CN110672416A - 一种组合梁端水平连续约束试验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及结构工程技术领域，是一种组合梁端水平连续约束试验装置及其方法。具体应用于模拟建筑物局部倒塌破坏中钢管混凝土柱‑组合梁梁端结构约束受力情况，包括有连接装置、传感器装置、升降装置、支撑装置和底板；连接装置、传感器装置和升降装置组成水平连续约束单元，支撑装置和底板组成支撑固定单元，支撑固定单元上连接有多组水平连续约束单元；水平连续约束单元的升降装置与支撑固定单元的支撑装置连接；本发明以支撑固定单元和水平连续约束单元组合拼装而成，多零件拼接使用时组装拼接而成，零件便于收纳同时可以在不同试验环境中快速拼接开展试验工作，多组水平连续约束单元配装用以满足不同结构组合梁和不同层高要求。

Description

一种组合梁端水平连续约束试验装置及其方法

技术领域

本发明涉及结构工程技术领域，是一种组合梁端水平连续约束试验装置及其方法。具体应用于模拟建筑物局部倒塌破坏中钢管混凝土柱-组合梁梁端结构约束受力情况。

背景技术

近年来，随着我国城市化建设速度的加快，新型建筑结构形式不断涌现，钢管混凝土组合结构是由钢管和混凝土两种材料组成的新型结构形式，具有承载力高，抗震性能好，施工方便，抗火性能好等优点，已经被广泛应用于超高层建筑和地下交通枢纽中。钢管混凝土建筑结构全寿命服役中，可能遭受各种意外荷载作用，如地震作用、火灾、爆炸等引起的倒塌破坏，特别是建筑物局部结构破坏会直接影响钢管混凝土结构的强度进而影响整体建筑物受力性能和结构强度。

钢管混凝土框架结构主要由钢管混凝土柱、钢梁、钢与混凝土组合板等主要受力构件组成。由于试验条件的限制，很难开展足尺和空间钢管混凝土框架试验，因此，缩尺子结构是目前主要研究手段和方法，如钢管混凝土节点、钢管混凝土平面框架试件等。虽然缩尺子结构试件可以一定程度地反映该类结构的受力机理和破坏特征，但试验边界条件对其试验结构的影响较大，为了与实际工程更加接近，需要在试验中施加一定的边界约束条件。

在开展钢管混凝土组合框架试验时，通常选取多层多跨钢管混凝土平面框架作为试验对象。试验时，需要考虑组合梁内的轴向连续拉结作用，而国内以往钢管混凝土组合框架的抗连续倒塌、抗震等试验中，均未考虑梁端轴向水平拉结作用的影响，导致试验结果与实际结果相差较大。

发明内容

本发明解决现有技术中不能准确测定梁端轴向拉结作用的技术问题提供一种可变约束高度的钢与混凝土组合梁端水平连续约束试验装置设计。因此，在试验中考虑合理的梁端轴向拉结作用是亟待解决的重要问题。可变约束高度的组合梁端连续约束装置可以在梁端对组合梁产生拉结作用，使试验结果更加接近实际结果。可升降设计可以满足不同试验中不同层高的要求。

为解决上述技术问题本发明一种组合梁端水平连续约束试验装置包括有连接装置、传感器装置、升降装置、支撑装置和底板；连接装置、传感器装置和升降装置组成水平连续约束单元，支撑装置和底板组成支撑固定单元，支撑固定单元上连接有多组水平连续约束单元；水平连续约束单元的升降装置与支撑固定单元的支撑装置连接。

进一步的，所述的连接装置包括有T形连接装置、销接装置和方形连接装置，T形连接装置设有1组，方形连接装置设有两组，销接装置设有两个，T形连接装置通过销接装置与其中一组方形连接装置连接，两组方形连接装置之间连接传感器装置，另一组方形连接装置通过销接装置与升降装置连接；T形连接装置与待试验组合梁固定连接。

本发明以支撑固定单元和水平连续约束单元组合拼装而成，多零件拼接使用时组装拼接而成，零件便于收纳同时可以在不同试验环境中快速拼接开展试验工作，多组水平连续约束单元配装用以满足不同结构组合梁和不同层高要求。T形连接装置为了便于与组合梁连接，T形连接板提升承托强度。方形连接装置通过销接装置与升降装置连接上述方便设备连接时调节间隙。

进一步的，所述销接装置包括平板销接板和U形销接板和销轴，平板销接板和U形销接板通过销轴连接；所述 T形连接装置由多个T形连接板和螺栓Ⅰ拼接而成；所述方形连接装置由多个方形连接板和螺栓Ⅰ拼接而成。多个连接板拼接可以满足多种强度和尺寸的调节要求，多层板拼接有助于微小尺寸调节拼接。

进一步的，所述传感器装置由传感器、螺栓Ⅱ和螺栓套组成，传感器为拉压力传感器，传感器两侧分别设有螺栓Ⅱ，螺栓Ⅱ与螺栓套螺纹连接，螺栓套与方形连接装置固定连接。上述结构便于拉压力传感器替换拆卸，可以在不同量程实验时随时替换。

进一步的，所述支撑装置由竖向工字梁、斜向工字梁和横向工字梁焊接而成，支撑装置侧部呈A字形，竖向工字梁在腹板上开设多组连接槽；升降装置由U型卡槽和螺栓Ⅲ组成，U型卡槽上设有多排连接槽，螺栓Ⅲ穿过U型卡槽的连接槽和竖向工字梁的连接槽，将水平连续约束单元的升降装置与支撑固定单元的支撑装置连接为一体；U型卡槽的连接槽长度为50mm~200mm，竖向工字梁的连接槽长度为175mm~600mm。

进一步的，所述支撑装置由竖向工字梁、斜向工字梁和横向工字梁组成，竖向工字梁与斜向工字梁通过焊接连接，斜向角度为15°~30°，滑动装置沿腹板上下滑动调节水平位置。

本发明层高适应性好，此处层高具体为钢管混凝土柱底部到上部钢梁之间高度，单层层高测试范围广可达到800~1200mm，基本满足传统组合梁测试要求。此外通过支撑固定单元和多组水平连续约束单元配装进一步满足多层需求，多层模拟更加贴近真实高层建筑物，有利于模拟试验数据与真实环境贴合。

进一步的，所述的底板上预留螺栓孔洞，通过螺栓孔洞与地梁固定。有利于支撑稳定。

进一步的，所述传感器为拉压力传感器的型号为LTR-1型拉压力传感器，测试范围100kN~500kN。不同工况时拆卸替换即可。

使用本发明一种组合梁端水平连续约束试验方法，包括如下步骤：

A组件拼装

将支撑固定单元和水平连续约束单元，根据组合梁数量适配水平连续约束单元数量，将水平连续约束单元与支撑固定单元拼装在一起；

B环境模拟

试验组合梁由支撑梁、支撑边柱和位移加载柱焊接而成，支撑边柱与地面或试验台固定，位移加载柱的下缘高于支撑边柱下缘，位移加载柱的下缘无与地面或试验台接触模拟建筑局部倒塌；

C待试验组合梁拼接

水平连续约束单元与待试验组合梁梁端固定连接，支撑固定单元与地面或试验台固定；

D施力测试

在待试验组合梁的位移加载柱上施加压力产生向下位移，位移加载柱向下移动进而改变待试验组合梁整体位移和受力，通过水平连续约束单元的传感器装置进行组合梁轴向受力记录，根据轴向受力情况进行受力分析剪力值和弯矩。通过上述受力、剪力和弯矩分析可以辅助设计人员优化组合梁结构和受力。

所述步骤C中通过改变待试验组合梁支撑梁数量进而实现层数变化，根据层数变化增减水平连续约束单元数量与支撑梁配装。可以满足高层建筑模拟。

所述步骤B环境模拟中通过改变位移加载柱水平位置，调节与支撑边柱间距模拟建筑物不同位置的局部塌陷。试验工况模拟范围更大。

本发明的有益效果是：1、该装置构件易于加工，施工方便，易于组装。2、试验中，在梁端提供一个边界条件，能够对组合梁产生一种拉结作用，使试验更加接近实际条件，试验结果更加精确。3、升降装置可以上下滑动，布置位置灵活，适应于不同层高的框架结构，升降装置可左右移动，易于更换不同型号传感器，也适应整个装置的位置变化。4、该装置中设置两个销接装置，能够自由转动，以适应组合框架在试验中转动，对组合梁提供持续的轴向拉结力。5、该组合梁端水平连续约束装置可以测量试验中的组合梁端产生的轴向拉压力值，以便于对结果进行分析。

附图说明

图1为本发明装置的三维整体示意图；

图2为T形连接装置的构件示意图；

图3为销接装置的构件示意图；

图4为方形连接装置的构件示意图；

图5为传感器装置图；

图6为升降装置构件示意图；

图7为A形支撑装置示意图；

图8为底板示意图；

图9为实施例1试验组合梁示意图；

图10为实施例1试验组合梁模拟试验示意图；

图11为实施例1结构局部应力变化示意图；

图12为实施例1对比试验结构局部应力变化示意图；

图13为实施例1对比试验承载力位移变化示意图；

图14为实施例1支撑装置简化示意图；

图15为实施例1支撑装置受力变形图；

图16为实施例1支撑装置轴力、剪力、弯矩变形图；

图17为实施例2试验组合梁示意图；

图18为实施例2试验组合梁模拟试验示意图；

图19为实施例2结构局部应力变化示意图；

图20为实施例2对比试验结构局部应力变化示意图；

图21为实施例2对比试验承载力位移变化示意图；

图22为实施例2支撑装置简化示意图；

图23为实施例2支撑装置受力变形图；

图24为实施例2支撑装置轴力、剪力、弯矩变形图。

图中：T形连接装置1、销接装置2、方形连接装置3、传感器装置4、升降装置5、A形支撑装置6、底板7、T形连接板8、螺栓Ⅰ9、平板销接板10、U形销接板11、销轴12、方形连接板13、传感器14、螺栓Ⅱ15、螺栓套16、U型卡槽7、螺栓Ⅲ18、竖向工字梁19、斜向工字梁20、横向工字梁21、支撑梁22、支撑边柱23、位移加载柱24。

具体实施方式

如图1~图8所示，本发明一种组合梁端水平连续约束试验装置包括有：连接装置、传感器装置4、升降装置5 、支撑装置6和底板7；连接装置、传感器装置4和升降装置5组成水平连续约束单元，支撑装置6和底板7组成支撑固定单元，支撑固定单元上连接有多组水平连续约束单元；水平连续约束单元的升降装置5与支撑固定单元的支撑装置6连接。

进一步的，所述的连接装置包括有T形连接装置1、销接装置2和方形连接装置3，T形连接装置1设有1组，方形连接装置3设有两组，销接装置2设有两个，T形连接装置1通过销接装置2与其中一组方形连接装置3连接，两组方形连接装置3之间连接传感器装置4，另一组方形连接装置3通过销接装置2与升降装置5连接；T形连接装置1与待试验组合梁固定连接。

进一步的，所述销接装置2包括平板销接板10和U形销接板11和销轴12，平板销接板10和U形销接板11通过销轴12连接；所述 T形连接装置 1由多个T形连接板8和螺栓Ⅰ9拼接而成；所述方形连接装置3由多个方形连接板13和螺栓Ⅰ9拼接而成。

进一步的，所述传感器装置4由传感器14、螺栓Ⅱ15和螺栓套16组成，传感器为拉压力传感器，传感器14两侧分别设有螺栓Ⅱ15，螺栓Ⅱ15与螺栓套16螺纹连接，螺栓套16与方形连接装置3固定连接。

进一步的，所述支撑装置6由竖向工字梁19、斜向工字梁20和横向工字梁21焊接而成，支撑装置6侧部呈A字形，竖向工字梁19在腹板上开设多组连接槽；

进一步的，升降装置5由U型卡槽17和螺栓Ⅲ18组成，U型卡槽17上设有多排连接槽，螺栓Ⅲ18穿过U型卡槽17的连接槽和竖向工字梁19的连接槽，将水平连续约束单元的升降装置5与支撑固定单元的支撑装置6连接为一体；U型卡槽17的连接槽长度为50mm~200mm，竖向工字梁19的连接槽长度为175mm~600mm。

进一步的，所述支撑装置6由竖向工字梁19、斜向工字梁20和横向工字梁21组成，竖向工字梁19与斜向工字梁20通过焊接连接，斜向角度为15°~30°，滑动装置5沿腹板上下滑动调节水平位置。

进一步的，所述的底板7上预留螺栓孔洞，通过螺栓孔洞与地梁固定。

进一步的，所述传感器为拉压力传感器的型号为LTR-1型拉压力传感器，测试范围100kN~500kN。

本发明一种组合梁端水平连续约束试验方法包括如下步骤：

A组件拼装

将支撑固定单元和水平连续约束单元，根据组合梁数量适配水平连续约束单元数量，将水平连续约束单元与支撑固定单元拼装在一起；

B环境模拟

试验组合梁由支撑梁22、支撑边柱23和位移加载柱24焊接而成，支撑边柱23与地面或试验台固定，位移加载柱24的下缘高于支撑边柱23下缘，位移加载柱24的下缘无与地面或试验台接触模拟建筑局部倒塌；

C待试验组合梁拼接

水平连续约束单元与待试验组合梁梁端固定连接，支撑固定单元与地面或试验台固定；

D施力测试

在待试验组合梁的位移加载柱24上施加压力产生向下位移，位移加载柱24向下移动进而改变待试验组合梁整体位移和受力，通过水平连续约束单元的传感器装置4进行组合梁轴向受力记录，根据轴向受力情况进行受力分析剪力值和弯矩。

所述步骤C中通过改变待试验组合梁支撑梁数量进而实现层数变化，根据层数变化增减水平连续约束单元数量与支撑梁配装。

所述步骤B环境模拟中通过改变位移加载柱24水平位置，调节与支撑边柱23间距模拟建筑物不同位置的局部倒塌。

本发明具体装配步骤为：

(1)预制T形连接装置1：有两个相同的T形连接板8，每个T形连接板8上预留两排六个24mm的螺栓孔，用六个M24的螺栓Ⅰ9将其固定。

(2)预制销接装置2：平板销接板10和U形销接板11上均预留30mm的圆形孔洞，将平板销接板10插入U形销接板11中，圆形预留孔洞对准，将销轴12插入圆形孔洞内，将两个销接板固定。

(3)预制方形连接装置3：有两个相同的方形连接板13，每个方形连接板13上预留两排六个24mm的螺栓孔，用六个M24的螺栓Ⅰ9将其固定。

(4)安装传感器装置4：可购置适用试验的不同型号的拉压式传感器14，传感器14两端与螺栓套16通过螺栓Ⅱ15连接。

(5)预制升降装置5：U型卡槽17两边均有两行24mm宽的槽道，U型卡槽17的厚度为10mm，M24的螺栓Ⅲ18插入两行U型卡槽17的槽道内，螺栓Ⅲ18可在槽道内左右移动，以调节不同的位置。

(6)预制A形支撑装置6：由竖向工字梁19，斜向工字梁20和横向工字梁21组成，三个工字梁为同一型号的工字梁，三个工字梁通过焊接连接。

(7)整体装配：具体实施设备测试中可分多层装配，第一层是T形连接装置1与销接装置2通过焊接连接，销接装置2另一侧与方形连接装置3进行焊接连接，方形连接装置3与传感器装置4进行焊接，传感器装置4焊接于另一侧的方形连接装置3，方形连接装置3与销接装置2焊接连接，销接装置2的另一侧与升降装置5通过焊接连接，一层安装完成。重复以上的操作依次完成安装。将升降装置5通过螺栓Ⅲ18插入到竖向工字钢19的腹板中进行连接，A形支撑装置6底部焊接底板7，整体装配完成。

(8)安装固定：将T形连接装置1与组合梁进行焊接连接，底板7与地梁进行螺栓连接，装置固定完成。

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明，所举实例是用于解释本发明，并非用于限制本发明。在本发明的原则范围内，所做的修改、等同替换和改进都属于本发明的保护范围。

如图1~图8所示，本发明是可变约束高度的组合梁端水平连续约束试验装置设计，其结构包括T形连接装置1、销接装置2、方形连接装置3、传感器装置4、升降装置5、A形支撑装置6、底板7；T形连接装置1由两块相同的连接板8和六个相同螺栓Ⅰ9构成，利用六个螺栓Ⅰ9将两块T形连接板8固定在一起，一个T形连接板8的下部焊接于组合梁的工字梁，上部焊接在钢筋混凝土楼板的钢筋上；销接装置2由平板销接板10和U形销接板11、销轴12构成，平板销接板10和U形销接板11通过销轴12连接；方形连接装置3由两块相同的方形连接板13和六个相同螺栓Ⅰ9组成，两块连接板13通过六个相同的螺栓Ⅰ9固定；T形连接装置1与方形连接装置3通过销接装置2连接在一起，销接装置2的一侧焊接于T形连接装置1，另一侧焊接于方形连接装置3；传感器装置4由传感器14、螺栓Ⅱ15和螺栓套16构成，传感器14的两侧通过螺栓Ⅱ15与螺栓套16连接，两个螺栓套16均焊接于方形连接装置3；升降装置5由U型卡槽17和螺栓Ⅲ18组成，U型卡槽17每边有上下两排开槽，螺栓18穿过槽道；A形支撑装置6由竖向工字梁19、斜向工字梁20和横向工字梁21构成，竖向工字梁19和斜向工字梁20以及横向工字梁21通过焊接连接，竖向工字梁19在腹板中部有开槽，升降装置5中的螺栓Ⅲ18穿过竖向工字梁19的腹板槽道，可上下滑动；底板7是钢板底板，底板7焊接于竖向工字梁19和斜向工字梁20底部，底板7有预留螺栓孔洞，可以固定于地梁或其他装置。

如图2所示为T形连接装置1，T形连接板8下部焊接在组合楼板的钢梁上，T形连接板8的两边横向伸出部分与组合楼板上部的钢筋混凝土楼板中的钢筋焊接，每个T形连接板8上预留两排，每排有三个24mm的螺栓孔，螺栓孔成对称分布，每个连接板厚度为10mm，共有两个T形连接板8，通过M24螺栓将两个T形连接板8固定在一起，形成T形连接装置1。

形T连接板8下部与工字型钢梁焊接，其宽度应大于钢梁翼缘的宽度，高度应大于工字型钢梁的高度，上部与组合楼板连接，组合楼板中钢筋与T形连接板8的上部焊接，T形连接板8左右两侧伸出部分的高度应大于组合楼板的高度，T形连接板8上部的长度应大于组合楼板的宽度。由于组合楼板宽度大于工字型钢梁翼缘的宽度，所以T形连接板8上部较宽，下部较窄，形成了T形。

T形连接装置1中的一个T形连接板8在组合楼板浇筑混凝土前应与工字梁和钢筋焊接完成，另一T形连接板8与销接装置2焊接连接，在整体装配阶段用螺栓Ⅰ9固定。螺栓Ⅰ9的作用是将两块T形连接板8固定于一起，适当增加螺栓数量对其有一定影响，需要考虑螺栓Ⅰ9的大小和T形连接板8的大小，螺栓数量减少，又需要考虑连接的牢固性。增加或减小螺栓数量要两侧对称分布。

如图3所示为销接装置2，有两种销接板，分别为平板销接板10和U形销接板11，平板销接板10为10mm的平板，圆形部分的半径为100mm，在圆心位置预留直径为30mm的圆形孔洞，U形销接板11是U型装置，两块平板的间隔距离为10mm，两块10mm的平板均预留直径为30mm的圆形孔洞，销轴12的直径为30mm，将平板销接板10插入U形销接板11中，两个销接板上预留的圆形孔洞对应，然后销轴12插入到销接板的圆形孔洞中，将其固定，形成了销接装置2。

在该组合梁端水平连续约束装置中设置两个销接装置2，其目的是在试验中组合梁发生转动时，销接装置2也随之转动，在组合梁端提供轴向的拉结作用。

如图4所示为方形连接装置3，两块方形连接板13的长宽为300mm×250mm，厚度为10mm，每个方形连接板13上预留两排，每排三个螺栓孔，共六个螺栓孔，螺栓孔的直径为24mm，两个方形连接板13通过六个螺栓Ⅰ9固定，形成了方形连接装置3。

如图5所示为传感器装置4，该装置可适用不同型号的拉压式传感器14，传感器14两侧均有螺栓Ⅱ15连接，两侧的螺栓Ⅱ15拧入螺栓套16中。

传感器14可使用两端螺栓连接的拉压式传感器(例如：上海振丹生产的LTR-1型拉压力传感器)，传感器的主要用于测量整个组合梁端水平连续约束装置所受到的拉压力值大小。

螺栓套16应自行设计，螺栓套16的内径和螺距应根据螺栓Ⅱ15确定，螺距确定后应在螺栓套16内进行挑丝，挑丝工艺在钢材加工厂可完成。

如图6所示为升降装置5，由U型卡槽17和螺栓Ⅲ18组成，U型卡槽17两边均有两行24mm宽的槽道，U型卡槽17的厚度为10mm，M24的螺栓Ⅲ18插入两行U型卡槽17的槽道内，螺栓Ⅲ18可在槽道内左右移动，以调节不同的位置。

如图7所示为A形支撑装置6，分别由竖向工字梁19，斜向工字梁20和横向工字梁21组成，三个工字梁为同一型号的工字梁，工字梁的型号为150mm×130mm×9mm×10mm，竖向工字梁19与斜向工字梁20通过焊接连接，横向工字梁21两边分别焊接在竖向工字梁19和斜向工字梁20的翼缘上部，三种工字梁焊接于一起形成了A形支撑装置6。A形支撑装置6中竖向工字梁19的腹板开有槽道，滑动装置5可沿腹板上下滑动。

如图7所示的竖向工字梁19腹板中开有两段槽道，升降装置5的螺栓Ⅲ18插入竖向工字梁19的腹板中，螺栓18上下滑动，以适应不同层高。该装置的适应的层高为800mm~1200mm。

如图8所示为底板7，底板焊接在竖向工字梁19和斜向工字梁20底部，底板上预留螺栓孔洞，在试验时可以将A形装置固定在地梁或其他位置。

实施例1

实施例1工况：有梁端边界水平连续约束模型

利用ABAQUS建立了两层两跨的钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架，在中柱失效的情况下进行抗连续倒塌试验数值模拟。钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架的柱距为1800mm，层高为1000mm，钢梁截面尺寸为H150×75×4×6mm，钢管混凝土柱的截面尺寸为150×150mm，钢管的截面尺寸为150×3mm，并根据中华人民共和国国家标准《钢管混凝土结构技术规范》(GB50936-2014)设计方形柱外环板，外环板的宽度为40mm。外环板、钢梁与钢管柱均采用Q235B钢材，钢管中填充的核心混凝土强度等级为C40混凝土。

ABAQUS建立了如图10所示的钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架模型图，该框架中所有构件单元均采用实体单元进行建模。在两个边柱上部各施加400kN的轴力，在失效柱(中柱)上部施加400mm的位移加载，在右侧梁端使用该专利中的梁端水平连续约束装置施加梁端边界约束条件，在梁端对框架提供轴向拉结力。由于抗连续倒塌为大变形，模拟过程不容易收敛，因此该数值模拟过程分析步采用动力显示进行分析。

实施例1对比试验

实施例1对比试验工况：无梁端边界水平连续约束模型

利用ABAQUS建立了两层两跨的钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架，在中柱失效的情况下进行抗连续倒塌试验数值模拟。钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架的柱距为1800mm，层高为1000mm，钢梁截面尺寸为H150×75×4×6mm，钢管混凝土柱的截面尺寸为150×150mm，钢管的截面尺寸为150×3mm，并根据中华人民共和国国家标准《钢管混凝土结构技术规范》(GB50936-2014)设计方形柱外环板，外环板的宽度为40mm。外环板、钢梁与钢管柱均采用Q235B钢材，钢管中填充的核心混凝土强度等级为C40混凝土。

ABAQUS建立了如图9所示的钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架模型图，该框架中所有构件单元均采用实体单元进行建模。在两个边柱上部各施加400kN的轴力，在失效柱(中柱)上部施加400mm进行位移加载，梁端边界无约束条件。由于抗连续倒塌属于大变形，模拟过程不容易收敛，因此该数值模拟过程分析步采用动力显示进行分析。

利用ABAQUS建立如图9和图10所示的钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架，进行对比，分别为图11为有梁端边界约束条件和图12为梁端无边界约束条件，对该两榀平面框架在中柱失效的情况下进行抗连续倒塌试验数值模拟，来对比分析梁端水平连续约束装置对框架在抗连续倒塌中的作用，研究梁端轴向拉结力对抗连续倒塌试验结果的影响。

实施例1结果对比分析

分别对图11和图12所示的钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架在中柱失效的工况下进行抗连续倒塌试验数值模拟，来对比分析梁端水平连续约束装置对框架在抗连续倒塌中的作用，研究梁端轴向拉结力对抗连续倒塌试验结果的影响。

如图12所示为无边界约束条件的钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架破坏图，对破坏图分析可以发现，当该平面框架在无梁端边界约束条件中柱失效的抗连续倒塌试验下，失效柱两侧的钢梁下翼缘最先发生屈服，在框架抗连续倒塌的整个过程中，无梁端边界约束条件下，失效柱两侧的钢梁和钢管混凝土柱发生的破坏成对称分布。

如图13所示为有梁端边界约束条件的钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架破坏图，在框架的左侧，未设置梁端边界约束，而在框架的右侧，使用该专利中的梁端水平连续约束装置提供轴向拉结力，作为边界条件。从破坏图中可以看出，当该平面框架在右侧有梁端边界约束条件的中柱失效的抗连续倒塌试验数值模拟中，无边界约束的左侧，在失效柱拉动的作用下，明显向内侧倾斜，而有梁端边界约束的右侧，由于梁端水平连续约束装置的拉结作用下，右侧的钢管混凝土柱并未发生移动。

对比有梁端边界约束和无梁端边界约束的钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架进行抗连续倒塌试验的结果，图11破坏图和图12破坏图有明显区别，图12中的失效柱两侧的钢梁和边柱破坏明显成对称分布，失效柱两侧的钢梁下翼缘发生开裂，两侧的边柱均向内发生了倾斜。图11中的失效柱两侧的钢梁和边柱破坏并未成对称分布，没有梁端边界约束的左侧边柱发生了类似于图12中左侧柱的破坏，左侧钢管混凝土柱向内发生了倾斜，而右侧由于梁端水平连续约束装置对梁端产生的拉结作用，右侧的钢管混凝土柱并未发生明显的移动。对比分析图11和图12破坏图可知，梁端有边界约束条件和无边界约束条件在抗连续倒塌的整个过程中发生的破坏明显不同，无梁端边界约束条件的框架在抗连续倒塌过程中，失效柱两侧的钢梁和边柱发生的破坏成对称分布。而只有右侧有梁端边界约束条件的框架，发生的破坏并未成对称分布，右侧的钢管混凝土柱受到梁端水平连续约束装置的拉结作用，钢管混凝土柱并未发生移动。梁端水平连续约束装置可以对钢梁产生轴向拉结作用，在梁端产生轴向拉结力，对框架的抗连续倒塌试验结果影响显著。

如图13所示为承载力-竖向位移曲线的对比图，当竖向位移0~15mm之间，有梁端边界约束的框架和无梁端边界约束的框架两条曲线几乎重合，当竖向位移达到15mm以后，无梁端边界约束的框架承载力继续增大，而有梁端边界约束的框架承载力有一小段下降，之后承载力继续增大。有梁端边界约束和无梁端边界约束的框架承载力-位移曲线有显著的差别。因此，可升降的梁端水平连续约束装置可以在梁端对钢梁产生轴向拉结作用，更好的模拟实际工况，使试验结果更加接近实际结果。可升降设计可以满足不同试验中不同层高的要求。

实施例1对比受力分析

将A型支撑装置进行简化，如图14所示。在竖向工字形梁上同时施加两个大小、方向相同的两个力，还原A型支撑装置在试验过程中的受力情况。图15给出了两种不同形式装置的变形图，从图15 可以看出，在力的作用下，竖向工字形梁受弯，斜向工字形梁受拉。而横向工字形钢梁对于A型支撑装置在力方向上的位移存在一定的约束作用，减少了A型支撑装置在试验过程中的水平位移。图16给出了两种不用形式装置的内力对比图，从图中可以看出，有无横向工字形钢梁对于装置轴力的影响不大。而对于装置剪力，横向工字形钢梁可以减小竖向工字形梁底部的剪力值。对于装置弯矩，在设置横向工字形梁后，由于弯矩在刚接节点的分配，减小了竖向工字形钢梁的弯矩，特别是在力作用点以及钢梁底部的弯矩。由此可以看出，A型支撑装置在试验过程中的刚度较大，且内力分布较好。

实施例2

实施例2工况：有梁端边界约束模型

利用ABAQUS建立了三层两跨的钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架，在中柱失效的情况下进行抗连续倒塌试验数值模拟。钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架的柱距为1800mm，层高为1000mm，钢梁截面尺寸为H150×75×4×6mm，钢管混凝土柱的截面尺寸为150×150mm，钢管的截面尺寸为150×3mm，并根据中华人民共和国国家标准《钢管混凝土结构技术规范》(GB50936-2014)设计方形柱外环板，外环板的宽度为40mm。外环板、钢梁与钢管柱均采用Q235B钢材，钢管中填充的核心混凝土强度等级为C40混凝土。

ABAQUS建立了如图18所示的钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架模型图，该框架中所有构件单元均采用实体单元进行建模。在两个边柱上部各施加400kN的轴力，在失效柱(中柱)上部施加400mm的竖向位移加载，在右侧梁端使用该专利中的梁端水平连续约束装置施加梁端边界约束条件，在梁端对框架提供轴向拉结力。由于抗连续倒塌为大变形，模拟过程不容易收敛，因此该数值模拟过程分析步采用动力显示进行分析。

实施例2对比试验

实施例2对比试验工况：无梁端边界约束模型

利用ABAQUS建立了三层两跨的钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架，在中柱失效的情况下进行抗连续倒塌试验数值模拟。钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架的柱距为1800mm，层高为1000mm，钢梁截面尺寸为H150×75×4×6mm，钢管混凝土柱的截面尺寸为150×150mm，钢管的截面尺寸为150×3mm，并根据中华人民共和国国家标准《钢管混凝土结构技术规范》(GB50936-2014)设计方形柱外环板，外环板的宽度为40mm。外环板、钢梁与钢管柱均采用Q235B钢材，钢管中填充的核心混凝土强度等级为C40混凝土。

ABAQUS建立了如图17所示的钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架模型图，该框架中所有构件单元均采用实体单元进行建模。在两个边柱上部各施加400kN的轴力，在失效柱(中柱)上部施加400mm进行位移加载，梁端边界无约束条件。由于抗连续倒塌属于大变形，模拟过程不容易收敛，因此该数值模拟过程分析步采用动力显示进行分析。

利用ABAQUS建立如图17和图18所示的钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架，进行对比，分别为图17为梁端无边界约束条件和图18为有梁端边界约束条件，对该两榀平面框架在中柱失效的情况下进行抗连续倒塌试验数值模拟，来对比分析梁端水平连续约束装置对框架在抗连续倒塌中的作用，研究梁端轴向拉结力对抗连续倒塌试验结果的影响。

结果对比分析：

分别对图17和图18所示的钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架在中柱失效的工况下进行抗连续倒塌试验数值模拟，来对比分析梁端水平连续约束装置对框架在抗连续倒塌中的作用，研究梁端轴向拉结力对抗连续倒塌试验结果的影响。

如图20所示为无边界约束条件的钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架破坏图，对破坏图分析可以发现，当该平面框架在无梁端边界约束条件中柱失效的抗连续倒塌试验下，失效柱两侧的钢梁下翼缘最先发生屈服，在框架抗连续倒塌的整个过程中，无梁端边界约束条件下，失效柱两侧的钢梁和钢管混凝土柱发生的破坏成对称分布。

如图19所示为有梁端边界约束条件的钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架破坏图，在框架的左侧，未设置梁端边界约束，而在框架的右侧，使用该专利中的梁端水平连续约束装置提供轴向拉结力，作为边界条件。从破坏图中可以看出，当该平面框架在右侧有梁端边界约束条件的中柱失效的抗连续倒塌试验数值模拟中，无边界约束的左侧，在失效柱拉动的作用下，明显向内侧倾斜，而有梁端边界约束的右侧，由于梁端水平连续约束装置的拉结作用下，右侧的钢管混凝土柱并未发生移动。

对比有梁端边界约束和无梁端边界约束的钢管混凝土柱-H型钢梁平面框架进行抗连续倒塌试验的结果，图19破坏图和图20破坏图有明显区别，图20中的失效柱两侧的钢梁和边柱破坏明显成对称分布，失效柱两侧的钢梁下翼缘发生开裂，两侧的边柱均向内发生了倾斜。图19中的失效柱两侧的钢梁和边柱破坏并未成对称分布，没有梁端边界约束的左侧边柱发生了类似于图20中左侧柱的破坏，左侧钢管混凝土柱向内发生了倾斜，而右侧由于梁端水平连续约束装置对梁端产生的拉结作用，右侧的钢管混凝土柱并未发生明显的移动。对比分析图19和图20破坏图可知，梁端有边界约束条件和无边界约束条件在抗连续倒塌的整个过程中发生的破坏明显不同，无梁端边界约束条件的框架在抗连续倒塌过程中，失效柱两侧的钢梁和边柱发生的破坏成对称分布。而只有右侧有梁端边界约束条件的框架，发生的破坏并未成对称分布，右侧的钢管混凝土柱受到梁端水平连续约束装置的拉结作用，钢管混凝土柱并未发生移动。梁端水平连续约束装置可以对钢梁产生轴向拉结作用，在梁端产生轴向拉结力，对框架的抗连续倒塌试验结果影响显著。

如图21所示为承载力-竖向位移曲线的对比图，当竖向位移0~18mm之间，有梁端边界约束的框架和无梁端边界约束的框架两条曲线几乎重合，当竖向位移达到18mm以后，无梁端边界约束的框架承载力继续增大，而有梁端边界约束的框架承载力有一小段下降，之后承载力继续增大。有梁端边界约束和无梁端边界约束的框架承载力-位移曲线有显著的差别。因此，可升降的梁端水平连续约束装置可以在梁端对钢梁产生轴向拉结作用，更好的模拟实际工况，使试验结果更加接近实际结果。可升降设计可以满足不同试验中不同层高的要求。

受力分析：

将A型支撑装置进行简化，如图22所示。在竖向工字形梁上同时施加三个大小、方向相同的三个力，还原A型支撑装置在试验过程中的受力情况。图23给出了两种不同形式装置的变形图，从图23可以看出，在力的作用下，竖向工字形梁受弯，斜向工字形梁受拉。而横向工字形钢梁对于A型支撑装置在力方向上的位移存在一定的约束作用，减少了A型支撑装置在试验过程中的水平位移。图16给出了两种不用形式装置的内力对比图，从图中可以看出，有无横向工字形钢梁对于装置轴力的影响不大。而对于装置剪力，横向工字形钢梁可以减小竖向工字形梁底部的剪力值。对于装置弯矩，在设置横向工字形梁后，由于弯矩在刚接节点的分配，减小了竖向工字形钢梁的弯矩，特别是在力作用点以及钢梁底部的弯矩。由此可以看出，A型支撑装置在试验过程中的刚度较大，且内力分布较好。

实施例3

本专利中实施例1针对二层结构和实施例2针对三层结构，其中单层仅使用一根支撑梁其结构过于简单在建筑施工中不会出现故没有做上述一根支撑梁实施例，本专利中实施例1和2对建筑基础单元模块进行测试分析，如有需要可以拓展延伸，如果需要四层结构测试时可以将两组实施例1进行叠加；如果需要五层结构测试时可以将一组实施例1和实施例2进行叠加，如果需要六层结构测试时可以将三组实施例1或两组实施例2进行叠加。以此类推进行叠加便可完成多层建筑测试。

Claims (10)

1.一种组合梁端水平连续约束试验装置，其特征在于：包括连接装置、传感器装置(4)、升降装置(5) 、支撑装置(6)和底板(7)；连接装置、传感器装置(4)和升降装置(5)组成水平连续约束单元，支撑装置(6)和底板(7)组成支撑固定单元，支撑固定单元上连接有多组水平连续约束单元；水平连续约束单元的升降装置(5)与支撑固定单元的支撑装置(6)连接。

2.根据权利要求1所述的一种组合梁端水平连续约束试验装置，其特征在于：所述的连接装置包括有T形连接装置(1)、销接装置(2)和方形连接装置(3)，T形连接装置(1)设有1组，方形连接装置(3)设有两组，销接装置(2)设有两个，T形连接装置(1)通过销接装置(2)与其中一组方形连接装置(3)连接，两组方形连接装置(3)之间连接传感器装置(4)，另一组方形连接装置(3)通过销接装置(2)与升降装置(5)连接；T形连接装置(1)与待试验组合梁固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种组合梁端水平连续约束试验装置，其特征在于：所述销接装置(2)包括平板销接板(10)和U形销接板(11)和销轴(12)，平板销接板(10)和U形销接板(11)通过销轴(12)连接；所述 T形连接装置 (1)由多个T形连接板(8)和螺栓Ⅰ(9)拼接而成；所述方形连接装置(3)由多个方形连接板(13)和螺栓Ⅰ(9)拼接而成。

4.根据权利要求2所述的一种组合梁端水平连续约束试验装置，其特征在于：所述传感器装置(4)由传感器(14)、螺栓Ⅱ(15)和螺栓套(16)组成，传感器为拉压力传感器，传感器(14)两侧分别设有螺栓Ⅱ(15)，螺栓Ⅱ(15)与螺栓套(16)螺纹连接，螺栓套(16)与方形连接装置(3)固定连接。

5.根据权利要求2所述的一种组合梁端水平连续约束试验装置，其特征在于：所述支撑装置(6)由竖向工字梁(19)、斜向工字梁(20)和横向工字梁(21)焊接而成，支撑装置(6)侧部呈A字形，竖向工字梁(19)在腹板上开设多组连接槽；升降装置(5)由U型卡槽(17)和螺栓Ⅲ(18)组成，U型卡槽(17)上设有多排连接槽，螺栓Ⅲ(18)穿过U型卡槽(17)的连接槽和竖向工字梁(19)的连接槽，将水平连续约束单元的升降装置(5)与支撑固定单元的支撑装置(6)连接为一体；U型卡槽(17)的连接槽长度为50mm~200mm，竖向工字梁(19)的连接槽长度为175mm~600mm。

6.根据权利要求5所述的一种组合梁端水平连续约束试验装置，其特征在于：所述支撑装置(6)由竖向工字梁(19)、斜向工字梁(20)和横向工字梁(21)组成，竖向工字梁(19)与斜向工字梁(20)通过焊接连接，斜向角度为15°~30°，滑动装置(5)沿腹板上下滑动调节水平位置。

7.根据权利要求1所述的一种组合梁端水平连续约束试验装置，其特征在于：所述的底板(7)上预留螺栓孔洞，通过螺栓孔洞与地梁固定。

8.根据权利要求4所述的一种组合梁端水平连续约束试验装置，其特征在于：所述传感器为拉压力传感器的型号为LTR-1型拉压力传感器，测试范围100kN~500kN。

9.一种组合梁端水平连续约束试验方法，包括有如下步骤：

A.组件拼装：

将支撑固定单元和水平连续约束单元，根据组合梁数量适配水平连续约束单元数量，将水平连续约束单元与支撑固定单元拼装在一起；

B.环境模拟：

试验组合梁由支撑梁(22)、支撑边柱(23)和位移加载柱(24)焊接而成，支撑边柱(23)与地面或试验台固定，位移加载柱(24)的下缘高于支撑边柱(23)下缘，位移加载柱(24)的下缘无与地面或试验台接触模拟建筑局部倒塌；

C.待试验组合梁拼接：

水平连续约束单元与待试验组合梁梁端固定连接，支撑固定单元与地面或试验台固定；

D.施力测试：

在待试验组合梁的位移加载柱(24)上施加压力产生向下位移，位移加载柱(24)向下移动进而改变待试验组合梁整体位移和受力，通过水平连续约束单元的传感器装置(4)进行组合梁轴向受力记录，根据轴向受力情况进行受力分析剪力值和弯矩。

10.根据权利要求9所述的一种组合梁端水平连续约束试验方法，其特征在于：所述步骤C中通过改变待试验组合梁支撑梁数量进而实现层数变化，根据层数变化增减水平连续约束单元数量与支撑梁配装；所述步骤B环境模拟中通过改变位移加载柱(24)水平位置，调节与支撑边柱(23)间距模拟建筑物不同位置的局部倒塌。

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