平力的往复加载装置、固定往复加载装置的固定架；梁柱节点试件柱底通过铰接件铰接于地面，梁端与地面之间设有竖直布置的连杆，连杆两端分别与梁端及地面通过铰接座铰接；还包括用于套设柱底的第一套筒、与轴压加载装置自由端接触的第二套筒、包覆在柱顶和轴压加载装置交接处的第三套筒，第三套筒呈两端开口结构，一开口端包覆在柱顶外周、另一开口端包覆在轴压加载装置外周，两个开口端之间设有一隔板，隔板与梁柱节点试件柱顶贴合，第一套筒与铰接件连接，第一套筒、第二套筒和第三套筒之间通过连接件连接成一个整体；铰接件包括靠近地面的母铰接部和与第一套筒相接的子铰接部。

进一步地，反力架为一面墙。

进一步地，第一套筒底部中心具有供子铰接部的铰接端穿过的孔，在孔周围还具有供子铰接部的固定端嵌入的沉台。

进一步地，第一套筒、第二套筒和第三套筒外周均设有凸出的周向外沿，各周向外沿沿周向均布有至少四个通孔，各套筒上的通孔位置一一对应，连接件为双头螺杆，连接件数量与每个套筒上的通孔数量相同，每根连接件依次穿过第一套筒、第三套筒和第二套筒上的对应通孔，连接件穿出于第一套筒和第二套筒的端部采用螺母拧紧固定。

进一步地，梁柱节点试件柱底与地面之间设有长方体形的底座，铰接件的母铰接部固定端贴合底座上表面，连杆与地面铰接的铰接座位于底座上表面。

更进一步地，底座为砼梁底座。

进一步地，往复加载装置施力处设有安装于柱端的受力钢板架，受力钢板架包括依次平行设置的第一钢板、第二钢板和第三钢板，第一钢板贴合远离往复加载装置的柱端侧面，第三钢板朝向往复加载装置的加载端且与加载端相连，第二钢板与第三钢板螺栓连接且具有间距，第二钢板与朝向往复加载装置的柱端侧面之间设有间距，第一钢板与第二钢板螺栓连接。

进一步地，铰接座包括相互独立的底板和铰接部，铰接部包括铰接块和与铰接块垂直的安装板，底板设有与铰接块结构适配并能供铰接块穿过的通孔，底板第一表面在通孔周围设有沉台槽，安装板与沉台槽结构适配；铰接块上设有铰接孔，连杆与铰接孔通过铰接部件实现铰接。

更进一步地，梁端的铰接座底板与梁端采用贯穿梁端内部结构的锚固螺栓相接。

进一步地，还包括可供往复加载装置安装高度灵活调节的升降装置。

进一步地，往复加载装置为电液伺服作动器，轴压加载装置为千斤顶。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）本试验装置充分模拟框架结构梁柱节点在地震作用下的受力状况，通过连接件和三个套筒的简单串接将轴压加载装置、试件柱顶和柱底约束成一个整体，使轴压加载装置始终位于柱顶面中心位置且保持垂直加压状态，竖向轴力始终不变，在往复加载装置施加水平力时，受约束的整体将一起作往复运动，轴压比始终稳定；

2）安全性有保障：现有的模拟装置其轴压加载装置通常无有效约束，在试验过程中容易掉出，安全性不高，而本试验装置的轴压加载装置被第二套筒和第三套筒牢牢包覆，其位置与试件是相对静止的，安全性非常高，此外，本试验装置无需设置危险性较大的反力架，只需采用现有的墙体作为往复加载装置的固定架即可；

3）在地面和柱底之间再设置砼梁底座，砼梁底座与混凝土地面摩擦系数大，且底座通过多个地锚螺栓紧紧锚固，使得底座摩擦力大大增加，可有效减少了柱底滑移现象；

4）往复加载装置将集中推力施加至第三钢板，再传递至第二块钢板，第二钢板将力分散到该侧柱端侧面，同样还可传递传至第三块钢板，第三钢板将力反方向分散到该侧柱端侧面，往复加载装置的加载端不直接与柱端侧面接触，不会产生应力集中，本发明的三块钢板设计有助于应力分散，往复加载装置作低周期循环往复运动类似于地震运动，如此即实现了水平地震力模拟；

5）铰接座由两个部分组装进行工作，其可拆卸，单体部件重量轻，利于组装和搬运，且单体构件后期互换性强；

6）铰接座安装至梁端和通过砼梁底座与地面固定时，其安装螺栓需分别贯穿梁端和砼梁底座内部，使梁端铰接处与铰接座成为一个整体，固定效果好，铰接座不会沿梁端发生移动，同时也避免这些外部因素影响试验效果；

7）连杆采用两块钢板形成，两块钢板刚好形成对称结构，可使得受力沿着连杆方向，减小偏心方向力。

附图说明

图1为实施例1所述的模拟十字型梁柱节点承受水平地震作用的试验装置在试验过程中的结构示意图；

图2为实施例1所述的第一套筒的俯视图；

图3为实施例1所述的铰接件子铰接部的结构示意图；

图4为实施例1所述的第一套筒与铰接件子铰接部连接的结构示意图；

图5为实施例1所述的第三套筒的俯视图；

图6为实施例1所述的第三套筒的外观结构图；

图7为实施例1所述的第二套筒的仰视图；

图8为实施例1所述的第二套筒的外观结构图；

图9为实施例1所述的底板的俯视图；

图10为实施例1所述的底板的剖视图；

图11为实施例1所述的铰接部的主视图；

图12为实施例1所述的铰接部的俯视图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示，提供一种模拟十字型梁柱节点承受水平地震作用的试验装置，包括可在梁柱节点试件柱顶处施压的轴压加载装置11、可向梁柱节点试件在梁以上的柱端侧面施加水平力的往复加载装置12、固定往复加载装置的固定架2；其中，梁柱节点试件柱底A2通过铰接件铰接于地面，梁端A3与地面之间设有竖直布置的连杆4，连杆4两端分别与梁端A3及地面通过铰接座5铰接；还包括用于套设柱底A2的第一套筒61、与轴压加载装置11自由端接触的第二套筒62、包覆在柱顶A1和轴压加载装置11交接处的第三套筒63，第三套筒63呈两端开口结构，一开口端包覆在柱顶A1外周、另一开口端包覆在轴压加载装置11外周，两个开口端之间设有一隔板（未示出），隔板与梁柱节点试件柱顶贴合，第一套筒61与铰接件连接，第一套筒61、第二套筒62和第三套筒63之间通过连接件7连接成一个整体；铰接件包括靠近地面的母铰接部31和与第一套筒61相接的子铰接部32。

在实际工程中，柱顶端因上部楼层影响，存在轴力和水平方向剪力，在试验中柱轴力刚好可以采用轴压加载装置11加载来实现，水平方向剪力刚好可以通过水平施力的往复加载装置12实现；柱底端存在轴向力与剪力，采用本实验装置中铰接件实现。梁左右两端因位于反弯点处，采用铰接座5铰接可以实现。但梁的轴向力较小，可以忽略不计，因此梁端剪力采用竖向连杆4可以完全实现。

本实施例的轴压加载装置11为千斤顶，往复加载装置12为电液伺服作动器，电液伺服作动器端部可拆卸安装在固定架2上；梁柱节点试件柱底A2与地面之间设有长方体形的砼梁底座8，其中，连杆4与地面铰接的铰接座5位于砼梁底座8上表面，铰接件的母铰接部31固定端贴合砼梁底座8上表面。

铰接件的母铰接部31固定端与地面之间通过锚固螺栓进行固定，为防止砼梁底座8与地面发生较大相对滑移影响试验效果，宜将这些锚固螺栓贯穿砼梁底座8，如此一来，砼梁底座相当于被定住在该位置，此外，砼梁底座与混凝土地面摩擦系数大，锚固螺栓进一步使得砼梁底座与地面摩擦力大大增加，柱底端与地面为铰接关系，柱底端存在轴力，虽柱底端水平力有所增加的同时竖向力也越大，但竖向力越大时柱底与砼梁底座的摩擦力也就越大，因此相比不设置底座或设置钢梁材质的底座来说，砼梁底座可有效减少柱底的滑移现象。

本试验装置得益于采用连接件7将三个套筒一体化连接的设计，在柱顶受电液伺服作动器的牵引作用下，完全摒弃了现有技术中试验装置需设置危险系数较高的反力架的思路，仅仅只需安放一个固定架固定电液伺服作动器即可，该固定架往往可利用试验室本身存在的墙，节约试验成本。

此外，这种一体化连接的设计使得千斤顶、柱顶A1和柱底A2被约束成一个整体，试验过程中千斤顶不会轻易掉出，同时可使千斤顶始终位于柱顶面中心位置，通过千斤顶施加轴力，方向始终保持垂直柱顶面，竖向轴力保持不变。在电液伺服作动器左右往复运动中，这个约束整体一起作往复运动，并不影响约束整体中千斤顶的位置，因此梁柱节点试件在受力方面更稳定，可以有效稳定柱顶端轴向压力，实现稳定轴压比（与工程接近），完全实现P-Δ效应。

第一套筒61、第二套筒62和第三套筒63外周均设有凸出的周向外沿B，各周向外沿沿周向均布有四个通孔，各套筒上的通孔位置一一对应，连接件7为双头螺杆，连接件数量为四根，每根连接件依次穿过第一套筒61、第三套筒63和第二套筒62上的对应通孔，连接件穿出于第一套筒和第二套筒的端部采用螺母拧紧固定。

第二套筒62具有可包覆千斤顶自由端的筒部621，使第二套筒与千斤顶连接紧密。

三个套筒均采用角钢制作，采用双头螺杆作为贯通三个套筒的连接件，结构简单，材料易得，且安装方便。

为使柱底铰接转动更灵活，采用第一套筒61套设在柱底A2，对柱底起到约束和保护作用，同时还将第一套筒与铰接件独立设置，在第一套筒61底部中心设有供铰接件子铰接部的铰接端穿过的孔611，在孔周围还具有供子铰接部32的固定端嵌入的沉台，此时，这种装配而成的铰接件整体更容易转动实现铰接，摩擦力也较小。

电液伺服作动器施力处设有安装于柱端的受力钢板架，受力钢板架包括依次平行设置的第一钢板91、第二钢板92和第三钢板93，第一钢板91贴合远离该电液伺服作动器的柱端侧面，第三钢板93朝向电液伺服作动器的加载端且与加载端相连，第二钢板92与第三钢板93螺栓连接且通过螺栓与多个螺母的配合使第二钢板和第三钢板之间具有间距，第一钢板91与第二钢板92通过螺栓螺母配合连接，此后，为提升受力钢板架的整体结构稳定性，上述的三块钢板之间还通过四根均匀分布的连接螺栓统一连接固定。

具体地，电液伺服作动器将集中力作用于第三钢板93，集中力将传递至第二钢板92和第一钢板91，第二钢板92可将力分散到相应柱端侧面，第一钢板91则将力反方向分散到相应柱端侧面，电液伺服作动器的加载端不直接与柱端侧面接触，不会产生应力集中，三块钢板的设计有助于应力分散，电液伺服作动器作低周期循环往复运动，类似于地震运动，实现水平地震力的模拟。

本实施例的铰接座颠覆以往的一体化设计理念，转而设计成由相互独立的底板51和铰接部配合形成，如图9至图12所示，铰接部包括铰接块52和与铰接块垂直的安装板53，底板51设有与铰接块结构适配并能供铰接块穿过的通孔511，底板第一表面在通孔周围设有沉台槽512，安装板53与沉台槽512结构适配；铰接块52上设有铰接孔，连杆4与铰接孔通过铰接件实现铰接。

这种分体配合使铰接座5加工简单、耗材较少、安装和拆卸方便，分体件重量轻，利于组装和搬运，且分体件在后期使用过程中发生损坏时易替换。如同样的材料加工成整体式铰接座，一来加工困难、加工时间长，二来尺寸精度也难以得到控制，再者浪费大量材料，且整体重量大，不便于安装和拆卸。从受力方面考虑，这种分体式的铰接座同样能达到整体支座的效果。

连杆4一端的铰接座5安装至梁端A3时，其底板51贴合梁端下表面，梁端上表面安置一块钢垫板54，采用锚固螺栓将钢垫板54和底板51连接即可，为进一步确保铰接座5与梁端A3的固定效果，本实施例选择将锚固螺栓贯穿梁端A3内部结构，如此即可使铰接座安装至梁端后与梁端结合成一个整体，可有效防止铰接座相对梁端发生沿梁端方向的移动。

连杆另一端的铰接座5与地面连接时，其底板贴合砼梁底座8上表面，同样的，该底板51与地面连接的锚固螺栓也贯穿砼梁底座8内部结构，此时，该铰接座、砼梁底座和地面形成一个整体，三者保持相对固定。

连杆4为两块平行于铰接块52设置的钢板，两块钢板将铰接块52夹在中间，钢板在铰接块的铰接孔对应位置也设有铰接孔，铰接孔内的铰接件可为销轴，连杆的这种设计可保证梁端A3受力在传递至砼梁底座8相应铰接处时力的传递方向是沿着连杆方向的，能有效减小偏心方向力。

为更好地模拟水平地震力的施加，本试验装置还考虑了电液伺服作动器的高度安装问题，地面上竖直固定一滑轨C，滑轨C上安装了一辆可沿滑轨上下滑移的升降车D，电液伺服作动器的中段部分位于升降车D上，将电液伺服作动器端部从固定架上拆下，同时将其加载端从与第三钢板93的连接处分离，即可通过升降车D的滑移来灵活调节其安装高度，此后将受力钢板架调节至相应高度后再与加载端连接，然后将电液伺服作动器端部连接至固定架即可，实现水平地震力在柱端作用位置不同情况下的模拟。

本试验装置进行加载时，梁柱节点试件柱端受到竖向应力与水平方向往复应力，使得柱端应力不断地往梁柱节点传播，根据节点受力平衡，将受力传给梁端与柱底端，梁端受力将传给梁端处铰接座，梁端处铰接座再通过连杆传给砼梁底座处铰接座。

本试验装置的具体试验方法如下：通过千斤顶分级对柱顶施加竖向轴力，当荷载达到试验预定轴压比（n=0.3）时停止加载，并保持竖向轴力恒定不变，千斤顶上安装有相应的荷载传感器来采集竖向荷载参数。

水平低周期循环往复加载制度采用力-位移（P-Δ）混合加载制度（先荷载加载，后位移加载），具体加载过程为：

1.荷载加载阶段：电液伺服作动器通过分级施加循环荷载，每级荷载循环一次。荷载加载至发现梁柱节点试件的节点区域有明显裂缝时，停止加载，将试件出现第一条裂缝对应的荷载作为开裂荷载，电液伺服作动器上也设有荷载传感器采集相应水平荷载参数。

2.位移加载阶段：在试件荷载加载停止后采用位移加载，荷载加载停止时对应梁柱节点试件柱顶部水平位移△作为位移加载基数，按位移基数△的倍数进行逐级加载，每级位移循环两次，直至梁柱节点试件达到极限位移时，停止加载。极限位移为梁柱节点试件经历峰值后的破坏荷载对应的位移，破坏荷载取值为峰值荷载的85%。

安装在电液伺服作动器上的位移传感器和其自定刻度尺采集电液伺服作动器加载端的位移，梁柱节点试件沿加载方向的位移通过布置在柱顶部、节点区柱上端部、节点区柱下端部处的三个百分表（量程为50mm）和自定刻度尺进行测量，而梁的侧向扭转位移则通过布置在梁外端部至节点区梁端部的中间位置梁侧面的两个量程为50mm百分表进行数据测量的。

根据以上采集的数据即可制作出相应的滞回曲线等能反应梁柱节点试件抗震能力的相关曲线。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟十字型梁柱节点承受水平地震作用的试验装置，其特征在于，包括可在梁柱节点试件柱顶处施压的轴压加载装置、可向梁柱节点试件在梁以上的柱端侧面施加水平力的往复加载装置、固定往复加载装置的固定架；梁柱节点试件柱底通过铰接件铰接于地面，梁端与地面之间设有竖直布置的连杆，连杆两端分别与梁端及地面通过铰接座铰接；还包括用于套设柱底的第一套筒、与轴压加载装置自由端接触的第二套筒、包覆在柱顶和轴压加载装置交接处的第三套筒，第三套筒呈两端开口结构，一开口端包覆在柱顶外周、另一开口端包覆在轴压加载装置外周，两个开口端之间设有一隔板，隔板与梁柱节点试件柱顶贴合，第一套筒与铰接件连接，第一套筒、第二套筒和第三套筒之间通过连接件连接成一个整体；铰接件包括靠近地面的母铰接部和与第一套筒相接的子铰接部。

2.根据权利要求1所述的模拟十字型梁柱节点承受水平地震作用的试验装置，其特征在于，固定架为一面墙。

3.根据权利要求1所述的模拟十字型梁柱节点承受水平地震作用的试验装置，其特征在于，第一套筒底部中心具有供子铰接部的铰接端穿过的孔，在孔周围还具有供子铰接部的固定端嵌入的沉台。

4.根据权利要求1所述的模拟十字型梁柱节点承受水平地震作用的试验装置，其特征在于，第一套筒、第二套筒和第三套筒外周均设有凸出的周向外沿，各周向外沿沿周向均布有至少四个通孔，各套筒上的通孔位置一一对应，连接件为双头螺杆，连接件数量与每个套筒上的通孔数量相同，每根连接件依次穿过第一套筒、第三套筒和第二套筒上的对应通孔，连接件穿出于第一套筒和第二套筒的端部采用螺母拧紧固定。

5.根据权利要求1所述的模拟十字型梁柱节点承受水平地震作用的试验装置，其特征在于，梁柱节点试件柱底与地面之间设有长方体形的底座，铰接件的母铰接部固定端贴合底座上表面，连杆与地面铰接的铰接座位于底座上表面。

6.根据权利要求5所述的模拟十字型梁柱节点承受水平地震作用的试验装置，其特征在于，底座为砼梁底座。

7.根据权利要求1所述的模拟十字型梁柱节点承受水平地震作用的试验装置，其特征在于，往复加载装置施力处设有安装于柱端的受力钢板架，受力钢板架包括依次平行设置的第一钢板、第二钢板和第三钢板，第一钢板贴合远离往复加载装置的柱端侧面，第三钢板朝向往复加载装置的加载端且与加载端相连，第二钢板与第三钢板螺栓连接且具有间距，第二钢板与朝向往复加载装置的柱端侧面之间设有间距，第一钢板与第二钢板螺栓连接。

8.根据权利要求1所述的模拟十字型梁柱节点承受水平地震作用的试验装置，其特征在于，铰接座包括相互独立的底板和铰接部，铰接部包括铰接块和与铰接块垂直的安装板，底板设有与铰接块结构适配并能供铰接块穿过的通孔，底板第一表面在通孔周围设有沉台槽，安装板与沉台槽结构适配；铰接块上设有铰接孔，连杆与铰接孔通过铰接部件实现铰接。

9.根据权利要求8所述的模拟十字型梁柱节点承受水平地震作用的试验装置，其特征在于，梁端的铰接座底板与梁端采用贯穿梁端内部结构的锚固螺栓相接。

10.根据权利要求1所述的模拟十字型梁柱节点承受水平地震作用的试验装置，其特征在于，还包括可供往复加载装置安装高度灵活调节的升降装置。