CN110095349A - 一种适用于弯扭失稳的空间加载系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于弯扭失稳的空间加载系统和方法。该加载系统包括待加载试件、反力框架、电液伺服作动器、球铰端头、连接夹板和双向跟动装置；反力框架由龙门反力框架和试件两端支座组成；待加载试件平躺于龙门反力框架中，两端与支座按照实验需求连接，跨中通过连接夹板和球铰端头与电液伺服作动器连接；电液伺服作动器的另一端通过双向跟动装置与反力框架连接。本发明使用龙门反力框架和支座实现试验加载时力的自平衡，使用连接夹板保证力的作用可以传递到待加载试件上，使用双向跟动装置和球铰端头实现电液伺服作动器在空间加载时的平动及扭转，并同时保证其加载方向竖直向下，具有准确、稳定、干扰小的优点。

Description

一种适用于弯扭失稳的空间加载系统和方法

技术领域

本发明涉及一种适用于弯扭失稳的空间加载系统和方法，属于土木工程结构试验领域。

背景技术

建筑、桥梁结构中的梁、拱在使用中是受弯构件，而弯矩往往是由其上的荷载造成，这一荷载产生于结构自重、雪荷载等各种重力荷载和其他荷载。针对重力荷载的研究和实验，目前对这类荷载的研究一般止于构件整体失稳，加载方式多采用的是用千斤顶直接提供垂直向下的荷载，这种实验有如下缺点：

（1）千斤顶与构件的接触面会产生很大的摩擦力，这一摩擦力将阻止构件在整体失稳后发生平面内或平面外的扭转；

（2）在整体失稳发生后，千斤顶提供的作用力将不再垂直向下，这时反而会加快构件的失稳且不再符合实际情况；

（3）构件在整体失稳后依然具有一部分承载力，这种实验将不对这一部分进行考虑。

以上缺点导致实验结果不准确且缺乏完整性。

另一种常用的提供垂直向下荷载的方法是挂载法，在试验设计位置施加重物，以提供稳定竖直向下的荷载，这种实验有如下缺点：

（1）在试件下部需要较大的空间，这将使得整个试验过程都在较高处实施，给实验带来较大难度；

（2）提供的荷载较为固定，可以实现逐级加载，但无法使加载过程平滑连续。

以上缺点易导致实验结果不准确。

发明内容

本发明旨在提供一种适用于弯扭失稳的空间加载系统和方法，能够实现对试件的力方向始终垂直地面向下，在梁或拱构件发生变形和整体失稳后依然能保证力的方向垂直向下，满足模拟重力荷载的实验需要。

本发明通过双向跟动装置、球铰、连接夹板共同作用，满足了不影响待加载试件自由扭转的条件，达到了试件在变形和失稳后依然可以提供垂直向下的荷载的加载效果，具有准确、稳定、干扰小的优点。

本发明提供了一种适用于弯扭失稳的空间加载系统，包括反力框架、电液伺服作动器、双向跟动装置、球铰端头、连接夹板、待加载试件；

反力框架由一组龙门反力架与支座组成；龙门反力架包括反力架柱、反力架主梁和反力架次梁；反力架柱和支座竖直设置，龙门反力架上部分别由两根平行设置的反力架主梁和反力架次梁连接；

反力架次梁下方设有双向跟动装置；双向跟动装置下方设有电液伺服作动器；

待加载试件平躺置于龙门反力架的下方，试件两端按实验需要与支座连接，试件待加载位置与球铰端头底座通过一组连接夹板相连，球铰端头与电液伺服作动器通过法兰连接；电液伺服作动器另一端通过双向跟动装置与反力框架固定；

所述球铰端头包含一个核心球、一个外球壳、球铰底座、一个两端刻有螺纹的加载臂、一个凸缘法兰；核心球位于外球壳的内部；核心球面与外球壳内表面重合；外球壳与球铰底座通过高强螺栓连接，外球壳在凸缘法兰通过处设孔，孔的大小与加载臂的转动角度要求直接相关，孔的中心线指向球心，使加载臂可以在转动范围内自由转动；核心球上设有配合加载臂的螺栓孔，核心球在外球壳开孔位置的露出部分与凸缘法兰通过加载臂相连；球铰底座预留了与连接夹板相连的螺栓孔；

所述双向跟动装置采用双层导轨双层滑块固定板；上下两层直线导轨，下层导轨与作动器分别采用滑块固定板连接；保护挡板通过螺栓固定在反力框架上；

所述连接夹板包含两块固定板、六根拉杆、八块挡板；用于使待加载试件与球铰底座可以共同移动的挡板分别通过高强螺栓固定在夹板的上、下两块固定板上，拉杆穿过上下两块固定板，用螺母在下固定板下侧固定；上固定板上侧焊接螺杆，与球铰底座预留的螺栓孔相连。

上述加载系统中，电液伺服作动器底部和球铰的凸缘法兰通过高强螺栓连接，电液伺服作动器的顶部与双向跟动装置下层滑块固定板连接。

上述加载系统中，所述的反力框架，支座设置在反力架柱的外侧，反力架柱的中部平行连接有两根反力架主梁，反力架次梁设置在反力架主梁的上部，位于反力架柱的内侧；反力架柱、反力架主梁、反力架次梁均为工字钢。

上述加载系统对待加载试件的作用力始终向下，待加载试件发生平面内变形和平面外整体失稳时，待加载试件与加载系统的接触面偏离初始位置，并且不再水平；

待加载试件位移偏离初始位置后，双向跟动装置的两层导轨开始滑动，与双向跟动装置相连的作动器在加载过程中产生的平行于导轨布置平面的位移可先传至下层滑块固定板，在下层导轨产生滑动；下层滑块固定板与作动器作为一个整体又在上层导轨产生滑动；叠加即可实现任意方向的自由滑动，作用至待加载试件平面外失稳后新的平衡位置；

待加载试件扭转偏离原接触平面后，球铰端头开始扭转，并使球铰端头跟随平面外失稳后的试件到达新的平衡位置。

上述系统中，所述球铰端头的外球壳与球铰底座通过高强度内六角螺栓连接；球铰底座和连接夹板采用高强螺栓相连；开好螺栓孔的球铰核心球通过加载臂与凸缘法兰相连，空心球开孔中心线与加载臂的转动角度为0~45°。

上述系统中，待加载试件为钢梁或钢拱，所述连接夹板通过调整拉杆紧固程度以适合待加载试件截面高度，通过选择适当的螺栓孔安装挡板以适合待加载试件的截面宽度，可以适用于不同尺寸试件，挡板使用高强螺栓固定在固定板上；待加载试件与连接夹板相连处焊接竖向加劲肋；连接夹板可以保证在构件发生变形和失稳后将作动器的荷载作用传递到待加载试件上。

上述系统中，所述待加载试件可以为多种截面的直线形或拱线形构件，构件支座处和加载处焊接加劲肋，并按照实验需要调整加工支座形式，所述支座可以为固定铰支座、可动铰支座、固定支座、滑动支座等。

本发明提供了一种适用于弯扭失稳的空间加载方法，包括以下步骤：

（1）确定实验方案，包括试件设计和加载方案设计，确定荷载位置和支座类型；

（2）根据实验方案组装反力框架、双向跟动装置、作动器、球铰端头、连接夹板；

（3）根据实验方案组装待加载试件，试件在加工时按设计加载方案在加载位置和支座处焊接加劲肋；

（4）通过控制作动器，实现设计的加载方案。

本发明的有益效果：

（1）本发明制造出的加载系统和方法在加载过程中不会妨碍试件发生失稳，理论上没有给试件增加额外的限制和约束，使实验结果更加符合实际情况。

（2）本发明制造出的加载系统和方法在构件失稳后依然可以继续模拟实际情况继续加载，为研究梁、拱构件失稳后承载能力的研究提供了良好的实验条件。

附图说明

图1为空间加载系统整体结构示意图；

图2为空间加载系统三视图；

图3为双向跟动装置结构示意图；

图4为双向跟动装置三视图；

图5为球铰结构示意图；

图6为球铰三视图；

图7为球铰剖面图；

图8为连接夹板结构示意图；

图9为连接夹板三视图。

图中1为反力架柱，2为反力架主梁，3为反力架次梁，4为支座，5为双向跟动装置挡板，6为双向跟动装置上层导轨，7为双向跟动装置上层滑块固定板，8为双向跟动装置下层导轨，9为双向跟动装置下层滑块固定板，10为电液伺服作动器，11为凸缘法兰，12为球铰加载臂，13为球铰核心球，14为球铰外球壳，15为球铰底座，16为夹板上层固定板，17为夹板下层固定板，18为夹板挡板，19为夹板拉杆，20为H形梁加劲肋，21为H形梁待加载试件。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

一种适用于弯扭失稳的空间加载系统，包括反力框架、电液伺服作动器、双向跟动装置、球铰端头、连接夹板、待加载试件；

反力框架由一组龙门反力架与支座4组成；龙门反力架包括反力架柱1、反力架主梁2和反力架次梁3；反力架柱1和支座4竖直设置，龙门反力架上部分别由两根平行设置的反力架主梁2和反力架次梁3连接；

反力架次梁3下方设有双向跟动装置；双向跟动装置下方设有电液伺服作动器10；

H形梁待加载试件21平躺置于龙门反力架的下方，试件两端按实验需要与支座4连接，试件待加载位置与球铰底座15通过夹板上层固定板16和夹板下层固定板17相连，球铰端头与电液伺服作动器10通过凸缘法兰11连接；电液伺服作动器10另一端通过双向跟动装置与反力框架固定；

所述球铰端头包含一个球铰核心球13、一个球铰外球壳14、球铰底座15、一个两端刻有螺纹的球铰加载臂12、一个凸缘法兰11；球铰核心球13位于球铰外球壳14的内部；球铰核心球13面与球铰外球壳14内表面重合；球铰外球壳14与球铰底座15通过高强螺栓连接；球铰核心球13上设有配合球铰加载臂12的螺栓孔，球铰核心球13在球铰外球壳14开孔位置的露出部分与凸缘法兰11通过球铰加载臂12相连；球铰底座15预留了与连接夹板相连的螺栓孔；

所述双向跟动装置采用双层导轨双层滑块固定板：双向跟动装置上层滑块固定板7和双向跟动装置下层滑块固定板9；双向跟动装置上层导轨6和双向跟动装置下层导轨8，双向跟动装置下层导轨8与电液伺服作动器10分别采用双向跟动装置上层滑块固定板7和双向跟动装置下层滑块固定板9连接；双向跟动装置挡板5通过螺栓固定在反力框架上；

所述连接夹板包含两块固定板：夹板上层固定板16和夹板下层固定板17、六根夹板拉杆19、八块夹板挡板18；用于使H形梁待加载试件21与球铰底座15可以共同移动的夹板挡板18分别通过高强螺栓固定在夹板的上、下固定板上：夹板拉杆19穿过上下两个固定板，用螺母在夹板下层固定板17下侧固定；夹板上层固定板16上侧焊接螺杆，与球铰底座15预留的螺栓孔相连。

上述加载系统中，电液伺服作动器10底部和球铰的凸缘法兰11通过高强螺栓连接，电液伺服作动器10的顶部与双向跟动装置下层滑块固定板9连接。

上述加载系统中，所述的反力框架，支座4设置在反力架柱1的外侧，反力架柱1的中部平行连接有两根反力架主梁2，反力架次梁3设置在反力架主梁2的上部，位于反力架柱1的内侧；反力架柱1、反力架主梁2、反力架次梁3均为工字钢。

上述加载系统对H形梁待加载试件21的作用力始终向下，H形梁待加载试件21发生平面内变形和平面外整体失稳时，H形梁待加载试件21与加载系统的接触面偏离初始位置，并且不再水平；

H形梁待加载试件21位移偏离初始位置后，双向跟动装置的上、下两层导轨开始滑动，与双向跟动装置相连的电液伺服作动器10在加载过程中产生的平行于导轨布置平面的位移可先传至双向跟动装置下层滑块固定板9，在双向跟动装置下层导轨8产生滑动；双向跟动装置下层滑块固定板9与电液伺服作动器10作为一个整体又在双向跟动装置上层导轨6产生滑动；叠加即可实现任意方向的自由滑动，作用至待加载试件平面外失稳后新的平衡位置；

H形梁待加载试件21扭转偏离原接触平面后，球铰端头开始扭转，并使球铰端头跟随平面外失稳后的试件到达新的平衡位置。

上述系统中，所述球铰端头的球铰外球壳14与球铰底座15通过高强度内六角螺栓连接；球铰底座15和连接夹板上层固定板采用高强螺栓相连；开好螺栓孔的球铰核心球13通过球铰加载臂12与凸缘法兰11相连，球铰外球壳14开孔中心线与球铰加载臂12的转动角度最大为45°。

上述系统中，待加载试件可以为钢梁或钢拱，所述连接夹板通过调整夹板拉杆19紧固程度以适合待加载试件的截面高度，通过选择适当的螺栓孔安装夹板挡板18以适合待加载试件的截面宽度，可以适用于不同尺寸试件，夹板挡板18使用高强螺栓固定在固定板上；待加载试件与连接夹板相连处焊接H形梁加劲肋20；连接夹板可以保证在构件发生变形和失稳后将电液伺服作动器10的荷载作用传递到待加载试件上。

上述系统中，所述待加载试件可以为多种截面的直线形或拱线形构件，构件支座处和加载处焊接加劲肋，并按照实验需要调整加工支座形式，所述支座可以为固定铰支座、可动铰支座、固定支座、滑动支座等。

本发明提供了一种适用于弯扭失稳的空间加载方法，包括以下步骤：

（1）确定实验方案，包括试件设计和加载方案设计，确定荷载位置和支座类型；

（2）根据实验方案组装反力框架、双向跟动装置、作动器、球铰端头、连接夹板；

（3）根据实验方案组装待加载试件，试件在加工时按设计加载方案在加载位置和支座处焊接加劲肋；

（4）通过控制作动器，实现设计的加载方案。

Claims (9)

1.一种适用于弯扭失稳的空间加载系统，其特征在于：包括反力框架、电液伺服作动器、双向跟动装置、球铰端头、连接夹板、待加载试件；

反力框架由一组龙门反力架与支座组成；龙门反力架包括反力架柱、反力架主梁和反力架次梁；反力架柱和支座竖直设置，龙门反力架上部分别由两根平行设置的反力架主梁和反力架次梁连接；

反力架次梁下方设有双向跟动装置；双向跟动装置下方设有电液伺服作动器；

待加载试件平躺置于龙门反力架的下方，试件两端按实验需要与支座连接，试件待加载位置与球铰端头底座通过一组连接夹板相连，球铰端头与电液伺服作动器通过法兰连接；电液伺服作动器另一端通过双向跟动装置与反力框架固定；

所述球铰端头包含一个核心球、一个外球壳、球铰底座、一个两端刻有螺纹的加载臂、一个凸缘法兰；核心球位于外球壳的内部；核心球面与外球壳内表面重合；外球壳与球铰底座通过高强螺栓连接，外球壳在凸缘法兰通过处设孔，孔的大小与加载臂的转动角度要求直接相关，孔的中心线指向球心，使加载臂可以在转动范围内自由转动；核心球上设有配合加载臂的螺栓孔，核心球在外球壳开孔位置的露出部分与凸缘法兰通过加载臂相连；球铰底座预留了与连接夹板相连的螺栓孔；

所述连接夹板包含两块固定板、六根拉杆、八块挡板；挡板分别通过高强螺栓固定在连接夹板的上、下两块固定板上，挡板能使待加载试件与球铰底座共同移动，拉杆穿过上下两块固定板，用螺母在下固定板下侧固定；上固定板上侧焊接螺杆，与球铰底座预留的螺栓孔相连。

2.根据权利要求1所述的适用于弯扭失稳的空间加载系统，其特征在于：电液伺服作动器底部和球铰的凸缘法兰通过高强螺栓连接，电液伺服作动器的顶部与双向跟动装置下层滑块固定板连接。

3.根据权利要求1所述的适用于弯扭失稳的空间加载系统，其特征在于：所述的反力框架，支座设置在反力架柱的外侧，反力架柱的中部平行连接有两根反力架主梁，反力架次梁设置在反力架主梁的上部，位于反力架柱的内侧；反力架柱、反力架主梁、反力架次梁均为工字钢。

4.根据权利要求1所述的适用于弯扭失稳的空间加载系统，其特征在于：所述球铰端头的外球壳与球铰底座通过高强度内六角螺栓连接；球铰底座和连接夹板采用高强螺栓相连。

5.根据权利要求1所述的适用于弯扭失稳的空间加载系统，其特征在于：所述连接夹板通过调整拉杆紧固程度以适合待加载试件的截面高度，通过选择合适的螺栓孔安装挡板以适合待加载试件的截面宽度。

6.根据权利要求1所述的适用于弯扭失稳的空间加载系统，其特征在于：待加载试件与连接夹板相连处焊接竖向加劲肋；连接夹板能保证在构件发生变形和失稳后将电液伺服作动器的荷载作用传递到待加载试件上。

7.根据权利要求1所述的适用于弯扭失稳的空间加载系统，其特征在于：所述待加载试件为多种截面的直线形或拱线形构件，构件支座处和加载处焊接加劲肋。

8.根据权利要求1所述的适用于弯扭失稳的空间加载系统，其特征在于：空心球开孔中心线与加载臂的转动角度为0°~45°。

9.一种适用于弯扭失稳的空间加载方法，采用权利要求1~8任一项所述的适用于弯扭失稳的空间加载系统，其特征在于：包括以下步骤：

（1）确定实验方案，包括试件设计和加载方案设计，确定荷载位置和支座类型；

（2）根据实验方案组装反力框架、双向跟动装置、作动器、球铰端头、连接夹板；

（3）根据实验方案组装待加载试件，试件在加工时按设计加载方案在加载位置和支座处焊接加劲肋；

（4）通过控制作动器，实现设计的加载方案。