CN110274817A - 一种基于杠杆原理法的新型试验加载装置 - Google Patents

一种基于杠杆原理法的新型试验加载装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于杠杆原理法的新型试验加载装置，包括钢板一端悬挂有平衡物，钢板另一端与钢管一端相连，所述钢管另一端悬挂有承载盘，所述承载盘中放置有加载物；钢板上表面开有豁口a，所述转轴的底部与豁口a可转动连接，在转轴的顶部放置有力传感器，所述钢板下表面开有豁口b，所述豁口b位于支撑柱顶部；两个螺纹杆锚固在地面上，每个螺纹杆上均套有钢套管，所述钢套管通过螺母锚紧在螺纹杆上，所述钢支架焊接在钢套管内侧，在每个钢支架底部设有一根用于支撑试验梁的支座。本装置采用了反向加载方式，同时可以分级加载，由于杠杆的可转动性，可以在持载的情况下，观测到加固后的试验梁的变形及承载力恢复效果。

Description

一种基于杠杆原理法的新型试验加载装置
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，具体说是一种基于杠杆原理法的新型试验加载装置。
背景技术
目前国内外已有的对试验梁抗弯性能的研究，一般通过各种试验机和千斤顶进行三点加载试验或四点加载试验。然而为了在持载的状态下，在开裂的试验梁中内嵌NiTiNb-SMA丝并加热激励，观测所达到的加固效果，以上加载设备试验均不能实现。主要原因就在于持载状态下热激励SMA丝会在其内部产生一种回复力，它会作为预应力作用在试验梁上，从而使梁有一种反拱的趋势。如果采用试验机或千斤顶进行加载，在持载的情况下跨中加载点是固定的，抑制了SMA预应力反拱的出现，也就不能得到试验加固效果情况，因此采用常规试验装置存在一定的局限性。针对以上局限性，发明一套新型试验加载装置成为了一个急需解决的问题。
发明内容
为了解决目前加载设备的局限性，便于在持载状态下内嵌形状记忆合金丝NiTiNb-SMA并加热激励而不限制其产生预应力反拱，本申请提供了一种基于杠杆原理法的新型试验加载装置。
为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种基于杠杆原理法的新型试验加载装置，包括加载系统和上部支撑系统；所述加载系统包括杠杆、转轴、平衡物、支撑柱、承载盘和加载物；所述杠杆包括钢管和钢板，所述钢板一端悬挂有平衡物，钢板另一端与钢管一端相连，所述钢管另一端悬挂有承载盘，所述承载盘中放置有加载物；钢板上表面开有豁口a，所述转轴的底部与豁口a可转动连接，所述钢板下表面开有豁口b，所述豁口b位于支撑柱顶部；所述上部支撑系统包括螺纹杆、钢套管、钢支架，两个螺纹杆锚固在地面上，每个螺纹杆上均套有钢套管，所述钢套管通过螺母锚紧在螺纹杆上，所述钢支架焊接在钢套管内侧，在每个钢支架底部设有一根用于支撑试验梁的支座，所述试验梁位于力传感器上。
进一步的，所述钢支架为两片钢板，与钢套管通过焊接连接在一起，下侧钢板端部处焊接一根用于支撑试验梁的支座。
进一步的，所述转轴为三棱柱钢体，其中平面向上，能够放置力传感器，棱边向下，以便置于豁口a中。
进一步的，所述豁口b与支撑柱的交点为支点。
更进一步的，加载物为长方体砌块。
更进一步的，所述两个螺纹杆之间的距离能根据试验梁长度进行调整，螺纹杆上的钢套管能上下移动，固定时两个钢套管处于同一水平面。
更进一步的，平衡物的重量由试验梁决定。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：
(1)采用了反向加载方式，同时可以分级加载，由于杠杆的可转动性，可以在持载的情况下，观测到加固后的试验梁的变形及承载力恢复效果；
(2)由于支承系统中的螺纹杆是锚固在地上的，其位置灵活可移动，钢套管与螺纹杆通过螺母锚固，位置也可上下移动，因此该装置的应用范围较广，可适用于不同尺寸，不同跨径的试验梁；
(3)构造简单，原理清晰，便于实验操作。
附图说明
图1为本申请中加载系统侧视图；
图2为本申请试验加载装置主视图。
图中序号说明：1杠杆、2转轴、3平衡物、4承载盘、5加载物、6力传感器、7试验梁、8螺纹杆、9钢套管、10钢支架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：以此为例对本申请做进一步的描述说明。
实施例1
如图1-2所示，本实施例提供一种基于杠杆原理法的新型试验加载装置，包括螺纹杆8直接锚于地下，钢套管9通过螺母与螺纹杆8锚紧。钢支架10为两片薄钢板，焊接到钢套管9上。试验梁7下设有力传感器6，力传感器下设有转轴2与杠杆1相连，转轴可自由转动。杠杆一端悬挂平衡物3，另一端悬挂承载盘4，承载盘上放置加载物5。在图1中的B点位置处的承载盘内施加重物G，因支点O处可转动，那么点A处则会有一向上的力F施加到试验梁上。根据杠杆原理计算可以得到力F。通过力传感器6可测定加载过程中试验梁所承受的跨中荷载。在试验梁跨中及支座位置处分别布置位移传感器可测定梁的跨中及支座挠度。在不卸掉承载盘4中的加载物5的前提下，可以对开裂的试验梁7进行内嵌形状记忆合金丝并进行养护，加热激励形状记忆合金丝后，可进行二次加载并观测到梁的加固变形效果。
安装该装置时，首先将螺纹杆锚固在地上，间距可根据试验梁的尺寸进行调整。然后将钢支架焊接在钢套管上，再将钢套管套在螺纹杆上，用螺母紧固，钢套管的高度根据试验梁尺寸确定。钢支架下设有支座，将梁固定好，两端置于支座下，跨中下部为加载点，设有转轴与杠杆相连。
使用该装置进行加载试验时，可在试验梁跨中设置力传感器用来测量试验梁所受的力。加载时首先调整平衡物使杠杆水平，然后在杠杆B端悬挂的承载盘上放置一个加载物，重量为G，O点处为支点，那么A点会产生一个向上的力F。根据杠杆原理，有以下公式：
其中，F为试验梁跨中A点所施加的力，G为加在重量，LOB为杠杆OB的长度，LOA为杠杆OA的长度。
每次加载结束后，记录结果，调整平衡物使杠杆再次水平，在进行下一次加载。通过加载物的数量控制对试验梁施加的力，然后通过在试验梁跨中设置位移传感器观测梁的变形，通过设置的力传感器测量试验梁的内力变化。
当实验梁产生裂缝，需要进行形状记忆合金丝加固并试验时，可不必卸载，直接在试验梁上端内嵌形状记忆合金丝并养护，然后加热激励形状记忆合金丝，便可以观测到持载状态下梁的变化，即混凝土试验梁在形状记忆合金丝加固后的效果。
实施例2
本实施例提供一种在试验梁上端内嵌形状记忆合金丝的方法，具体步骤为：
100开槽：首先对试验梁局部裂缝处表面疏松或者对缺陷部分进行清理，然后在试验梁局部开裂的区域凿除一定厚度的原有混凝土保护层，实现在混凝土保护层深度范围内的开槽，开槽的形状为狗骨头形，最后对已开好凹槽的杂物进行清理，并用酒精对凹槽内壁进行擦拭；
200张拉合金：首先，将形状记忆合金安装在拉伸系统上，所述拉伸系统包括张拉设备与传感器数据采集设备；调整形状记忆合金位置，保证张拉设备的千斤顶拉杆与形状记忆合金丝的中心在同一水平线上，然后开始张拉并通过传感器数据采集设备控制张拉速率，整个张拉过程采用应变控制速率，应变速率为0.01/S。最后当形状记忆合金达到一定的预应变后完成张拉；
300内嵌合金：拉伸完成后，将形状记忆合金从拉伸系统中取下，然后将形状记忆合金的两端安装扁平锚具，所述扁平锚具外侧预留一段裸露的形状记忆合金，以便后续对其进行热激励，安装完扁平锚具后将形状记忆合金放入已开好的凹槽内，同时保证形状记忆合金位于狗骨头形凹槽的中心。
400注入黏结材料：黏结材料采用一种易灌注到狭窄空间的聚合物水泥砂浆，水泥砂浆的配合比为砂浆与水的质量比为25:3.5.首先将已经配制好的黏结材料缓慢注入凹槽内，使黏结材料慢慢的注满凹槽，随后将黏结材料进行抹平处理，保证黏结材料与原有试验梁的局部裂缝处的平面在同一个水平面内，然后将抹平后的黏结材料表面覆盖一层塑料薄膜防止水分散失，最后将黏结材料进行常温下养护。
500热激励合金：待黏结材料达到预期强度后，首先将形状记忆合金两端分别与直流电源正负极连接，并且在形状记忆合金丝端部连接热电偶温度传感器,然后打开直流电源对其进行电流热激励，待热电偶传感器读数达到设置温度后(可以设置为150℃)关闭电源，停止热激励。
600恢复保护层：在试验梁开槽处涂抹一层混凝土砂浆保护层，进行涂装，从而恢复保护层，完成加固。
进一步地，开槽的方向垂直于裂缝开展的方向；且已开好凹槽的深度hc应满足hm<hc<hl,其中hl为试验梁保护层厚度,hm为所用扁平锚具的高度。
进一步地，所述凹槽形状为狗骨头形；单个狗骨头形凹槽两端的宽度Wd等于所用扁平锚具的宽度Wm，中部的宽度Wz大于所用形状记忆合金丝的直径D.
进一步地，所用形状记忆合金的根数由试验梁局部裂缝处所受的主拉应力确定，其关系式N×σp≥σt，N为所用形状记忆合金的根数，σp为形状记忆合金热激励后作用在试验梁上的预加力，σt为试验梁局部裂缝处的主拉应力；预加力σp与形状记忆合金热激励后产生的永久恢复应力σc、裂缝闭合和黏结材料弹性压缩所带来的预应力损失σ1、σ2有关，其关系式为E＝σc-σ1-σ2；其中σ1＝Ep×W/L,σ2＝Ep×εc.；W为试验梁局部裂缝处裂缝宽度，L为所用形状记忆合金长度，Ep为形状记忆合金的弹性模量，εc为形状记忆合金预加力引起的黏结材料弹性压缩应变。
进一步地，为保证形状记忆记忆合金有足够的预应力作用在试验梁上，所用形状记忆合金的长度应满足L>(W×Ep)/(σc-Ep×εc-σt/N)。
更进一步地，开槽的数量NC等于所用形状记忆合金的数量N。
更进一步地，所用形状记忆合金为镍钛铌形状记忆合金。
更进一步地，扁平锚具形状为小尺寸的六面体结构，而且扁平锚具对形状记忆合金的锚固力σm大于形状记忆合金的永久恢复应力σc。
作为更进一步地，黏结材料为耐高温聚合物水泥砂浆。
形状记忆合金热激励后产生的永久恢复应力σc与所用形状记忆合金的原子比和张拉预变形量有关。在锚固端处通过扁平锚具锚固镍钛铌形状记忆合金，以防在热激励过程中镍钛铌形状记忆合金出现滑移。
上述方法，通过对镍钛铌形状记忆合金的热激励，使合金产生永久恢复力作为预应力施加到结构上，来改善试验梁局部裂缝处的受力状态，减少或者闭合局部裂缝，从而提高结构的承载能力和耐久性。此种加固方法既避免了传统主动加固方法所需要的大型设备机械张拉，加固方法施工简单，节省人力，同时预应力通过形状记忆合金与黏结材料传力，不需要使用预应力张拉锚具，又由于形状记忆合金可以根据裂缝方向随意布置，此加固方法又不受空间限制，而且此加固方法加固完成后的试验梁外观与原结构几乎相同，从而保证了结构的美观性与耐久性。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于杠杆原理法的新型试验加载装置，其特征在于，包括加载系统和上部支撑系统；所述加载系统包括杠杆、转轴、平衡物、支撑柱、承载盘和加载物；所述杠杆包括钢管和钢板，所述钢板一端悬挂有平衡物，钢板另一端与钢管一端相连，所述钢管另一端悬挂有承载盘，所述承载盘中放置有加载物；钢板上表面开有豁口a，所述转轴的底部与豁口a可转动连接，所述钢板下表面开有豁口b，所述豁口b位于支撑柱顶部；所述上部支撑系统包括螺纹杆、钢套管、钢支架，两个螺纹杆锚固在地面上，每个螺纹杆上均套有钢套管，所述钢套管通过螺母锚紧在螺纹杆上，所述钢支架焊接在钢套管内侧，在每个钢支架底部设有一根用于支撑试验梁的支座，所述试验梁位于力传感器上。
2.根据权利要求1所述一种基于杠杆原理法的新型试验加载装置，其特征在于，所述钢支架为两片钢板，与钢套管通过焊接连接在一起，下侧钢板端部处焊接一根用于支撑试验梁的支座。
3.根据权利要求1所述一种基于杠杆原理法的新型试验加载装置，其特征在于，所述转轴为三棱柱钢体，其中平面向上，能够放置力传感器，棱边向下，以便置于豁口a中。
4.根据权利要求1所述一种基于杠杆原理法的新型试验加载装置，其特征在于，所述豁口b与支撑柱的交点为支点。
5.根据权利要求1所述一种基于杠杆原理法的新型试验加载装置，其特征在于，加载物为长方体砌块。
6.根据权利要求1所述一种基于杠杆原理法的新型试验加载装置，其特征在于，所述两个螺纹杆之间的距离能根据试验梁长度进行调整，螺纹杆上的钢套管能上下移动，固定时两个钢套管处于同一水平面。
7.根据权利要求1所述一种基于杠杆原理法的新型试验加载装置，其特征在于，平衡物的重量由试验梁决定。
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