CN115248112A - 一种框架梁支座受弯性能试验构造、装置及方法 - Google Patents

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郑振光
梁晓敏
陈鑫凯
季静
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Abstract

本发明涉及一种框架梁支座受弯性能试验构造、装置和方法，其试验构造为将试验框架梁于跨中断开，并通过作为轴向约束转置的跨中链杆进行连接，跨中链杆由连接件、锚固件和铰接装置组成，锚固件一端预埋锚固于试验框架梁内，一端开孔与连接件铰接，连接件和锚固件的铰接连接通过铰接装置实现；试验装置为采用了上述试验构造的三层x跨×y跨钢筋混凝土框架结构；试验方法为通过抵接于反力层梁和试验框架梁的加载装置对试验框架梁进行加载。本发明可以解决在考虑轴向约束的情况下，整体框架结构中的框架梁受弯性能试验加载时其支座内力无法实时监测的问题。

Description

一种框架梁支座受弯性能试验构造、装置及方法
技术领域
本发明涉及建筑结构试验技术领域，更具体地，涉及一种框架梁支座受弯性能试验构造、装置及方法。
背景技术
钢筋混凝土框架梁在受弯开裂后由于中性轴偏移将产生轴向伸长，但其伸长受到竖向构件和相邻梁板组成的结构空间约束体系的约束，从而在框架梁内产生约束轴力，提高框架梁截面的受弯承载力。
现行各国混凝土结构设计方法均建立在构件试验基础上，没有充分考虑构件的实际边界条件和结构的复杂空间约束作用对梁破坏形态、承载能力、变形能力等力学性能的影响。现有研究多通过构件试验或节点试验研究框架梁的力学性能，未考虑楼盖与竖向构件共同形成的结构空间约束效应的影响。现有的整体结构试验主要聚焦于现浇楼盖对结构力学性能的宏观影响，未实现对框架梁跨中及支座内力的实时监测，无法深入构件层次研究空间约束效应对框架梁力学性能的影响。
规范方法对框架梁受弯承载力的低估不仅在一定程度上造成了钢材的浪费，还导致“强柱弱梁”的抗震设计概念无法实现。钢筋混凝土(RC)框架结构是我国房屋建筑中最普遍的结构形式，占总建设量50％以上，量大而面广，如何准确计算框架梁的受弯承载力是目前结构设计计算方向急需解决的关键科学问题之一。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种框架梁支座受弯性能试验构造、装置及方法，用于在考虑结构轴向约束的情况下获得框架梁的支座受弯力学性能。
本发明采取的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种框架梁支座受弯性能试验构造，包括从中间断开的试验框架梁，还包括作为轴向约束装置的跨中链杆，所述跨中链杆位于所述试验框架梁的断开间隙处，所述试验框架梁上设有两个关于跨中对称的加载点，所述加载点的受力方向为竖直向下。所述跨中链杆包括连接件、两个锚固件和铰接装置；所述连接件的两端分别通过所述铰接装置与所述两个锚固件铰接，所述两个锚固件的一端预埋锚固于所述试验框架梁内，另一端分别与所述连接件的两端铰接；所述铰接的转动面与试验构造的力作用面平行。
当试验框架梁支座受弯发生轴向伸长时，跨中断开处的两端截面有相互靠近的趋势，但由于跨中链杆的存在，两端截面不能发生水平方向上的相对移动，但允许两端截面发生垂直方向上的相对移动和相对转动。作为轴向约束装置的跨中链杆仅能传递轴力，而不能传递弯矩和剪力，从而将超静定的框架梁构件降维为带轴向约束的悬臂梁，由此可根据内力平衡公式，由加载荷载计算得到同时刻的框架梁支座弯矩。
进一步地，所述锚固件包括拼接部件和两个开孔部件，所述两个开孔部件与所述连接件的两端铰接，所述两个开孔部件之间通过所述拼接部件连接。拼接部件可扩大锚固件与试验框架梁之间的传力面积，减少试验框架梁的局部混凝土压碎而导致锚固件与试验框架梁之间相互错动而产生的试验误差。
优选地，所述拼接部件为若干个横肋，所述若干个横肋之间有一定净距，保证试验框架在梁浇筑时，两个开孔部件之间的空间混凝土能填充密实。
进一步地，所述连接件的两端分别设有与所述开孔部件相适配的连接孔，所述铰接装置包括螺栓和螺母，所述螺栓插入所述开孔部件和所述连接孔与螺母相配。螺栓和螺母相配合可实现连接件和锚固件的铰接，从而使跨中链杆仅能传递轴力，而不能传递弯矩和剪力。
第二方面，本发明提供一种框架梁支座受弯性能试验装置，所述试验装置为三层的x跨×y跨钢筋混凝土框架结构，x为大于或等于3的整数，y为大于或等于2的整数；第一层为基础层，包括基础层梁；第二层为试验层，包括试验框架梁、试验层板和试验层横梁；第三层为反力层，包括反力层梁；三层框架结构之间通过框架柱连接；所述试验框架梁采用如第一方面所述的框架梁支座受弯性能试验构造，所述试验框架梁还设有两个关于跨中对称的加载点。
所述基础层梁主要用于框架柱的拉结，保证加载过程中框架柱不发生底部偏移，所述反力层梁主要用于在加载时提供反力。基于整体框架结构作为试验装置进行受弯性能试验，能够考虑空间复杂约束作用的影响，得到的梁构件力学性能相比于单独构件得到的试验结果更加真实可靠。
进一步地，还包括传感装置，所述传感装置包括应变片和位移计；所述应变片安装在试验层框架梁纵筋距离所述框架柱的边缘线一定距离的位置，或者试验层板纵筋距离框架柱的边缘线一定距离的位置；所述位移计水平安装在试验框架梁的两端，以及垂直安装在试验框架梁的加载点处。
所述传感装置的作用为在试验过程中获取各力学试验数据；所述试验层框架梁的受力最不利区域为其纵筋靠近框架柱的区域，因此应变片可以安装在试验层框架梁纵筋距离框架柱的边缘线一定距离的位置或者试验层板纵筋距离框架柱的边缘线一定距离的位置，以获取试验层框架梁最不利受力区域的钢筋应变；所述水平安装在试验框架梁两端的位移计可以获取试验框架梁两端的支座侧移；所述垂直安装在试验框架梁的加载点处的位移计可以获得加载点的挠度。
优选地，所述水平安装在试验框架梁两端的位移计在每端各设有两个，安装在同一端的所述两个位移计高度不同。通过试验框架梁同一端两个不同高度的水平向位移计，可以获取与试验框架梁连接的框架柱梁柱节点转角引起的刚体位移，再根据垂直安装在试验框架梁加载点处的位移计所测得的位移减去框架柱的节点转角引起的刚体位移，可得到由于试验框架梁的构件变形所产生的加载点位移，进而得到真实的构件荷载-挠度曲线。
进一步地，还包括加载装置，所述加载装置上端连接反力层梁，下端连接试验框架梁；所述加载装置包括千斤顶、分配梁、固定铰支撑、滑动铰支撑、钢立柱和力传感器；所述力传感器顶部连接反力层梁，底部连接所述千斤顶的上端，所述千斤顶的下端连接所述钢立柱的上端，所述钢立柱的下端连接所述分配梁，所述分配梁的底部两端分别设有固定铰支撑和滑动铰支撑，所述固定铰支撑和滑动铰支撑分别放置在所述试验框架梁的两个加载点上。
第三方面，本发明提供一种框架梁支座受弯性能试验方法，用于在如第二方面所述的一种框架梁支座受弯性能试验装置中进行试验，包括：
通过抵接于反力层梁和试验框架梁的加载装置对试验框架梁进行加载，千斤顶提供加载力，并通过分配梁将力传至跨中两端的加载点，通过力传感器测量加载荷载，利用钢立柱进行装置高度的填充，保证试验框架梁加载的反力能传至反力层梁。
进一步地，可以通过变化加载点的相对位置改变试验框架梁的加载剪跨比，进而探究不同的剪跨比对框架梁支座受弯性能的影响。
进一步地，同跨不同榀的试验框架梁按挠度相同的原则同时加载，以消除相邻梁空间效应对荷载的分担。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过将试验框架梁从跨中断开，用作为轴向约束装置的跨中链杆连接的构造，使得试验框架梁跨中仅能传递轴力，释放跨中弯矩和剪力，将超静定结构的试验框架梁转化为带轴向约束的悬臂梁，从而可根据加载荷载换算得到框架梁支座的弯矩，实现框架梁支座内力的实时监测，从而实现在考虑轴向约束的情况下进行框架梁支座受弯性能试验。
附图说明
图1为本发明实施例1框架梁支座受弯性能试验构造的正视图。
图2为本发明实施例1框架梁支座受弯性能试验构造的俯视图。
图3为本发明实施例1框架梁支座受弯性能试验构造的三维图。
图4为本发明实施例2框架梁支座受弯性能试验装置的正立面图。
图5为本发明实施例2框架梁支座受弯性能试验装置的试验层平面图。
图6为本发明实施例2试验层框架梁纵筋的应变片设置示意图。
图7为本发明实施例2试验层板纵筋的应变片设置示意图。
图8为本发明实施例2加载装置示意图。
标记说明：10-跨中链杆；11-连接件；12-锚固件；13-螺栓；14-螺母；21-试验框架梁；22-试验层板；23-试验层横梁；24-试验框架梁纵筋；25-试验层板纵筋；30-基础层梁；40-反力层梁；50-框架柱；60-应变片；71-千斤顶；72-分配梁；73-固定铰支撑；74-滑动铰支撑；75-钢立柱；76-力传感器；80-位移计。
具体实施方式
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
本实施例提供一种框架梁支座受弯性能的试验构造。试验框架梁于跨中断开，并通过如图1所示的跨中链杆10进行连接。跨中链杆10由连接件11、锚固件12、螺栓13、螺母14组成，连接件11两端分别与两个锚固件12铰接，起到了链杆的作用，锚固件12一端预埋锚固于试验框架梁21内，另一端与连接件11铰接，连接件11和锚固件12的铰接通过铰接装置螺栓13和螺母14实现。
锚固件12由拼接部件和两个开孔部件组成，两个开孔部件与连接件11的两端铰接，两个开孔部件之间通过拼接部件连接成整体。拼接部件可扩大锚固件12与试验框架梁21之间的传力面积，减少试验框架梁21的局部混凝土压碎而导致锚固件12与试验框架梁21之间相互错动而产生的试验误差。本实施例的拼接部件采用6个圆柱形横肋，横肋之间有一定净距，保证试验框架梁21在浇筑时，两个开孔部件之间的混凝土能填充密实。可选地，拼接部件与两个开孔部件之间采用焊接连接。
连接件11在制造时，其两开孔圆心之间的实际距离应略微大于设计距离，保证连接件11在安装后，跨中链杆10在水平方向接触紧密，减少安装间隙所带来的试验误差。两开孔圆心距离的偏大值取圆孔直径的5％～20％，需根据螺栓实际直径和现场施工条件确定。
在确定跨中链杆10各组成部件的具体尺寸时，需根据钢结构设计规范(GB 50017-2003)进行连接件11、锚固件12的承压验算，螺栓13的承压验算和受剪验算。
当试验框架梁21支座受弯发生轴向伸长时，跨中断开处的两端截面有相互靠近的趋势，但由于跨中链杆10的存在，两端截面的链杆连接点不能发生相对水平移动，但会发生相对垂直移动和相对转动。跨中链杆10仅能传递轴力，不传递弯矩和剪力，从而将超静定的框架梁构件降维为带轴向约束的悬臂梁，可根据内力平衡公式，由加载荷载计算得到同时刻的框架梁支座弯矩。
实施例2
本实施例提供一种框架梁支座受弯性能试验装置，是实施例1的框架梁支座受弯性能试验构造的优选运用方案。
图4是本实施例提供的框架梁支座受弯性能试验装置正视图，该试验装置为三层的x跨×y跨钢筋混凝土框架结构，x为大于或等于3的整数，y为大于或等于2的整数，在本实施例中x取值为3，y取值为3。该实验结构包括跨中链杆10、试验框架梁21、试验层板22、试验层横梁23、基础层梁30、反力层梁40和框架柱50。第一层为基础层，包括基础层梁30；第二层为试验层，包括试验框架梁21、试验层板22、试验层横梁23；第三层为反力层，包括反力层梁40。
图5是本实施例提供的试验装置试验层平面图。在本实施例中，试验层X向梁为试验框架梁21，试验Y向梁为试验层横梁23。通过跨中链杆10，将试验框架梁21的跨中弯矩和剪力释放。试验层板22于X向跨中断开，断开处的间隙与试验框架梁21跨中断开处的间隙一致，试验层板22和试验框架梁21的断开间隙共同形成Y向无砼通带。
该试验装置试验框架梁21的截面尺寸和材料强度可以在可靠范围内选取。示例性地，本实施例提供的可靠范围：试验框架梁21宽度b1取100mm～500mm，高度h1取200mm～1000mm，高宽比h1/b1取1.5～4.0，试验层板22厚hs取40mm～200mm，试验层混凝土强度等级取C15～C80。
基础层梁30主要用于框架柱50的拉结，保证加载过程中框架柱50不发生底部偏移。基础层梁30的截面也可以在可靠范围内选取，保证试验框架梁21顺利加载到极限工况的同时基础层梁30不会发生明显的拉伸破坏，保证基础层梁30具有较大的刚度和强度。示例性地，本实施例提供的可靠范围：基础层梁30宽度b2可取200mm～400mm且不小于试验框架梁21的宽度b1，高度h2可取300mm～1200mm且不小于试验框架梁21的高度h1。
反力层梁40主要用于试验框架梁21加载时提供反力，为保证试验框架梁21顺利加载到极限工况的同时反力层梁40不会发生明显的位移和开裂，需保证反力层梁40具有较大的刚度和强度。反力层梁40的截面尺寸根据计算确定，保证反力层梁40的计算承载力达到试验框架梁21计算承载力的3倍以上。示例性地，本实施例的反力层梁40宽度b3可取200mm～600mm且不小于试验框架梁21的宽度b1，高度h3可取300mm～1200mm且不小于试验框架梁21的高度h1的1.5倍，混凝土强度等级不低于试验层。
框架柱50需保证较大的截面和配筋量，保证在加载过程中不发生拉伸和弯曲破坏，且具有足够的安全富裕度，示例性地，本实施例的框架柱50截面可取400mm×400mm。
在试验层中，不同试验框架梁21的配筋率和/或配箍率不同，可实现在同一试验装置中变化不同的配筋率和配箍率，进而得到不同设计参数下框架梁的力学性能。
还设有传感装置，传感装置可以根据试验加载的情况以及所需要的试验数据进行合理设置，本实施例的传感装置具体包括应变片60和位移计80。
试验框架梁21的控制截面位于支座，因此应变片可以设置在试验框架梁纵筋24靠近框架柱50的位置，以获取试验框架梁21最不利受力区域的钢筋应变，图6为一种实施方式下试验框架梁纵筋24的应变片60设置示意图；应变片60还可以设置在试验层板纵筋25与框架柱50边缘线平行的位置，图7为一种实施方式下试验层板纵筋25的应变片60设置示意图。
位移计80水平安装在试验框架梁21的两端，可以获取试验框架梁21两端的支座侧移；位移计80还垂直安装在试验框架梁21的加载点，可以获得加载点的挠度。
在一种优选的方式下，在试验框架梁21的一端所设置的水平安装的位移计80为两个，在试验框架梁21同一端所设置的两个水平向的位移计80高度不同，通过试验框架梁21同一端两个不同高度的水平向的位移计80，可以获取与试验框架梁21连接的框架柱50的梁柱节点转角，再根据试验框架梁加载点的位移计80所测得的位移减去框架柱50的节点转角引起的刚体位移，可得到由于试验框架梁21的构件变形所产生的加载点位移，进而得到真实的构件荷载-挠度曲线。
图8是试验框架梁21的加载装置示意图。加载装置包括千斤顶71、分配梁72、固定铰支撑73、滑动铰支撑74、钢立柱75、力传感器76，整体上接反力层梁40，下接试验框架梁21。力传感器76顶部连接反力层梁40，底部连接千斤顶71的上端，千斤顶71的下端连接钢立柱75的上端，钢立柱75的下端连接分配梁72，分配梁72的底部两端分别设有固定铰支撑73和滑动铰支撑74，固定铰支撑73和滑动铰支撑74分别放置在试验框架梁21的两个关于跨中对称的加载点上。
基于整体框架结构作为试验装置进行受弯性能试验，能够考虑空间复杂约束作用的影响，得到相比单独构件试验结果更加真实可靠的梁构件力学性能。
实施例3
本实施例提供一种框架梁支座受弯性能试验方法，用于在如实施例2的框架梁支座受弯性能试验装置上进行试验。
通过抵接于反力层梁40和试验框架梁21的加载装置70对试验框架梁21进行加载，千斤顶71提供加载力，并通过分配72梁将力传至跨中两端的加载点，通过力传感器76测量加载荷载，利用钢立柱75进行装置高度的填充，保证试验框架梁21加载的反力能传至反力层梁40。
同跨不同榀的y+1根试验框架梁21同时安装试验装置，按挠度相同的原则同时加载，以消除相邻梁空间效应对荷载的分担。在本实施例中，y+1等于4。
本实施例所提供的试验方法还可以包括：通过变化加载点的相对位置改变框架梁构件的剪跨比，进而探究不同的剪跨比对框架梁支座受弯性能的影响。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种框架梁支座受弯性能试验构造，包括纵横交错的若干试验框架梁以及四周和中间的框架柱，其特征在于，一个方向上的若干试验框架梁从中间断开，还包括作为轴向约束装置的跨中链杆，所述跨中链杆位于所述试验框架梁断开的间隙处，所述试验框架梁上设有两个关于跨中对称的加载点，所述加载点的受力方向为竖直向下。
2.根据权利要求1所述的一种框架梁支座受弯性能试验构造，其特征在于，所述跨中链杆包括连接件、两个锚固件和铰接装置；
所述连接件的两端分别通过所述铰接装置与所述两个锚固件铰接，所述两个锚固件的一端预埋锚固于所述试验框架梁内，另一端分别与所述连接件的两端铰接；
所述锚固件包括拼接部件和两个开孔部件，所述两个开孔部件与所述连接件的两端铰接，所述两个开孔部件之间通过所述拼接部件连接；
所述铰接的转动面与试验构造的力作用面平行。
3.根据权利要求2所述的一种框架梁支座受弯性能试验构造，其特征在于，所述拼接部件为若干个横肋，所述若干横肋嵌入所述试验框架梁断开处的端部。
4.根据权利要求1所述的一种框架梁支座受弯性能试验构造，其特征在于，所述两个加载点上分别设有一个固定铰支撑和一个滑动铰支撑，所述固定铰支撑和所述滑动铰支撑上端通过分配梁连接。
5.一种框架梁支座受弯性能试验装置，所述试验装置为三层的x跨×y跨钢筋混凝土框架结构，x为大于或等于3的整数，y为大于或等于2的整数；
第一层为基础层，包括基础层梁；第二层为试验层，包括试验框架梁、试验层板和试验层横梁；第三层为反力层，包括反力层梁；三层框架结构之间通过框架柱连接；
其特征在于，所述试验框架梁采用权利要求1-4任一项所述的框架梁支座受弯性能试验构造。
6.根据权利要求5所述的一种框架梁支座受弯性能试验装置，其特征在于，还包括传感装置，所述传感装置包括应变片和位移计；
所述应变片安装在试验层框架梁纵筋距离所述框架柱的边缘线一定距离的位置，或者试验层板纵筋距离框架柱的边缘线一定距离的位置；所述位移计水平安装在试验框架梁的两端，以及垂直安装在试验框架梁的加载点处。
7.根据权利要求6所述的一种框架梁支座受弯性能试验装置，其特征在于，所述水平安装在试验框架梁两端的位移计在每端各设有两个，安装在同一端的所述两个位移计高度不同。
8.根据权利要求5所述的一种框架梁支座受弯性能试验装置，其特征在于，还包括加载装置，所述加载装置上端连接反力层梁，下端连接试验框架梁。
9.根据权利要求8所述的一种框架梁支座受弯性能试验装置，其特征在于，所述加载装置包括力传感器、千斤顶、钢立柱、分配梁、固定铰支撑和滑动铰支撑；
所述力传感器顶部连接反力层梁，底部连接所述千斤顶的上端，所述千斤顶的下端连接所述钢立柱的上端，所述钢立柱的下端连接所述分配梁，所述分配梁的底部两端分别设有固定铰支撑和滑动铰支撑，所述固定铰支撑和滑动铰支撑分别放置在所述试验框架梁的两个加载点上。
10.一种框架梁支座受弯性能试验方法，用于在如权利要求5-9任一项所述的一种框架梁支座受弯性能试验装置中进行试验，其特征在于，
通过抵接于反力层梁和试验框架梁的加载装置对试验框架梁进行加载，千斤顶提供加载力，并通过分配梁将力传至跨中两端的加载点，通过力传感器测量加载荷载，利用钢立柱进行装置高度的填充；
通过变化加载点的相对位置改变试验框架梁的加载剪跨比；
同跨不同榀的试验框架梁按挠度相同的原则同时加载。
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