CN113916684A - 一种用于钢梁四点弯曲稳定性试验的加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于钢梁四点弯曲稳定性试验的加载装置，包括：试验机单元、加载单元、梁端支撑单元、加载点侧向限位单元和试验钢梁。所述试验机单元是已有设备，包括钢框架、钢平台和作动器，用于加载试验梁和提供平台；所述加载单元是过渡装置，主要包括转接头、加载杆、分配梁及加载铰，上与作动器相连，下与钢梁相接触，用于传递荷载和延长作动器的作用范围；所述梁端支撑单元主要包括底部滑轨、支墩、矩形立柱及限位块和限位杆，为钢梁两端提供简单支撑条件；所述加载点侧向限位单元主要包括侧向限位底部滑轨、铰底座、导向连杆和导向连板，用于防止钢梁在两个加载点处的面外侧翻且不约束钢梁的面内变形，确保试验钢梁的中间段为研究对象。

Description

一种用于钢梁四点弯曲稳定性试验的加载装置

技术领域

本发明属于钢结构技术领域，特别提供一种用于钢梁四点弯曲稳定性试验的加载装置。

背景技术

钢结构作为土木工程领域中最主要的结构形式之一，凭借其高强轻质、组织均匀、韧性好、工业化程度高等诸多优点在我国现代化建设的各个领域都有大量的应用。梁是钢结构体系中最常用的主要承受横向荷载的受弯构件，最常用的钢梁截面形式是工字型，截面高而窄，非常适合用于承担腹板平面受弯的梁。但工字形截面钢梁的稳定性问题突出，一方面，翼缘和腹板的局部稳定性问题导致在设计截面尺寸时会受到限制；另一方面，跨度较长、弯矩较大时容易丧失整体稳定。在实际工程中很多大跨度钢结构工程的破坏往往是由钢梁的局部稳定和整体稳定性问题引起的失稳破坏而非强度破坏。用波纹腹板取代平腹板可以有效的增大腹板和翼缘的局部稳定性，同时避免了传统加固方式焊接加劲肋的弊端。波纹腹板梁在保证了局部稳定性之后，其整体稳定性能显得尤为重要。

国内外学者关于波纹腹板梁的整体稳定性能研究较少且多为理论研究和基于有限元软件的数值研究，试验研究非常匮乏。因此对波纹腹板梁的整体稳定性能开展试验研究十分必要。

现有的波纹腹板梁的性能相关研究表明波纹腹板梁截面上并无弯-剪耦合作用，即波纹腹板梁的剪切和弯曲性能并不相关。故在研究波纹腹板梁的整体稳定性能时可以只考虑弯矩作用。一般的集中力加载的方式会对钢梁产生较大的侧向约束从而影响试验结果，四点弯曲加载方式可提供无侧向支撑的纯弯段，更适于研究无侧向支撑时波纹腹板梁的整体稳定性。

发明内容

针对上述背景技术提出的试验研究的需求，本发明提供一种安全、可靠、灵活、能适用于钢梁四点弯曲整体稳定性试验研究的加载装置。

一种用于钢梁四点弯曲整体稳定性试验的加载装置，该加载装置包括试验机单元、加载单元、梁端支撑单元、加载点侧向限位单元和试验钢梁。其特征在于在实验室已有的试验设备(试验机单元)的基础上，另设计了加载单元、梁端支撑单元和加载点侧向限位单元，对钢梁进行四点弯曲整体稳定性试验。其中：

所述试验机单元包括钢平台、反力柱、反力梁、顶部滑轨、滑动组件和作动器，用于加载试验钢梁和为其他单元的搭建提供支撑平台。工作时加载单元、梁端支撑单元、加载点侧向限位单元和试验钢梁都固定在试验机单元上；其中，顶部滑轨固定在反力梁上，工作时与滑动组件配合，以实现作动器沿反力梁长度方向上的自由滑动以调整加载位置，也可锁定在某个位置；

所述加载单元包括作动器前端转接头、转接耳板、连接销、加载杆、转接对丝、分配梁上转接板、分配梁和加载铰。作动器位移行程有限，与待测钢梁距离较远，采用了加载杆以延长作用点。由于加载杆无法与作动器表面直接相连同时为了使加载杆可以根据实际距离需求灵活更换，在作动器前端设置了转接头，转接头下设置耳板，再通过连接销将转接头和耳板采用间隙配合方式连接。加载杆上端与耳板螺纹连接，下端通过转接对丝和转接板与分配梁相连，转接板与下部分配梁使用螺栓连接。分配梁用于对钢梁实施两点加载，并在分配梁的下表面对应试验钢梁的两个加载位置处各安装一只加载铰；

所述梁端支撑单元包括支座转接底板、支座底部滑轨、支座转接顶板、支墩、矩形立柱、立柱顶部连板及下翼缘限位块和上部限位杆。该梁端支撑单元对称设置于钢梁两端且栓接固定于钢平台上。滑轨安装在转接底板上，转接底板栓接在钢平台上，梁端支座采用滑轨支撑以同时释放钢梁两端的面内水平位移，避免一端固支一端简支情况下钢梁受拉单向伸长导致加载点发生改变从而影响试验结果。支墩栓接在转接顶板上与下部滑轨相连，用于放置钢梁，为钢梁提供竖向支撑。试验钢梁放置在支墩上，支墩两侧各栓接一个矩形立柱，两立柱顶部用连板栓接以增加立柱的整体侧向刚度。限位块放置在钢梁下翼缘两侧且栓接在支墩上，限位杆制成全丝螺纹杆，穿过两根矩形立柱上的螺纹孔以旋进抵紧钢梁上部，通过限位块和限位杆配合，来限制钢梁两端的面外位移。下翼缘限位块开长孔，限位宽度可根据待测钢梁翼缘的宽度调节。上部限位杆和下翼缘限位块与待测钢梁接触的端面做抛光处理，减少工作时与钢梁的摩擦；

所述加载点侧向限位单元包括侧向限位转接底板、侧向限位底部滑轨、侧向限位转接顶板、铰底座、插销、导向上连杆、导向连板和导向下连杆。该加载点侧向限位单元对称设置在钢梁的两个加载截面处，与钢梁的上、下翼缘相连且另一端固定在钢平台上。滑轨安装在转接底板上，转接底板栓接在钢平台上，铰底座栓接在转接顶板上与下部滑轨相连。导向连杆的下端与铰底座之间通过插销间隙配合连接，上端的连接方式与下端相同。导向连板分别居中焊接在加载截面处的上翼缘上表面上和下翼缘的下表面上，两端分别与导向连杆的上端铰底座栓接。由于钢梁上、下翼缘的两侧均设置导向连杆，约束对称，如此可防止钢梁在两个加载位置处的侧翻。加载过程中钢梁发生面内变形时，钢梁下行，由导向连杆牵引推动滑块沿着直线滑轨滑动，面内变形自由。

总体而言，本加载装置发明的有益效果是：

1.本发明所构思的加载装置为钢梁的四点弯曲稳定性试验提供了有效的实施方案；

2.在现有试验设备基础上设置了加载单元，采用加载杆克服了作动器的位移行程的局限性，实现了作动器作用点的延长，且加载杆两端均采用螺纹连接，可以根据实际距离需求灵活更换；

3.加载单元中采用了分配梁对钢梁进行两点加载，加载过程中钢梁发生面内变形后导致上翼缘不再水平，加载接触点可能改变，在分配梁与待测钢梁接触的两点加载位置处设置了加载铰，加载铰内置的弹簧和滚轴将面接触转化为线接触，能够允许它跟随钢梁上翼缘接触面产生小范围的转动而不改变加载接触点；

4.梁端支撑单元底部均采用了滑轨，仅提供竖向支撑的作用，释放了钢梁两端的面内水平位移，以避免一端固支一端简支情况下钢梁受拉单向伸长导致加载点可能发生改变从而影响试验结果；

5.加载点侧向限位单元在钢梁两侧对称布置，采用滑轨和连杆导向，在加载过程中实现防止钢梁在两个加载位置处侧翻的同时并不影响其面内变形；

6.该装置总体上采用螺栓连接，灵活度高，不局限于当前钢梁的测试，能适应不同截面形式、规格的试验梁，可重复利用，节约成本。

附图说明

图1是本发明构建的钢梁四点弯曲稳定性试验的加载装置的整体主视图。

图2是本发明构建的加载装置中的试验机单元(1)示意图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图。

图3是本发明构建的加载装置中的加载单元(2)的示意图及部分元件详图，其中(a)为整体主视图，(b)为作动器前端转接头2-1，(c)为转接耳板2-2，(d)为连接销2-3。

图4是本发明构建的加载装置中的梁端支撑单元(3)的示意图及部分元件详图，其中(a)为整体侧视图，(b)为立柱顶部连板3-6，(c)为限位块3-7。

图5是本发明构建的加载装置中的加载点侧向限位单元(4)的示意图及部分元件详图，其中(a)为是上翼缘侧向限位的组件侧视图，(b)是下翼缘侧向限位的组件侧视图，(c)铰底座4-4，(d)为插销4-5，(e)为导向下连杆4-8，(f)为导向上连杆4-6,(g)为导向连板4-7。

图6是本发明构建的加载装置中的加载点侧向限位单元在工作时的滑动示意图。

图7是本发明构建的加载装置工作时钢梁的受力示意图。

图8是本发明构建的加载装置工作时钢梁的变形示意图，其中(a)为面内变形，(b)为面外变形，(c)为横截面变形。

所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-试验机单元包括：1-1-钢平台，1-2-反力柱，1-3-反力梁，1-4-顶部滑轨，1-5-滑动组件和1-6-作动器；

2-加载单元包括：2-1-作动器前端转接头、2-2-转接耳板、2-3-连接销、2-4-加载杆、2-5-转接对丝、2-6-分配梁上转接板、2-7-分配梁和2-8-加载铰；

3-梁端支撑单元包括：3-1-支座转接底板、3-2-支座底部滑轨、3-3-支座转接顶板、3-4-支墩、3-5-矩形立柱、3-6-立柱顶部连板、3-7-下翼缘限位块和上部限位杆(3-8)；

4-加载点侧向限位单元包括：4-1-侧向限位转接底板、4-2-侧向限位底部滑轨、4-3-侧向限位转接顶板、4-4-铰底座、4-5-插销、4-6-导向上连杆、4-7-导向连板和4-8导向下连杆；

5-试验钢梁。

具体实施方式

为使本发明的应用更加清楚明白，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。但本次具体实施例仅仅用以解释本发明，其实施方式并不局限于此。

如图1所示，本发明实施例提供了一种用于钢梁四点弯曲稳定性试验的加载装置，该加载装置包括试验机单元(附图2)、加载单元(附图3)、梁端支撑单元(附图4)、加载点侧向限位单元(附图5)和试验钢梁；其中：

试验机单元1包括钢平台1-1、反力柱1-2(4根)、反力梁1-3(两根)、顶部滑轨1-4、滑动组件1-5和作动器1-6，详见附图2。钢平台1-1、反力柱1-2、反力梁1-3形成一个钢框架和实验平台，待测钢梁及其辅助装置安装固定在钢平台1-1上。顶部滑轨1-4固定在反力梁1-3上，工作时与滑动组件1-5配合，以实现作动器1-6沿反力梁长度方向上的自由滑动以调整加载位置，也可锁定在某个位置；

加载单元2包括作动器前端转接头2-1、转接耳板2-2、连接销2-3、加载杆2-4、转接对丝2-5、分配梁上转接板2-6、分配梁2-7和加载铰2-8(两只)，详见附图3；

进一步，作动器1-6的位移行程有限，与待测钢梁5的距离较远，采用了加载杆2-4以延长作用点。由于加载杆2-4无法与作动器表面直接相连同时为了使加载杆可以根据实际距离需求灵活更换，在作动器前端设置了转接头2-1，转接头下设置耳板2-2，再通过连接销2-3将转接头2-1和耳板2-2采用间隙配合方式连接，间隙为1mm～2mm；

进一步，耳板2-2的下部制成螺纹杆，加载杆2-4采用中空钢管，两端车螺纹接口。加载杆2-4上端与耳板2-2螺纹连接，下端与转接对丝2-5螺纹连接；

进一步，转接板2-6中心开螺纹通孔，通过转接对丝与上部加载杆2-4螺纹连接，下部与分配梁2-7使用螺栓连接；

进一步，分配梁用于对钢梁实施两点加载，并在分配梁的下表面对应试验钢梁的两个加载位置处各安装一只加载铰2-8。分配梁的下表面设有连续开孔，两只加载铰2-8之间的间距也可根据实际两点加载的长度进行调节；

梁端支撑单元3包括支座转接底板3-1(两块)、支座底部滑轨3-2(4套)、支座转接顶板3-3(两块)、支墩3-4(两个)、矩形立柱3-5(4个)、立柱顶部连板3-6(两块)及下翼缘限位块3-7(两个)和上部限位杆3-8(8根)，详见附图4。该梁端支撑单元对称设置于钢梁两端且栓接固定于钢平台1-1上，见附图1；

进一步，滑轨3-2安装在转接底板3-1上，转接底板3-1栓接在钢平台1-1上。转接底板3-1与钢平台1-1相接的栓孔开设沉头孔，滑轨3-2也通过沉头孔与下部的转接底板3-1和上部的转接顶板3-3栓接；

进一步，支墩3-4的上下左右四个侧面上全都开设螺孔，下表面与梁端转接顶板3-3栓接和下部滑轨3-2相连，左、右表面利用长螺钉各栓接一个矩形立柱3-5；

进一步，矩形立柱3-5下部开长孔便于配合，且两立柱3-5用顶部连板3-6栓接以增加立柱的整体侧向刚度；

进一步，钢梁5两端置于支墩3-4上，限位块3-7放置在钢梁下翼缘两侧且栓接在支墩3-4的上表面上，约束钢梁下翼缘的侧移。限位块3-7开长孔，以满足对不同翼缘宽度的钢梁进行侧向限位；

进一步，限位杆3-8制成全丝螺纹杆，穿过两根矩形立柱3-5上部的螺纹孔，以两侧旋进抵紧的方式限制钢梁上翼缘的侧移，也能应用于不同翼缘宽度的钢梁；

进一步，限位杆3-8和下翼缘限位块3-7与待测钢梁接触的端面做抛光处理，减少工作时与钢梁的摩擦；

为确保钢梁5中间的纯弯梁段为研究对象，在两个加载位置处设置了所述加载点侧向限位单元4，包括侧向限位转接底板4-1(8块)、侧向限位底部滑轨4-2(16套)、侧向限位转接顶板4-3(8块)、铰底座4-4及插销4-5(16套)、导向上连杆4-6(4根)、导向连板4-7(4根)和导向下连杆4-8(4根)，详见附图5。该加载点侧向限位单元4也有两套，左、右对称设置在钢梁5的两个加载截面处，与钢梁的上、下翼缘相连且另一端固定在钢平台上1-1上，见附图1；

进一步，侧向限位转接底板4-1、侧向限位底部滑轨4-2、侧向限位转接顶板4-3的功能，分别与所述梁端支撑单元3中的支座转接底板3-1、支座底部滑轨3-2、支座转接顶板3-3的功能相同，结构也相同，连接方式也相同。滑轨的型号可根据实际承重能力选用；

进一步，铰底座4-4栓接固定在侧向限位转接顶板4-3上，插销4-5与铰底座4-4及导向连杆(4-6或4-8)下端采用间隙配合，间隙为1mm～2mm；

进一步，导向连板4-7分别居中焊接在钢梁加载截面处的上翼缘上表面上和下翼缘的下表面上，两端分别与导向连杆的上端铰底座栓接。由于钢梁上、下翼缘的两侧均设置导向连杆，约束对称，如此可防止钢梁5不在两个加载位置发生侧翻。加载过程中钢梁发生面内变形时，钢梁下行，由导向连杆牵引推动滑块沿着直线滑轨滑动(如附图6所示箭头方向)，面内变形自由；

如此，钢梁5在附图7所示的受力情况下，通过如附图6所示的装置对钢梁的两端进行简单支撑，同时对两个加载截面的侧向偏转进行限制，发生如附图8所示的面内、面外和横截面变形；

本发明以当前钢梁5的尺寸设计，但灵活度高，并不局限适用于当前钢梁5的尺寸。以上仅为本发明的较佳实施例，本领域的技术人员容易理解，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于钢梁四点弯曲稳定性试验的加载装置，其特征在于：该加载装置包括试验机单元(1)、加载单元(2)、梁端支撑单元(3)、加载点侧向限位单元(4)和试验钢梁(5)；其中：

所述试验机单元(1)包括钢平台(1-1)、反力柱(1-2)、反力梁(1-3)、顶部滑轨(1-4)、滑动组件(1-5)和作动器(1-6)；试验机单元是实验室已有设备，用于加载试验梁和支撑加载装置；工作时加载单元(2)、梁端支撑单元(3)、加载点侧向限位单元(4)和试验钢梁(5)都搭建在钢平台上(1-1)；顶部滑轨(1-4)固定在反力梁(1-3)上与滑动组件(1-5)配合，可使作动器(1-6)沿反力梁长度方向上滑动以调整加载位置；

所述加载单元(2)包括作动器前端转接头(2-1)、转接耳板(2-2)、连接销(2-3)、加载杆(2-4)、转接对丝(2-5)、分配梁上转接板(2-6)、分配梁(2-7)和加载铰(2-8)；该加载单元通过作动器前端转接头(2-1)与上部作动器(1-6)相连，转接头(2-1)与耳板(2-2)通过连接销(2-3)采用间隙配合连接，加载杆(2-4)与上部耳板(2-2)通过螺纹连接，下部通过转接对丝(2-5)与分配梁上转接板(2-6)连接，转接板(2-6)与下部分配梁(2-7)使用螺栓连接，分配梁(2-7)的下表面在对应试验钢梁(5)两个加载位置处各安装一只加载铰(2-8)；

所述梁端支撑单元(3)包括支座转接底板(3-1)、支座底部滑轨(3-2)、支座转接顶板(3-3)、支墩(3-4)、矩形立柱(3-5)、立柱顶部连板(3-6)以及对钢梁(5)进行侧向支撑的下翼缘限位块(3-7)和上部限位杆(3-8)；该梁端支撑单元对称设置于试验钢梁(5)两端且栓接固定在钢平台(1-1)上，滑轨(3-2)安装在转接底板(3-1)上，转接底板(3-1)栓接固定在钢平台上，支墩(3-4)固定在转接顶板(3-3)上与下部滑轨相连，试验钢梁(5)放置在支墩(3-4)上，矩形立柱(3-5)栓接在支墩两侧再用顶部连板(3-6)连接，限位块(3-7)置在钢梁(5)下翼缘两侧且栓接在支墩(3-4)上，限位杆(3-8)穿过两根矩形立柱(3-5)上的螺纹孔以抵紧钢梁(5)上部；

所述加载点侧向限位单元(4)包括侧向限位转接底板(4-1)、侧向限位底部滑轨(4-2)、侧向限位转接顶板(4-3)、铰底座(4-4)、插销(4-5)、导向上连杆(4-6)、导向连板(4-7)和导向下连杆(4-8)；该加载点侧向限位单元(4)设置在钢梁(5)的两个加载截面处，与钢梁(5)的上、下翼缘相连且固定于反力架单元中的钢平台(1)上；滑轨(4-2)安装在转接底板(4-1)上，转接底板(4-1)栓接固定于钢平台上，铰底座(4-4)固定在转接顶板(4-3)上与下部滑轨相连，导向连杆(4-6或4-8)的下端与铰底座(4-4)通过插销(4-5)采用间隙配合连接，导向连杆(4-6或4-8)的上端同此连接方式，导向连板(4-7)居中焊接在加载截面处的上翼缘上表面和下翼缘的下表面，两端分别与导向连杆(4-6或4-8)的上端铰底座(4-4)栓接。

2.如权利要求1所述的用于钢梁四点弯曲稳定性试验的加载装置中的加载单元(2)，其特征在于：作动器前端转接头(2-1)、转接耳板(2-2)之间的连接方式采用连接销(2-3)间隙配合，间隙为1mm～2mm；加载杆(2-4)两端车螺纹接口，与上、下部元件螺纹连接；分配梁(2-7)的下表面在对应试验钢梁(5)两个加载位置处各安装一只加载铰(2-8)进行加载。

3.如权利要求1所述的用于钢梁四点弯曲稳定性试验的加载装置中的梁端支撑单元(3)，其特征在于：底部采用直线滑轨(3-2)以释放钢梁两端的轴向位移；矩形立柱(3-5)栓接在支墩两侧再用顶部连板(3-6)连接，以增大整体侧向刚度；限位块(3-7)置在钢梁(5)下翼缘两侧且栓接在支墩(3-4)上，限位杆(3-8)采用全丝螺纹杆穿过两根矩形立柱(3-5)上的螺纹孔旋进抵紧，共同约束钢梁(5)端部的面外位移。

4.如权利要求1所述的用于钢梁四点弯曲稳定性试验的加载装置中的加载点侧向限位单元(4)，其特征在于：钢梁上、下翼缘的两侧均设置导向装置，约束对称，以此限制钢梁的侧翻；底部安装滑轨导向，面内变形自由；铰底座(4-4)和导向连杆(4-6或4-8)间的连接方式采用插销(4-5)间隙配合，间隙为1mm～2mm。

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