CN115493790A - 一种模拟结构构件遭受撞击与滞回耦合作用试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及结构构件多灾害耦合模拟技术领域，具体为一种模拟结构构件遭受撞击与滞回耦合作用试验装置。其目的在于提供一种模拟结构构件遭受撞击与滞回耦合作用试验装置，包括竖向撞击组件、包括MTS作动器的低周往复荷载加载组件、轴向加载组件、约束组件、夹持组件以及其轴向沿水平方向布置的试件；MTS作动器的上端与试件的侧壁固定连接，MTS作动器的下端与横梁的侧壁固定连接；约束组件均包括固定耳座和约束耳座、固定销轴、十字定位板，十字定位板安装于固定销轴的十字定位孔且对应安装于定位槽后实现固定耳座和约束耳座的固定连接。该结构可以真实的模拟构件在撞击及滞回作用下的实际受力情况。

Description

一种模拟结构构件遭受撞击与滞回耦合作用试验装置

技术领域

本发明涉及结构构件多灾害耦合模拟技术领域，具体为一种模拟结构构件遭受撞击与滞回耦合作用试验装置。

背景技术

在实际工程中结构在全寿命服役过程中除承受常规荷载作用外，还可能遭受灾害荷载作用，例如地震、火灾、冲击、爆炸等偶然荷载，而结构构件在极端荷载作用下可能会造成严重破坏，甚至丧失承载力，严重时可引起结构的连续倒塌。

现阶段，对结构构件的研究主要单纯集中于抗震性能或抗撞性能，对同时考虑撞击和地震联合作用下结构构件响应与力学性能的研究较少，尚无二者耦合工况且暂没有可实现多种边界条件的试验装置，因此，有必要研究出一种在撞击与滞回耦合作用下模拟结构构件的试验装置且可实现多种边界调节试验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟结构构件遭受撞击与滞回耦合作用试验装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种模拟结构构件遭受撞击与滞回耦合作用试验装置，包括竖向撞击组件、低周往复荷载加载组件、轴向加载组件、约束组件、夹持组件以及其轴向沿水平方向布置的试件；

竖向撞击组件包括用于竖向撞击试件的落锤；

低周往复荷载组件包括其轴向垂直于试件的轴向布置的MTS作动器、其轴向水平布置且固定于地面的横梁，MTS作动器的上端与试件的侧壁固定连接，MTS作动器的下端与横梁的侧壁固定连接；

夹持组件包括分别位于试件两端且均垂直固定于地面的两个反力墩；

试件的两端均固定有端板且两侧的端板均与约束组件固定连接，每个约束组件均包括固定耳座和约束耳座、固定销轴、十字定位板，固定耳座包括固定板以及垂直固定于固定板的固定连接耳，固定连接耳上开有固定圆孔，约束耳座包括约束板以及垂直固定于约束板的约束连接耳，约束连接耳为U型件，固定连接耳插于约束连接耳的中间槽中，约束连接耳的两侧臂上设有与固定圆孔相对应的约束圆孔，固定销轴穿过约束圆孔与固定圆孔实现固定耳座与约束耳座的铰接，固定销轴的轴向中部开有十字交叉布置且用于放置十字定位板的十字定位孔，固定圆孔与约束圆孔的边缘均开有与十字定位板相适配的定位槽，十字定位板安装于十字定位孔且对应安装于定位槽后实现固定耳座和约束耳座的固定连接，试件一端的约束组件的固定板与其中一个反力墩固定连接，试件一端的约束组件的约束板与试件的一端端板固定连接，试件另一端的约束组件的约束板与试件的另一端端板固定连接，试件另一端的约束组件的固定板通过轴向加载装置抵接于另外一个反力墩。

在安装本试验装置时，根据试验要求，确定构件试验形式，通过约束组件的不同装配结构（铰接边界条件：固定销轴穿过约束圆孔与固定圆孔实现固定耳座与约束耳座的铰接；固支边界条件：十字定位板安装于固定销轴的十字定位孔且对应安装于固定圆孔与约束圆孔边缘的定位槽后实现固定耳座和约束耳座的固定连接）实现铰接与固支边界条件的灵活转换，完成安装后，需要轴向力时，通过轴力加载装置施加水平轴向载荷至制定荷载后保持轴力不变，此时利用MTS作动器施加竖向低周往复荷载，达到指定荷载后释放落锤，落锤撞击试件，完成试验。

进一步地，还包括滑动组件，滑动组件包括上下布置的上压梁与下压梁，上压梁与下压梁之间夹有垫块，下压梁固定于地面，上压梁通过长螺杆与下压梁固定连接，上压梁的上部固定连接有轴力套筒，试件另一端的约束板的靠近另一个反力墩的侧面固定有滑动支座，滑动支座滑动穿套于轴力套筒后抵接于轴向加载装置。该滑动组件的结构可增加该装置的适用性，使得该装置能够适用于滑动边界条件，而不仅仅能实现悬臂边界条件。

进一步地，MTS作动器的上端与试件的侧壁可拆卸固定连接，MTS作动器的两侧分别与其中一个反力墩和滑动组件均通过拉索固定连接，以保证MTS作动器安装时的稳定。该结构方便安装，同时也为了避免落锤冲击时，冲击力对MTS作动器的影响，在MTS作动器加载完成后，将MTS作动器卸载至合适的位置后再进行落锤的冲击。MTS作动器的上端与试件的侧壁通过上夹具实现可拆卸固定连接，上夹具由分别位于试件上下侧的两片钢板以及置于钢板四角的螺杆连接而成，位于试件下侧的钢板与MTS作动器的上端固定连接。MTS作动器的下端与横梁通过下夹具实现可拆卸固定连接，下夹具由位于横梁上下侧的两片钢板以及置于钢板四角的螺杆连接而成，位于横梁上侧的钢板与MTS作动器的下端固定连接，MTS作动器与试件和横梁的连接结构具体化，方便安装于拆卸，同时可根据试验需要灵活改变加载点的位置。

本发明所产生的有益效果如下： 1）可以真实的模拟构件在撞击及滞回作用下的实际受力情况；2）适用性强，可以实现不同约束的灵活转换，更方便准确的模拟现实中不同种类构件的边界条件；3）可根据试验需要灵活改变加载点的位置，以实现不同种类的加载方式。

附图说明

图1为本发明的整体结构的主视图；

图2为图1中一端约束组件与试件和反力墩的连接结构的俯视图；

图3为约束耳座的结构示意图；

图4为固定耳座的结构示意图；

图5为固定销轴的侧视图；

图6为固定销轴的俯视图；

图7为十字定位板的俯视图；

图8为图1中的竖向撞击组件、低周往复荷载加载组件与试件的装配结构的侧视图；

图9为轴向加载组件与滑动组件的装配结构的主视图；

图10为滑动组件的侧视图；

图11为图10中上压梁结构示意图；

图12为图10中下压梁结构示意图；

图13为上压梁结构和下压梁结构的侧视图。

图中：1—反力墩，2—固定板，3—固定连接耳，30—固定圆孔，4—约束板，5—约束连接耳，50—约束圆孔，6—定位槽，7—端板，8—试件，9—滑动支座，10—滑动组件，101—轴力套筒，102—上压梁，103—下压梁，104—垫块，11—轴力传感器，12—碟形弹簧，13—千斤顶，14—枕木，15—横梁，16—上夹具，17—下夹具，18—MTS作动器，19—拉索，20—钢架，21—提升机构，22—锤体，23—锤头，24—冲击力传感器，25—导轨。

具体实施方式

如图1至7所示，一种模拟结构构件遭受撞击与滞回耦合作用试验装置，包括竖向撞击组件、低周往复荷载加载组件、轴向加载组件、约束组件、夹持组件以及其轴向沿水平方向布置的试件8；

竖向撞击组件包括用于竖向撞击试件8的落锤；

低周往复荷载组件包括其轴向垂直于试件8的轴向布置的MTS作动器18、其轴向水平布置且固定于地面的横梁15（具体实施时，横梁15的两端与地面之间可采用枕木14支撑且横梁15的两端采用地脚螺栓与地面锚固完成横梁15与地面的固定或者可采用直接将横梁15通过地脚螺栓与地面锚固），MTS作动器18的上端与试件8的侧壁固定连接，MTS作动器18的下端与横梁15的侧壁固定连接；

夹持组件包括分别位于试件8两端且均垂直固定于地面的两个反力墩1；

试件8的两端均固定有端板7且两侧的端板7均与约束组件固定连接，每个约束组件均包括固定耳座和约束耳座、固定销轴、十字定位板，固定耳座包括固定板2以及垂直固定于固定板2的固定连接耳3，固定连接耳3上开有固定圆孔30，约束耳座包括约束板4以及垂直固定于约束板4的约束连接耳5，约束连接耳5为U型件，固定连接耳3插于约束连接耳5的中间槽中，约束连接耳5的两侧臂上设有与固定圆孔30相对应的约束圆孔50，固定销轴穿过约束圆孔50与固定圆孔30实现固定耳座与约束耳座的铰接，固定销轴的轴向中部开有十字交叉布置且用于放置十字定位板的十字定位孔，固定圆孔30与约束圆孔50的边缘均开有与十字定位板相适配的定位槽6，十字定位板安装于十字定位孔且对应安装于定位槽6后实现固定耳座和约束耳座的固定连接，试件8一端的约束组件的固定板2与其中一个反力墩1固定连接，试件8一端的约束组件的约束板4与试件8的一端端板7固定连接，试件8另一端的约束组件的约束板4与试件8的另一端端板7固定连接，试件8另一端的约束组件的固定板2通过轴向加载装置抵接于另外一个反力墩1。

在安装本试验装置时，根据试验要求，确定构件试验形式，通过约束组件的不同装配结构（铰接边界条件：固定销轴穿过约束圆孔50与固定圆孔30实现固定耳座与约束耳座的铰接；固支边界条件：十字定位板安装于固定销轴的十字定位孔且对应安装于固定圆孔30与约束圆孔50边缘的定位槽6后实现固定耳座和约束耳座的固定连接）实现铰接与固支边界条件的灵活转换，完成安装后，需要轴向力时，通过轴力加载装置施加水平轴向载荷至制定荷载后保持轴力不变，此时利用MTS伺服作动器施加竖向低周往复荷载，达到指定荷载后释放落锤，落锤撞击试件8，完成试验。

具体实施时，如图9-13图所示，该装置还包括滑动组件10，滑动组件10包括上下布置的上压梁102与下压梁103，上压梁102与下压梁103之间夹有垫块104，下压梁103固定于地面，上压梁102通过长螺杆与下压梁103固定连接（本领域技术人员公知，上压梁102与下压梁103通过长螺杆固定连接时，长螺杆穿过上压梁102、下压梁103对应的锚固口后可旋入预设于地面的螺栓孔或者直接将长螺杆的底端部预埋于地面），上压梁102的上部固定连接有轴力套筒101，试件8另一端的约束板4的靠近另一个反力墩1的侧面固定有滑动支座9，滑动支座9滑动穿套于轴力套筒101后抵接于轴向加载装置。该滑动组件10的结构可增加该装置的适用性，使得该装置能够适用于滑动边界条件，而不仅仅能实现悬臂边界条件。

具体实施时，MTS作动器18的上端与试件8的侧壁可拆卸固定连接，MTS作动器18的两侧分别与其中一个反力墩1和滑动组件10均通过拉索19固定连接，以保证MTS作动器18安装时的稳定。该结构方便安装，同时也为了避免落锤冲击时，冲击力对MTS作动器18的影响，在MTS作动器18加载完成后，将MTS作动器18卸载至合适的位置后再进行落锤的冲击。MTS作动器18的上端与试件8的侧壁通过上夹具16实现可拆卸固定连接，上夹具16由位于试件8上下侧的两片钢板以及置于钢板四角的螺杆连接而成，位于试件8下侧的钢板与MTS作动器18的上端固定连接。MTS作动器18的下端与横梁15通过下夹具17实现可拆卸固定连接，下夹具17由位于横梁15上下侧的两片钢板以及置于钢板四角的螺杆连接而成，位于横梁15上侧的钢板与MTS作动器18的下端固定连接，MTS作动器18与试件8和横梁15的连接结构具体化，方便安装于拆卸，同时可根据试验需要灵活改变加载点的位置。

具体实施时，如图8所示，竖向撞击组件还包括固定于地面的钢架20，钢架20的顶部横梁15设有提升机构21（如电动葫芦、提升机），提升机构21通过吊索或脱钩器连接落锤，落锤由锤体22和锤头23组成具体使用时，可根据试验要求选择锤头23配重、锤头23提升高度以及锤头23形状，钢架20内两侧对称布置有两条竖向导轨25，锤体22滑动设于两根导轨25之间，从而确保落锤撞击位置的准确性。锤体22与锤头23为可拆卸连接。锤头23与锤体22之间安装有冲击力传感器24，方便将落锤冲击试件8时的冲击力的试验数据记录后传输至计算机，为后续研究构件性能提供试验数据。

如图9所示，轴向加载装置包括千斤顶13（具体实施时，千斤顶13可为液压千斤顶13或者气压千斤顶13）和碟形弹簧12，千斤顶13的缸体与另一个反力墩1垂直固定连接，千斤顶13的活塞杆通过碟形弹簧12向滑动支座9提供轴向力。碟形弹簧12与滑动支座9之间安装有轴力传感器11，能通过轴力传感器11将千斤顶13加载的数据传输至计算机，为后续研究结构构件性能提供试验数据。

该装置可用于土木工程领域中包括普通梁柱，防撞墙，输电塔在内等多种不同边界条件下抗多灾耦合性能研究，可较为准确的模拟出实际工况。

Claims (10)

1.一种模拟结构构件遭受撞击与滞回耦合作用试验装置，其特征在于，包括竖向撞击组件、低周往复荷载加载组件、轴向加载组件、约束组件、夹持组件以及其轴向沿水平方向布置的试件（8）；

竖向撞击组件包括用于竖向撞击试件（8）的落锤；

低周往复荷载组件包括其轴向垂直于试件（8）的轴向布置的MTS作动器（18）、其轴向水平布置且固定于地面的横梁（15），MTS作动器（18）的上端与试件（8）的侧壁固定连接，MTS作动器（18）的下端与横梁（15）的侧壁固定连接；

夹持组件包括分别位于试件（8）两端且均垂直固定于地面的两个反力墩（1）；

试件（8）的两端均固定有端板（7）且两侧的端板（7）均与约束组件固定连接，每个约束组件均包括固定耳座和约束耳座、固定销轴、十字定位板，固定耳座包括固定板（2）以及垂直固定于固定板（2）的固定连接耳（3），固定连接耳（3）上开有固定圆孔（30），约束耳座包括约束板（4）以及垂直固定于约束板（4）的约束连接耳（5），约束连接耳（5）为U型件，固定连接耳（3）插于约束连接耳（5）的中间槽中，约束连接耳（5）的两侧臂上设有与固定圆孔（30）相对应的约束圆孔（50），固定销轴穿过约束圆孔（50）与固定圆孔（30）实现固定耳座与约束耳座的铰接，固定销轴的轴向中部开有十字交叉布置且用于放置十字定位板的十字定位孔，固定圆孔（30）与约束圆孔（50）的边缘均开有与十字定位板相适配的定位槽（6），十字定位板安装于十字定位孔且对应安装于定位槽（6）后实现固定耳座和约束耳座的固定连接，试件（8）一端的约束组件的固定板（2）与其中一个反力墩（1）固定连接，试件（8）一端的约束组件的约束板（4）与试件（8）的一端端板（7）固定连接，试件（8）另一端的约束组件的约束板（4）与试件（8）的另一端端板（7）固定连接，试件（8）另一端的约束组件的固定板（2）通过轴向加载装置抵接于另外一个反力墩（1）。

2.根据权利要求1所述的一种模拟结构构件遭受撞击与滞回耦合作用试验装置，其特征在于，还包括滑动组件（10），滑动组件（10）包括上下布置的上压梁（102）与下压梁（103），上压梁（102）与下压梁（103）之间夹有垫块（104），下压梁（103）固定于地面，上压梁（102）通过长螺杆与下压梁（103）固定连接，上压梁（102）的上部固定连接有轴力套筒（101），试件（8）另一端的约束板（4）的靠近另一个反力墩（1）的侧面固定有滑动支座（9），滑动支座（9）滑动穿套于轴力套筒（101）后抵接于轴向加载装置。

3.根据权利要求2所述的一种模拟结构构件遭受撞击与滞回耦合作用试验装置，其特征在于，MTS作动器（18）的上端与试件（8）的侧壁可拆卸固定连接，MTS作动器（18）的两侧分别与其中一个反力墩（1）和滑动组件（10）均通过拉索（19）固定连接，以保证MTS作动器（18）安装时的稳定。

4.根据权利要求3所述的一种模拟结构构件遭受撞击与滞回耦合作用试验装置，其特征在于，MTS作动器（18）的上端与试件（8）的侧壁通过上夹具（16）实现可拆卸固定连接，上夹具（16）由位于试件（8）上下侧的两片钢板以及置于钢板四角的螺杆连接而成，位于试件（8）下侧的钢板与MTS作动器（18）的上端固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种模拟结构构件遭受撞击与滞回耦合作用试验装置，其特征在于，MTS作动器（18）的下端与横梁（15）通过下夹具（17）实现可拆卸固定连接，下夹具（17）由位于横梁（15）上下侧的两片钢板以及置于钢板四角的螺杆连接而成，位于横梁（15）上侧的钢板与MTS作动器（18）的下端固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种模拟结构构件遭受撞击与滞回耦合作用试验装置，其特征在于，竖向撞击组件还包括固定于地面的钢架（20），钢架（20）的顶部横梁（15）设有提升机构（21），提升机构（21）通过吊索或脱钩器连接落锤，落锤由锤体（22）和锤头（23）组成，钢架（20）内两侧对称布置有两条竖向导轨（25），锤体（22）滑动设于两根导轨（25）之间。

7.根据权利要求6所述的一种模拟结构构件遭受撞击与滞回耦合作用试验装置，其特征在于，锤体（22）与锤头（23）为可拆卸连接。

8.根据权利要求7所述的一种模拟结构构件遭受撞击与滞回耦合作用试验装置，其特征在于，锤头（23）与锤体（22）之间安装有冲击力传感器（24）。

9.根据权利要求8所述的一种模拟结构构件遭受撞击与滞回耦合作用试验装置，其特征在于，轴向加载装置包括千斤顶（13）和碟形弹簧（12），千斤顶（13）的缸体与另一个反力墩（1）垂直固定连接，千斤顶（13）的活塞杆通过碟形弹簧（12）向滑动支座（9）提供轴向力。

10.根据权利要求9所述的一种模拟结构构件遭受撞击与滞回耦合作用试验装置，其特征在于，碟形弹簧（12）与滑动支座（9）之间安装有轴力传感器（11）。

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