CN111948024B - 一种带竖向限位的钢板局部屈曲试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带竖向限位的钢板局部屈曲试验装置及其试验方法，试验装置包括台座、轴向加载组件、非加载边约束组件、单向约束组件和竖向限位组件；台座上沿轴向贯穿设置多个轴向槽，单向约束组件包括多组螺纹顶杆，螺纹顶杆的组数与轴向槽的数量相等，且每组螺纹顶杆中包含至少一条螺纹顶杆，每组螺纹顶杆中的所有螺纹顶杆相应插入每个轴向槽，所述螺纹顶杆均套接有压力传感器和螺母，且压力传感器的下端面抵接台座，压力传感器的上端面抵接螺母，螺纹顶杆的顶端均抵接试件钢板；竖向限位组件用以约束试件钢板向平面外位移，轴向加载组件分别设于试件钢板的轴向前后两侧，非加载边约束组件分别设于试件钢板垂直轴向的左右两侧。

Description

一种带竖向限位的钢板局部屈曲试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及钢板屈曲试验技术领域，特别涉及一种带竖向限位的钢板局部屈曲试验装置及其试验方法。

背景技术

近年来，随着社会经济的快速展，大量高层、超高层建筑开始涌现，在这些建筑结构中，纯钢板剪力墙以及钢板混凝土组合剪力墙、钢管混凝土柱等钢-混凝土组合构件得到越来越多的应用。然而，随着高强混凝土以及高强度钢材的应用，这些构件外侧钢板的宽厚比也越来越大，钢板局部屈曲的问题也逐渐凸显，受到工程人员的重视。在造价经济性方面，采用薄壁组合构件时一般要求钢材及混凝土两者材料力学特性得到充分发挥，钢材要充分发展其屈服强度。在结构安全上来说，钢板局部屈曲问题的出现会导致构件提早破坏甚至结构的整体失效，造成灾难。因此，在经济性与安全性的共同要求下，对组合结构钢板局部屈曲问题的研究很有必要。只有弄清钢板局部屈曲的规则与模态，才能够针对性采取措施避免或延迟钢板局部屈曲的发生。这不仅能产生良好的经济意义，适应时代发展的潮流，且对于钢-混凝土组合结构以及薄壁钢结构在工程中的发展应用也具有重要意义。

现今，国内外已有部分学者开始对方形、矩形以及其他截面钢管混凝土柱的局部屈曲性能进行相关研究。然而，目前对于钢板局部屈曲的研究并不全面，且这些研究大多处于有限元和理论研究阶段，研究结果无法与准确的试验数据进行对比和校正。原因在于，国内外缺乏系统研究钢板局部屈曲的试验装置。且目前仅有的若干针对钢管混凝土柱外侧钢板局部屈曲性能的试验研究中，也存在诸多问题。如：加载设计不合理，加载端设备无法精确单独施加荷载给钢板、无法考虑内侧混凝土所产生的侧约束力大小、无法准确考虑边界条件的作用、目前的试验研究都是基于特定的构件，试验结果不具备普遍意义等。以上这些问题都直接制约了钢结构及组合结构局部屈曲性能的研究进程。

因此，有必要对钢板与混凝土之间的作用和钢板实际边界情况，提出一种钢板屈曲试验加载装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种带竖向限位的钢板局部屈曲试验装置，用以研究非加载边不同边界条件下以及单向约束情况下的钢板局部屈曲性能。

本发明的另一目的在于，提供上述带竖向限位的钢板局部屈曲试验装置的试验方法。

本发明的技术方案为：一种带竖向限位的钢板局部屈曲试验装置，用以研究试件钢板的局部屈曲性能，包括台座、轴向加载组件、非加载边约束组件、单向约束组件和竖向限位组件；

所述台座上沿轴向贯穿设置多个轴向槽，单向约束组件包括多组螺纹顶杆，螺纹顶杆的组数与轴向槽的数量相等，且每组螺纹顶杆中包含至少一条螺纹顶杆，每组螺纹顶杆中的所有螺纹顶杆相应插入每个轴向槽，所述螺纹顶杆均套接有压力传感器和螺母，且压力传感器的下端面抵接台座，压力传感器的上端面抵接螺母，螺纹顶杆的顶端均抵接试件钢板；

竖向限位组件包括滑杆和滑轨，滑轨沿轴向安装于台座顶面，滑杆的底部沿轴向设有限位滑块，限位滑块与滑轨滑动连接，滑杆上设有螺纹，滑杆的顶部贯穿试件钢板，试件钢板通过螺母锁固至滑杆；

轴向加载组件分别设于试件钢板的轴向前后两侧，轴向加载组件包括两块夹持钢板、活动钢板、导轨和顶推机构，两块夹持钢板共同夹持试件钢板的轴向一端并通过螺栓固定，夹持钢板的一端与活动钢板连接，导轨沿轴向安装于台座顶面，活动钢板与导轨滑动连接，顶推机构安装于台座，顶推机构用以顶推活动钢板沿导轨轴向滑动；

非加载边约束组件分别设于试件钢板垂直轴向的左右两侧，非加载边约束组件包括上钢板、下钢板和至少一约束滑轮组，上钢板和下钢板通过螺栓连接，上钢板和下钢板之间的间距可调，下钢板通过螺栓与试验台座固定，约束滑轮组包括位于上钢板底面的上滑轮组和位于下钢板顶面的下滑轮组，上滑轮组和下滑轮组共同夹持试件钢板垂直轴向的一端。

进一步，所述夹持钢板呈L型，夹持钢板包括相互垂直连接的夹持板和固定板，两块夹持钢板的夹持板共同夹持试件钢板的轴向一端并通过螺栓固定，两块夹持钢板的固定板分别通过螺栓固定至活动钢板。

进一步，所述夹持钢板上设有第一肋板，第一肋板的两边分别与夹持板和固定板焊接。通过设置第一肋板，避免轴向加载过程中夹持钢板受力变形。

进一步，所述活动钢板朝顶推机构轴向延伸形成滑块，滑块与导轨滑动连接，滑块与活动钢板之间设有第二肋板，第二肋板的两边分别与活动钢板和滑块焊接。

进一步，顶推机构包括千斤顶和反力架，反力架通过螺栓固定于台座，千斤顶的外筒固定于反力架，千斤顶的顶杆与活动钢板连接。

进一步，所述台座设有四个柱脚，四个柱脚凸出台座顶面形成四个凸台，凸台中空设置，四个凸台两两分布于多个轴向槽垂直轴向的两侧，下钢板的两端沿轴向放置于两个凸台的顶面，上钢板、下钢板和凸台通过螺栓连接。

进一步，所述上钢板的顶面和下钢板的顶面均设有多块加劲板，多块加劲板沿轴向方向分布。通过设置加劲板，防止加载过程中上钢板和下钢板受力变形。

进一步，所述约束滑轮组共有两组，两组约束滑轮组之间的间距可调，通过调节两组约束滑轮组之间的间距，用以调节试件钢板非加载端的转动刚度。

进一步，所述上滑轮组和下滑轮组均包括安装块和多个滑轮，安装块分别焊接至上钢板的底面和下钢板的顶面，安装块沿轴向开设安装槽，多个滑轮位于安装槽内，多个滑轮分别通过转轴安装至安装块。

本发明的另一技术方案为：上述带竖向限位的钢板局部屈曲试验装置的试验方法，通过顶推机构顶推活动钢板沿轴向运动，活动钢板沿轴向运动带动夹持钢板沿轴向运动，用以为试件钢板提供轴向加载力；提供竖向限位组件，滑杆贯穿试件钢板并通过螺母锁固，通过约束该区域的试件钢板向平面外位移，用以阻止试件钢板发生局部屈曲；提供多个螺纹顶杆，为试件钢板的提供单向约束力，通过调节螺纹顶杆上的螺母的松紧改变单向约束力的大小，用以模拟不同单向约束力下试件钢板的局部屈曲情况，通过调节多个螺纹顶杆之间的间距，使多个螺纹顶杆之间的间距由大到小，用以模拟单向刚性约束下试件钢板在加载过程中向无约束方向鼓曲的情形；提供约束滑轮组，通过设置不同数量的约束滑轮组，用以模拟试件钢板非加载边的铰接边界和非加载边的固支边界。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

(1)非加载边约束组件采用至少一组约束滑轮组约束钢板两边，根据改变约束滑轮组的数量来改变试件钢板非加载边的约束程度，一组约束滑轮组可较大程度模拟试件钢板非加载边的铰接边界，两组约束滑轮组可较大程度模拟钢板非加载边的固支边界，通过调节两组约束滑轮组之间的间距，用以调节试件钢板非加载端的转动刚度，用以模拟试件钢板介于铰接边界与固支的边界之间的情况。

(2)轴向加载组件采用夹持钢板夹住试件钢板的加载边，能实现试件钢板两加载边的固支边界的加载条件，轴向加载组件通过导轨约束夹持钢板的位移，能实现夹持钢板只沿轴向进行移动，保证加载的准确性。

(3)提供多个螺纹顶杆，为试件钢板的提供单向约束力，螺纹顶杆能有效模拟混凝土与钢板的作用，通过调节多个螺纹顶杆之间的间距，使多个螺纹顶杆之间的间距由大到小，可模拟单向刚性约束下试件钢板在加载过程向无约束方向鼓曲的情形；并且在装有压力传感器的情况下，螺纹顶杆顶推钢板能够模拟不同单向约束力，模拟混凝土的侧向膨胀，模拟单向受力的钢板局部屈曲情况。

(4)本发明的带竖向限位的钢板局部屈曲试验装置，能够提供轴向和侧向加载以及不同的非加载端约束条件，能够较好地模拟不同加载条件和边界条件下的钢板受力情况，能更好地模拟组合结构中钢板在加载中的局部屈曲过程，为理论研究和应用设计提供可靠的试验结果。

(5)提供竖向限位组件，滑杆贯穿试件钢板并通过螺母锁固，滑杆跟随限位滑块沿滑轨轴向平，固定试件钢板某一区域，使试件钢板的该区域只能沿轴向进行平移，约束该区域的试件钢板平面外位移，阻止试件钢板的该区域发生局部屈曲。

附图说明

图1为本发明的试验装置与试件钢板的装配示意图。

图2为本发明的试验装置的结构示意图。

图3为本发明的试验装置的正视图。

图4为本发明的试验装置的俯视图。

图5为图4沿A-A线的剖视图。

图6为图4沿B-B线的剖视图。

图7为图4沿C-C线的剖视图。

图8为图4沿D-D线的剖视图。

图9为本发明的单向约束组件的结构示意图。

图10为本发明的竖向限位组件的结构示意图。

图11为本发明的实施例2中的两组约束滑轮组的结构示意图。

试件钢板100、台座1、轴向槽2、柱脚3、凸台4、螺纹顶杆5、压力传感器6、螺母7、活动钢板8、导轨9、夹持板10、固定板11、第一肋板12、滑块13、第二肋板14、上钢板15、下钢板16、安装块17、滑轮18、千斤顶19、反力架20、滑杆21、滑轨22、限位滑块23、加劲板24。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供了一种带竖向限位的钢板局部屈曲试验装置，用以研究试件钢板100的局部屈曲性能，包括台座1、轴向加载组件、非加载边约束组件、单向约束组件和竖向限位组件。

如图2和图3所示，台座上沿轴向贯穿设置多个轴向槽2，台架设有四个柱脚3，四个柱脚凸出台架顶面形成四个凸台4，凸台中空设置，四个凸台两两分布于多个轴向槽垂直轴向的两侧。

如图2、图5和图9所示，单向约束组件包括多组螺纹顶杆5，螺纹顶杆的组数与轴向槽的数量相等，且每组螺纹顶杆中包含至少一条螺纹顶杆，每组螺纹顶杆中的所有螺纹顶杆相应插入每个轴向槽，所述螺纹顶杆均套接有压力传感器和螺母6，且压力传感器的下端面抵接台座，压力传感器的上端面抵接螺母，螺纹顶杆的顶端均抵接试件钢板，用以提供单向约束力，压力传感器与外部电子设备电性连接，通过调节螺母与螺纹顶杆之间的松紧，螺母压迫压力传感器为螺纹顶杆施加一个反力，该反力即为螺纹顶杆施加于试件钢板的单向约束力。

如图6和图10所示，竖向限位组件包括滑杆21和滑轨22，滑轨沿轴向安装于台座顶面，滑杆的底部沿轴向设有限位滑块23，限位滑块与滑轨滑动连接，滑杆上设有螺纹，滑杆的顶部贯穿试件钢板，试件钢板通过螺母锁固至滑杆。固定试件钢板某一区域，使试件钢板的该区域只能沿轴向进行平移，约束该区域的试件钢板平面外位移，阻止试件钢板的该区域发生局部屈曲。

如图2、图4和图8所示，轴向加载组件分别设于试件钢板的轴向前后两侧，轴向加载组件包括两块夹持钢板、活动钢板8、导轨9和顶推机构，两块夹持钢板共同夹持试件钢板的轴向一端并通过螺栓固定，夹持钢板的一端与活动钢板连接，导轨沿轴向安装于试验台座顶面，活动钢板与导轨滑动连接，顶推机构安装于试验台座，顶推机构用以顶推活动钢板沿导轨轴向滑动，在本实施例中，夹持钢板呈L型，夹持钢板包括相互垂直连接的夹持板10和固定板11，两块夹持钢板的夹持板共同夹持试件钢板的轴向一端并通过螺栓固定，两块夹持钢板的固定板分别通过螺栓固定至活动钢板，夹持钢板上设有第一肋板12，第一肋板的两边分别与夹持板和固定板焊接，通过设置第一肋板，避免轴向加载过程中夹持钢板受力变形。活动钢板朝顶推机构轴向延伸形成滑块13，滑块与导轨滑动连接，滑块与活动钢板之间设有第二肋板14，第二肋板的两边分别与活动钢板和滑块焊接，通过导轨约束活动钢板的位移，能实现夹持钢板只沿轴向进行移动，保证加载的准确性；顶推机构包括千斤顶19和反力架20，反力架呈L型，反力架通过螺栓固定于台座，千斤顶的外筒固定于反力架，千斤顶的顶杆与活动钢板连接。

如图6和图7所示，非加载边约束组件分别设于试件钢板垂直轴向的左右两侧，非加载边约束组件包括上钢板15、下钢板16和一组约束滑轮组，下钢板的两端沿轴向放置于两个凸台的顶面，上钢板、下钢板和凸台通过螺栓连接，上钢板和下钢板之间的间距可调，下钢板通过螺栓与台架固定，约束滑轮组包括位于上钢板底面的上滑轮组和位于下钢板顶面的下滑轮组，上滑轮组和下滑轮组共同夹持试件钢板垂直轴向的一端。在本实施例中，上滑轮组和下滑轮组均包括安装块17和多个滑轮18，安装块分别焊接至上钢板的底面和下钢板的顶面，安装块沿轴向开设安装槽，多个滑轮位于安装槽内，多个滑轮分别通过转轴安装至安装块。上钢板的顶面和下钢板的顶面均设有多块加劲板，多块加劲板沿轴向方向分布。

上述带竖向限位的钢板局部屈曲试验装置的试验方法，通过顶推机构顶推活动钢板沿轴向运动，活动钢板沿轴向运动带动夹持钢板沿轴向运动，用以为试件钢板提供轴向加载力；提供竖向限位组件，滑杆贯穿试件钢板并通过螺母锁固，通过约束该区域的试件钢板向平面外位移，用以阻止试件钢板发生局部屈曲；提供多个螺纹顶杆，为试件钢板的提供单向约束力，通过外部电子设备查看压力传感器的受力大小，通过调节螺纹顶杆上的螺母的松紧改变单向约束力的大小，用以模拟不同单向约束力下试件钢板的局部屈曲情况，通过调节多个螺纹顶杆之间的间距，使多个螺纹顶杆之间的间距由大到小，用以模拟单向刚性约束下试件钢板在加载过程中向无约束方向鼓曲的情形；通过设置一组约束滑轮组，用以模拟试件钢板非加载边的铰接边界。

实施例2

如图11所示，本实施例与实施例1的区别在于，所述约束滑轮组共有两组，两组约束滑轮组之间的间距可以调节，两组约束滑轮组之间的间距为零时，用以模拟非加载边的固支边界，通过调节两组约束滑轮组之间的间距，用以调节试件钢板非加载端的转动刚度。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (7)

1.一种带竖向限位的钢板局部屈曲试验装置，用以研究试件钢板的局部屈曲性能，其特征在于，包括台座、轴向加载组件、非加载边约束组件、单向约束组件和竖向限位组件；

所述台座上沿轴向贯穿设置多个轴向槽，单向约束组件包括多组螺纹顶杆，螺纹顶杆的组数与轴向槽的数量相等，且每组螺纹顶杆中包含至少一条螺纹顶杆，每组螺纹顶杆中的所有螺纹顶杆相应插入每个轴向槽，所述螺纹顶杆均套接有压力传感器和螺母，且压力传感器的下端面抵接台座，压力传感器的上端面抵接螺母，螺纹顶杆的顶端均抵接试件钢板；

竖向限位组件包括滑杆和滑轨，滑轨沿轴向安装于台座顶面，滑杆的底部沿轴向设有限位滑块，限位滑块与滑轨滑动连接，滑杆上设有螺纹，滑杆的顶部贯穿试件钢板，试件钢板通过螺母锁固至滑杆；

轴向加载组件分别设于试件钢板的轴向前后两侧，轴向加载组件包括两块夹持钢板、活动钢板、导轨和顶推机构，两块夹持钢板共同夹持试件钢板的轴向一端并通过螺栓固定，夹持钢板的一端与活动钢板连接，导轨沿轴向安装于台座顶面，活动钢板与导轨滑动连接，顶推机构安装于台座，顶推机构用以顶推活动钢板沿导轨轴向滑动；

非加载边约束组件分别设于试件钢板垂直轴向的左右两侧，非加载边约束组件包括上钢板、下钢板和至少一约束滑轮组，上钢板和下钢板通过螺栓连接，上钢板和下钢板之间的间距可调，下钢板通过螺栓与试验台座固定，约束滑轮组包括位于上钢板底面的上滑轮组和位于下钢板顶面的下滑轮组，上滑轮组和下滑轮组共同夹持试件钢板垂直轴向的一端；

所述夹持钢板呈L型，夹持钢板包括相互垂直连接的夹持板和固定板，两块夹持钢板的夹持板共同夹持试件钢板的轴向一端并通过螺栓固定，两块夹持钢板的固定板分别通过螺栓固定至活动钢板；

所述活动钢板朝顶推机构轴向延伸形成滑块，滑块与导轨滑动连接，滑块与活动钢板之间设有第二肋板，第二肋板的两边分别与活动钢板和滑块焊接；

所述上滑轮组和下滑轮组均包括安装块和多个滑轮，安装块分别焊接至上钢板的底面和下钢板的顶面，安装块沿轴向开设安装槽，多个滑轮位于安装槽内，多个滑轮分别通过转轴安装至安装块。

2.根据权利要求1所述的带竖向限位的钢板局部屈曲试验装置，其特征在于，所述夹持钢板上设有第一肋板，第一肋板的两边分别与夹持板和固定板焊接。

3.根据权利要求1所述的带竖向限位的钢板局部屈曲试验装置，其特征在于，顶推机构包括千斤顶和反力架，反力架通过螺栓固定于台座，千斤顶的外筒固定于反力架，千斤顶的顶杆与活动钢板连接。

4.根据权利要求1所述的带竖向限位的钢板局部屈曲试验装置，其特征在于，所述台座设有四个柱脚，四个柱脚凸出台座顶面形成四个凸台，凸台中空设置，四个凸台两两分布于多个轴向槽垂直轴向的两侧，下钢板的两端沿轴向放置于两个凸台的顶面，上钢板、下钢板和凸台通过螺栓连接。

5.根据权利要求1所述的带竖向限位的钢板局部屈曲试验装置，其特征在于，所述上钢板的顶面和下钢板的顶面均设有多块加劲板，多块加劲板沿轴向方向分布。

6.根据权利要求1所述的带竖向限位的钢板局部屈曲试验装置，其特征在于，所述约束滑轮组共有两组，两组约束滑轮组之间的间距可调。

7.一种权利要求1-6任一所述的带竖向限位的钢板局部屈曲试验装置的试验方法，其特征在于，通过顶推机构顶推活动钢板沿轴向运动，活动钢板沿轴向运动带动夹持钢板沿轴向运动，用以为试件钢板提供轴向加载力；

提供竖向限位组件，滑杆贯穿试件钢板并通过螺母锁固，通过约束试件钢板向平面外位移，用以阻止试件钢板发生局部屈曲；

提供多个螺纹顶杆，为试件钢板的提供单向约束力，通过调节螺纹顶杆上的螺母的松紧改变单向约束力的大小，用以模拟不同单向约束力下试件钢板的局部屈曲情况，通过调节多个螺纹顶杆之间的间距，使多个螺纹顶杆之间的间距由大到小，用以模拟单向刚性约束下试件钢板在加载过程中向无约束方向鼓曲的情形；

提供约束滑轮组，通过设置不同数量的约束滑轮组，用以模拟试件钢板非加载边的铰接边界和非加载边的固支边界。