CN112924145A - 一种基于定向滑动支座的连续性倒塌动力试验装置 - Google Patents
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Abstract
一种抗连续性倒塌动力试验装置，包括水平反力架(1)、垂向反力架(2)、定向滑动支座(3)及加载部(4)；所述水平反力架(1)与试验室地基梁固定；所述水平反力架(1)固定所述定向滑动支座(3)的位置；所述垂向反力架(2)与试验室地基梁固定；所述垂向反力架(2)固定所述加载部(4)；滑动支座(3)中设有制动钢板用于降低动力试验对地面的冲击作用。本发明通过引入滑动支座，利用结构的对称性原理，可将对称结构或试件取半结构进行试验，达到减少试验耗材、降低试验费用的目的。本发明通过采取在滑动支座底部插入制动钢板以及在配重箱底部设置减振弹簧相结合的方式，可将动力试验的破坏性大幅减小。
Description
技术领域
本发明属于建筑结构防灾减灾领域，涉及可用于结构工程中的各种动力试验的一种基于定向滑动支座的连续倒塌动力试验装置。
背景技术
随着社会的发展，人们越来越关注结构的安全性和鲁棒性并对其提出了更高的要求。连续性倒塌是指：结构在正常使用条件下，由于偶然事件导致结构发生局部破坏，这种破坏在构件间逐渐蔓延，最终导致结构大面积坍塌或整体倒塌。因结构的连续性倒塌往往伴随着严重的人员伤亡及财产损失，由此针对结构的抗连续性倒塌性能设计受到了广泛的关注和重视。近年来，国内外学者对结构的抗连续性倒塌性能开展了大量的研究工作，并提出了诸多提升结构抗连续性倒塌性能的设计方法，每一种新方法的提出均需要进行试验。
目前，国内外研究者均通过以梁柱子结构为研究对象开展结构的抗连续性倒塌试验研究。即便如此，由于试验场地或试验经费有限等原因，使得绝大部分试验均只能进行小比例的缩尺试验研究，但由于尺寸效应的存在，小比例尺的试验结果对于工程实际的价值就显得不是那么直接或准确。因此，为使得试验研究可以更好地应用于工程实际，进行足尺试验是重要且必须的。这时，充分利用结构的对称性原理——取半结构是最直接、最合理的方法，这不仅可以大幅减少试验耗材，降低试验费用，而且还使得在试验室开展足尺或大比例缩尺试验研究成为可能。这不论是对试验研究还是对工程应用均有重要价值。
此外，由于动力试验可能会对试验场地造成不可预估的破坏，因此目前对于结构抗连续性倒塌的大部分试验研究均为普通的静力试验。众所周知，这只能反映静力状态下结构的反应，并不能反映实际结构在发生连续性倒塌过程中的动力响应。由于在结构的连续性倒塌动力试验中，试件的加速度远远超过试验室普通的千斤顶所能提供的加载速度，因此要想获取结构的动力响应，研究者不能再简单地进行静力试验，而应该开展相应的动力试验研究。
因此，提出一种新的连续性倒塌动力试验装置是重要且意义明确的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实用性强且可有效降低试验成本的动力试验装置，用以解决试验费用高昂、试验场地不足以及动力试验因其对试验场地损害大而推广受限的问题。该装置可有效结合室内外场地条件灵活安装，以适应各种试验需求，具有适用性广的特点。
为实现上述目的，本发明的解决方案是：
提供一种基于定向滑动支座的连续性倒塌动力试验装置，包括水平反力架、垂向反力架、定向滑动支座及加载部四个部分。所述水平反力架用于固定所述滑动支座；所述垂向反力架用于悬吊加载部；所述定向滑动支座包括上部滑动连接件和底部滑槽，所述滑动连接件由轴承与工字钢(上、下翼缘板等厚不等宽)通过骑马板与螺栓紧固；所述加载部包括可释放吊钩、配重箱及连接二者的中间连接件。本发明通过引入定向滑动支座，使得取半结构开展试验研究成为可能，以解决试验费用高昂、试验场地不足的问题，即使得全面开展足尺试验研究成为可能；通过引入两种降低动力试验对地面冲击作用的方法——在滑动支座底部插入制动钢板以及在配重箱底部设置减振弹簧相结合的方式，使得在室内外开展动力试验研究成为可能，以解决动力试验因其对地面损害大而推广受限的问题。
进一步而言，一种抗连续性倒塌动力试验装置，包括水平反力架、垂向反力架、定向滑动支座及加载部；
所述水平反力架与试验室地基梁固定；所述水平反力架固定所述定向滑动支座的位置；
所述垂向反力架与试验室地基梁固定；所述垂向反力架固定所述加载部；
所述滑动支座中设有制动钢板用于降低动力试验对地面的冲击作用。
所述加载部中设有减振弹簧用于降低动力试验对地面的冲击作用。
可选地，所述水平反力架通过若干锚地螺栓与试验室地基梁固定；所述水平反力架通过若干带帽螺栓和卡扣固定所述定向滑动支座的位置。
可选地，所述垂向反力架通过若干锚地螺栓与试验室地基梁固定；所述垂向反力架通过若干螺栓固定所述加载部。
可选地，所述定向滑动支座包括上部滑动连接件和底部滑槽；所述滑动连接件由轴承与工字钢通过骑马板与带帽螺栓紧固；所述工字钢的上翼缘板和下翼缘板等厚但不等宽，等厚便于加工，且受力最为理想，不等宽设计旨在便于试件安装且减小底部滑槽宽度，以减少底部滑槽钢材用量，但上翼缘与下翼缘宽度比不宜大于2；所述上翼缘板和下翼缘板通过等厚的腹板全熔焊连接，为保证上翼缘板和下翼缘板不至因受力过大而变形，在所述腹板长度方向中间位置处焊接相对于腹板厚度稍小或相等的两块加劲钢板，加劲钢板与腹板厚度之比不宜小于0.6；所述焊接加劲钢板与腹板垂直；可根据试验需求在所述定向滑动支座的适当位置从侧面插入制动板，用以制动即将冲击地面的配重箱，减少配重箱接触地面时对地面的冲击作用。所述底部滑槽主要由7块钢板焊接而成，包括底板一块，顶板两块，布置于顶板和底板之间的垂向钢板左右两块，垂向钢板左右各布置两块旨在增加定向滑动支座的承载能力，降低顶板在轴承作用下的变形；为减小底部滑槽顶板的变形，可根据需要在顶板适当位置布置加劲板。
可选地，所述加载部包括可释放吊钩、配重箱及连接吊钩和配重箱的中间连接件；所述可释放吊钩通过T形耳板与所述千斤顶相连接，所述可释放吊钩包括一个插销和一个卸扣；所述卸扣与配重箱通过中间连接件连接，所述中间连接件包括带帽丝杆、带孔圆板及四条吊索；所述配重箱包括箱体、底部钢板及焊接在二者之间的缓冲弹簧。
优选地，所述水平反力架应置于水平面，且其竖直面应保证与水平面垂直，所述竖直面上应分布足够数量的螺栓孔。
优选地，所述垂向反力架采用工字型或H型钢，不宜用丝杆，以保证足够的悬吊能力，不至在悬吊配重箱时发生倾斜甚至失稳。所述垂向反力架顶部的钢横梁宜采用工字型钢，且在其跨中位置处上下翼缘预留螺栓孔，以便固定千斤顶的位置。
优选地，所述底部滑槽的制作应根据试验需求选择相应厚度的钢板，但板厚不宜小于20mm，以确保试验过程中滑槽变形不至过大。
优选地，所述缓冲弹簧用于配合所述的制动板使用，以更进一步降低配重箱落地时对地面的破坏作用。
优选地，所述螺栓为高强螺栓，宜采用10.9级。
优选地，从侧面拉脱卸扣中的插销即实现瞬脱钩释放，此时配重箱的荷载全部由原作用于千斤顶转移到试件顶部。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果包括：
1)减少试验耗材、降低试验成本。本发明中提出的定向滑动支座，依据用于抗连续性倒塌研究的试件左右对称、中柱集中受荷的特点，选取半结构开展试验研究，合理地减少了试件制作的耗材量，有效地降低了试验成本。此外，定向滑动支座的引入使得在有限场地内开展足尺试验研究成为可能；
2)有效减小动力试验对试验场地的冲击破坏作用。本发明通过引入两种降低动力试验对地面冲击作用的方法——①在滑动支座底部插入制动钢板，在配重箱即将接触地面时使得滑槽内的滑动连接件紧急制动，从而避免配重箱直接冲击地面；②在配重箱底部设置减振弹簧，配合制动板使用，以防止试件断裂的情形而导致配重箱直接冲击地面。以上两种方法的结合使得在室内、外开展动力试验研究成为可能，有效解决了动力试验因其对场地损害大而推广受限的问题。
3)装置实用性强：构造简单，制造、安装及拆卸方便。本发明中所述的水平反力架和垂向反力架在大部分结构试验室中均属既有，需要加工的只有定向滑动支座及加载部。定向滑动支座的构造较为简单，选择一般的钢构件加工坊即可进行加工，且制作成本低廉；此外，只需合理设计该滑动支座的尺寸，即可满足多个不同试验的需求。该装置中的大部分连接均采用螺栓连接，便于安装与拆卸。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明的定向滑动支座结构示意图。
图3为对应图1(或图2)中定向滑动支座局部放大的三维示意图。
图4为本发明的加载部放大示意图(安装试件前)。
图5为本发明的加载部放大示意图(安装试件后)。
图6为本发明实施例2的结构示意图。
其中：1—水平反力架，2—垂向反力架，3—定向滑动支座，4—加载部，5—锚地螺栓，6—带帽螺栓，7—卡扣，8—滑动连接件，9—滑槽，10—轴承，11—工字钢，12—骑马板，13—制动板，14—千斤顶，15—可释放吊钩，16—配重箱，17—中间连接件，18—T形耳板，19—插销，20—卸扣，21—带帽丝杆，22—带孔圆板，23—吊索，24—箱体，25—底部钢板，26—缓冲弹簧。
具体实施方式
以下结合附图所示的实施例对本发明进一步加以说明。
实施例1：
请参阅图1，一种基于定向滑动支座的连续性倒塌动力试验装置，进行的试验为梁柱子结构试验。本发明装置包括：水平反力架1、垂向反力架2、定向滑动支座3及加载部4四个部分。
本实施例中，所述水平反力架1通过若干锚地螺栓5与试验室地基梁固定；所述水平反力架1通过若干带帽螺栓6和卡扣7固定所述定向滑动支座3的位置。
本实施例中，所述垂向反力架2通过若干锚地螺栓5与试验室地基梁固定；所述垂向反力架2通过若干螺栓固定所述加载部4。
本实施例中，如图2所示，所述定向滑动支座3包括上部滑动连接件8和底部滑槽9；所述滑动连接件8由轴承10与工字钢11通过骑马板12与带帽螺栓6紧固；请参阅图3，所述工字钢11的上翼缘板和下翼缘板等厚但不等宽，上下翼缘宽度比为1.5，所述上翼缘板和下翼缘板通过等厚的腹板全熔焊连接，为保证上翼缘板和下翼缘板不至因受力过大而变形，在所述腹板长度方向中间位置处焊接与腹板厚度相等的两块加劲钢板，所述焊接加劲钢板与腹板垂直；可根据试验需求在所述定向滑动支座3的适当位置从侧面插入制动板13(参见图3)，用以制动即将冲击地面的配重箱，减少配重箱接触地面时对地面的冲击作用。所述底部滑槽9主要由7块钢板焊接而成(参见图3)，包括底板一块，顶板两块，布置于顶板和底板之间的垂向钢板左右两块，垂向钢板左右各布置两块旨在增加定向滑动支座的承载能力，降低顶板在轴承作用下的变形；为减小底部滑槽9顶板的变形，在顶板布置20mm厚、30mm高的加劲肋；组成所述底部滑槽9两侧的钢板间隔200mm开孔，孔宽40mm、高20mm，以便制动钢板可在相应位置从侧面插入。
本实施例中，为满足多次试验的需求，所述底部滑槽9的制作选择厚度为20mm的钢板，以确保试验过程中滑槽变形不至过大。
本实施例中(参见图4和图5)，所述加载部4包括千斤顶14、可释放吊钩15、配重箱16及连接吊钩和配重箱的中间连接件17；所述可释放吊钩通过T形耳板18与所述千斤顶14相连接，所述可释放吊钩包括一个插销19和一个卸扣20；所述卸扣20与配重箱16通过中间连接件17连接，所述中间连接件17包括带帽螺杆21、带孔圆板22及四条吊索23；所述配重箱包括箱体24、底部钢板25及焊接在二者之间的缓冲弹簧26；所述缓冲弹簧26用于配合所述的制动板13使用，以更进一步降低配重箱落地时对场地的破坏作用。
具体地，可按如下顺序进行加工和施工：
1)依据试件尺寸，先将水平反力架1通过地锚螺栓5进行位置固定；
2)依据试件安装设计高度，将定向滑动支座3通过带帽螺栓6固定在水平反力架1的相应高度位置处；
3)然后将垂向反力架2通过地锚螺栓固定在设计位置；
4)完成以上步骤后，吊装试件至指定位置，先进行试件与定向滑动支座一侧的连接，然后再将另一侧固定在另一侧的水平反力架上；至此，完成试件的定位安装。
5)接下来进行加载部4的安装：千斤顶14安装在垂向反力架2顶部钢横梁下部，将T形耳板18通过螺栓与千斤顶14进行连接；将配重箱16与卸扣20之间的中间连接件穿入试件预留孔，利用卸扣20将中间连接件17与T形耳板18连接；然后将配重箱16通过螺栓与中间连接件17固定；至此，试件和加载部4安装完成，即可进行试验。
6)试验时，将卸扣20中的插销19从侧面拉脱即可完成加载过程。
图6所示为本发明另一种实施例，一种基于定向滑动支座的连续性倒塌动力试验装置，进行的试验为带翼缘梁-柱子结构倒塌试验。具体加工与施工步骤与实施例1类似：首先依据试验对场地的需求，将水平反力架1通过地锚螺栓5完成位置固定；其次，依据试件安装设计高度将定向滑动支座3通过带帽螺栓6固定在水平反力架1的相应高度位置处；然后将垂向反力架2通过地锚螺栓固定在设计位置；完成以上步骤后，吊装试件至指定位置，先进行试件与定向滑动支座一侧的连接，然后再将另一侧固定在另一侧的水平反力架上；至此，完成试件的定位安装。接下来进行加载部4的安装(参见图4)：千斤顶14安装在垂向反力架2顶部钢横梁下部，将T形耳板18通过螺栓与千斤顶14进行连接；将配重箱16与卸扣20之间的中间连接件穿入试件预留孔，利用卸扣20将中间连接件17与T形耳板18连接；然后将配重箱16通过螺栓与中间连接件17固定；至此，试件和加载部4安装完成，即可进行试验。试验时，将卸扣20中的插销19从侧面拉脱即可完成加载过程。
完成上述实施过程后，体现出本发明的以下特点：
1)本发明依据用于抗连续性倒塌研究的试件左右对称、中柱集中受荷的特点，选取半结构开展试验研究，合理地减少了试件制作的耗材量，有效地降低了试验成本，从而具有良好的经济性指标；
2)本发明通过引入定向滑动支座，使得全面开展足尺试验成为可能，对工程实际具有重要意义，此外本发明中定向滑动支座的构造简单，便于加工、组装和拆卸，且可重复使用；
3)本发明可在室内外开展动力试验研究，合理的构造措施可以避免配重箱直接冲击地面，有效降低动力试验的破坏性。
上述对实施例的描述是方便该技术领域的普通技术人员理解和应用本发明。熟悉本领域的技术人员可以对这些实施例做出适当调整，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于在此描述的实施例。本领域的技术人员根据本发明的揭示，不脱离发明范畴所作出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种抗连续性倒塌动力试验装置，其特征在于：包括水平反力架(1)、垂向反力架(2)、定向滑动支座(3)及加载部(4)；
所述水平反力架(1)与试验室地基梁固定；所述水平反力架(1)固定所述定向滑动支座(3)的位置；
所述垂向反力架(2)与试验室地基梁固定；所述垂向反力架(2)固定所述加载部(4)；
滑动支座(3)中设有制动钢板用于降低动力试验对地面的冲击作用。
2.根据权利要求1所述的抗连续性倒塌动力试验装置，其特征在于：加载部(4)中设有减振弹簧用于降低动力试验对地面的冲击作用。
3.根据权利要求1所述的抗连续性倒塌动力试验装置，其特征在于：水平反力架(1)通过若干锚地螺栓(5)与试验室地基梁固定；所述水平反力架(1)通过若干带帽螺栓(6)和卡扣(7)固定所述定向滑动支座(3)的位置。
4.根据权利要求1所述的抗连续性倒塌动力试验装置，其特征在于：垂向反力架(2)通过若干锚地螺栓(5)与试验室地基梁固定；所述垂向反力架(2)通过若干螺栓固定所述加载部(4)。
5.根据权利要求1所述的抗连续性倒塌动力试验装置，其特征在于：定向滑动支座(3)包括上部滑动连接件(8)和底部滑槽(9)；滑动连接件(8)由轴承(10)与工字钢(11)通过骑马板(12)与带帽螺栓(6)紧固。
6.根据权利要求1所述的抗连续性倒塌动力试验装置，其特征在于：工字钢(11)的上翼缘板和下翼缘板等厚但不等宽，所述上翼缘板和下翼缘板通过等厚的腹板全熔焊连接。
7.根据权利要求6所述的抗连续性倒塌动力试验装置，其特征在于：
所述上翼缘板与下翼缘板宽度比在2以内。
8.根据权利要求1所述的抗连续性倒塌动力试验装置，其特征在于：在所述腹板长度方向中间位置处焊接厚度稍小或相等的两块加劲钢板，所述焊接加劲钢板与腹板垂直；可根据试验需求在所述定向滑动支座(3)的适当位置从侧面插入制动钢板(13)，用以制动滑槽(9)内滑动的滑动连接件(8)，从而实现制动即将冲击地面的配重箱、减少配重箱接触地面时对地面的冲击作用。
9.根据权利要求8所述的抗连续性倒塌动力试验装置，其特征在于：所述加劲钢板与腹板厚度之比在0.6以内。
10.根据权利要求5所述的抗连续性倒塌动力试验装置，其特征在于：底部滑槽(9)由钢板焊接而成，在顶板适当位置布置加劲肋以减小底部滑槽(9)顶板的变形。
11.根据权利要求1所述的抗连续性倒塌动力试验装置，其特征在于：垂向反力架(2)采用工字型或H型钢；其顶部的横梁采用工字型钢，且在其跨中位置处上下翼缘预留螺栓孔，以便固定千斤顶的位置。
12.根据权利要求5所述的抗连续性倒塌动力试验装置，其特征在于：制作底部滑槽(9)的钢板为20mm以上以控制试验过程中滑槽变形。
13.根据权利要求1所述的抗连续性倒塌动力试验装置，其特征在于：加载部(4)包括千斤顶(14)、可释放吊钩(15)、配重箱(16)及连接可释放吊钩(15)和配重箱(16)的中间连接件(17)；千斤顶(14)通过若干丝杆与垂向反力架(2)顶部的钢横梁固定；可释放吊钩(15)通过耳板(18)与千斤顶(14)连接。
14.根据权利要求13所述的抗连续性倒塌动力试验装置，其特征在于：可释放吊钩(15)包括一个插销(19)和一个卸扣(20)；从侧面拉脱卸扣(20)中的插销(19)即实现瞬脱钩释放，此时配重箱的荷载全部由原作用于千斤顶转移到试件顶部。
15.根据权利要求14所述的抗连续性倒塌动力试验装置，其特征在于：卸扣(20)与配重箱(16)通过中间连接件(17)连接，所述中间连接件(17)包括带帽丝杆(21)、带孔圆板(22)及四条吊索(23)；配重箱(16)包括箱体(24)、底部钢板(25)及焊接在二者之间的缓冲弹簧(26)；缓冲弹簧(26)用于减小配重箱(16)落地时对地面的破坏作用。
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