CN117848846A - 一种木材复杂受力性能测试的多功能加载装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种木材复杂受力性能测试的多功能加载装置及方法，包括底层框架、加载装置、杠杆装置三部分；所述底层框架用于在不拆除单轴试验机下部加载头的情况下作为加载装置的底座，承载安装在上部的加载装置；所述加载装置用于安装试件，进行试件的固定和加载；所述杠杆装置用于添加配重块，提供加载装置加载所要求的侧向水平力。本发明结合单轴试验机实现任意载荷比或位移比下的拉‑剪与压‑剪耦合加载、先拉后剪与先剪后拉加载，以及双轴受拉、双轴拉压与双轴受压加载等模式，避免了现有加载技术需针对不同应力组合采用不同试验装置而造成装置敏感性的缺点。

Description

一种木材复杂受力性能测试的多功能加载装置及方法

技术领域

本发明属于木材力学性能测试技术领域，特别涉及一种木材复杂受力性能测试的多功能加载装置及方法。

背景技术

木材在木结构中大多处于复杂应力状态，如双轴应力状态(拉应力-拉应力、拉应力-压应力、压应力-拉应力和压应力-压应力等)以及正应力与剪应力组合应力状态(拉应力-剪应力、压应力-剪应力等)，因此通过先进力学试验技术掌握木材复杂受力性能十分重要。目前，用于测试各类工程材料(如混凝土、岩石、复合材料等)复杂受力性能的试验技术主要有两种：一是基于双轴试验机的双轴与正剪应力耦合试验法；二是基于单轴试验机的自平衡装置法和斜纹试件剪切试验法。上述方法可为木材在复杂应力状态下的力学性能测试提供重要借鉴。

由于木材纹理方向多、性能变异性大，复杂应力状态下的力学性能试验通常需要比其他工程材料多数十倍甚至百倍的试件数量，直接采用双轴试验机的试验费用高昂，因此，综合采用单轴试验机与辅助加载装置，是实现木材复杂应力状态下力学性能测试的重要途径。

由于木材构造与力学性质的各向异性，上述采用单轴试验机与辅助加载装置测试木材复杂力学性能试验方法存在以下几方面技术问题：

(1)木材拉-剪性能通常采用斜纹试件剪切试验法测试，虽然单轴加载容易实现，但试件所受拉应力在剪切过程中很难保持稳定；

(2)木材压-剪与双轴受力性能试验，则常用直接的双轴试验法加载，竖向力和侧向力分别由单轴试验机和自平衡加载装置(含千斤顶)提供，因千斤顶存在稳压问题，导致其输出的侧向力在试件剪切过程中不断变化，这一技术问题造成的误差对于强度较高的金属材料可接受，但对于强度比金属材料低数十倍甚至百倍的木材，将会造成非常大误差，甚至得到错误的试验结果；

(3)试件形状，常用的V形缺口试件在缺口处的尺寸较小，无法满足正应力作用下的法向变形需要；

(4)试件顺纹端常用钢板与凹槽结合的固定技术，导致试件在发生有效破坏前便在夹持端发生顺纹剪切破坏，致使试验失败；

(5)目前木材在单轴以及不同应力组合状态下的加载试验采用不同试验设备完成，试验结果无法排除试验装置的影响。

上述技术问题导致木材在复杂应力状态下的试验方法远不满足科研与实际工程的需要。因此，有必要研发一种合理的试件、试件固定技术，以及一种可同时实现木材在单轴与复杂应力状态下进行多轴加载的多功能试验装置。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种木材复杂受力性能测试的多功能加载装置及方法，防止加载过程中试件顺纹端在有效破坏前发生顺纹剪切破坏而导致试验失败，在试验机竖向加载过程中能够保持侧向拉力与压力不变的杠杆装置，从而形成一种能够进行木材单轴以及双轴、正应力与剪应力组合等应力状态下力学性能试验的多功能加载装置与试验方法，可以实现木材不同纹理方向的拉伸、压缩与剪切等简单受力状态下的加载，也可以通过在加载中通过调整配重块数量，结合单轴试验机实现任意载荷比或位移比下的拉-剪与压-剪耦合加载、先拉后剪与先剪后拉加载，以及双轴受拉、双轴拉压与双轴受压加载等模式，避免了现有加载技术需针对不同应力组合采用不同试验装置而造成装置敏感性的缺点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种木材复杂受力性能测试的多功能加载装置，包括底层框架、加载装置、杠杆装置三部分；

所述底层框架用于在不拆除单轴试验机下部加载头的情况下作为加载装置的底座，承载安装在上部的加载装置；

所述加载装置用于安装试件，进行试件的固定和加载；

所述杠杆装置用于添加配重块，提供加载装置加载所要求的侧向水平力。

所述底层框架包括钢底板、钢顶板、钢管；钢管有6根，两两对称设置，钢管焊接成尺寸适宜的桁架后，套在试验机下加载头上，用于在不拆除单轴试验机下部加载头的情况下作为加载装置的底座；钢管顶部设置钢顶板，底部设置钢底板，钢底板和钢顶板表面分别开设有较大直径螺栓孔，其中，钢底板上的大直径螺栓孔通过地脚螺栓与试验机底座的条形槽道相连，钢顶板所开大直径螺栓孔用于与加载装置的钢底板通过螺栓连接。

所述加载装置为自平衡装置，用于连接试件，试件分为正-剪试件的L形夹具、双轴受力试件的L形夹具；

加载装置包括钢底板、第一竖向挡板、第二竖向挡板、翼脚、滑动钢板、通长螺杆、第一滑动装置、第二滑动装置、第三滑动装置、竖向垫板、水平垫板、水平荷载传感器、竖向荷载传感器、高强螺栓、螺帽、螺栓孔、水平作动杆、圆光棒；滑动装置用于减小摩擦，加载装置有较强的刚度，维持试件加载时稳定的边界条件；

所述第一竖向挡板、第二竖向挡板和滑动钢板竖直设置，第一竖向挡板、第二竖向挡板位于钢底板两侧，滑动钢板位于第一竖向挡板、第二竖向挡板之间，所述通长螺杆为四根，分为上下设置，且上下两两对称，规格一致，直径为M39，两端套丝，通长螺杆穿过滑动钢板，与滑动钢板接触部位的两端区域部分为光滑段，通长螺杆两端通过四个螺帽分别固定在第一竖向挡板和第二竖向挡板上；第一竖向挡板和第二竖向挡板底部设置在钢底板上并通过翼脚加固；加载装置刚度大，稳定性好。

所述钢底板表面设置螺栓孔，在螺栓孔处与底层框架的螺栓孔24通过大直径螺栓连接固定；

所述第二滑动装置通过螺栓与钢底板连接，顶部安装滑动钢板，第三滑动装置通过螺栓与第一竖向挡板连接固定；

第一滑动装置、第三滑动装置的构造与第二滑动装置相同。

所述第二滑动装置包括导轨、滑块、滑块、螺栓孔；

导轨通过内六角螺栓在螺栓孔处与钢底板固定，滑块通过凹槽穿在导轨上，滑块顶面开设法兰螺栓孔并与垫板连接，滑块顶面开设法兰螺栓孔与滑动钢板连接。

正-剪受力试件和双轴受力试件的L形夹具的左端和下端分别通过竖向垫板和水平垫板与第三滑动装置和第二滑动装置通过螺栓连接固定，上端通过水平垫板与第一滑动装置通过螺栓连接；右端通过竖向垫板与水平荷载传感器相连。

所述竖向垫板和水平垫板均开设丝孔和条形螺栓孔，滑动装置通过螺栓与竖向垫板、水平垫板上的丝孔紧固，L形夹具通过螺栓与竖向垫板、水平垫板上的条形孔连接，L形夹具因此能够随试件厚度的变化进行调节，且不影响与其相连的滑动装置和水平荷载传感器。

所述第一滑动装置上部连接有竖向荷载传感器，竖向荷载传感器用于测试竖向荷载，上部连接直径16mm的圆光棒，以便单轴试验机夹持。

所述水平作动杆通过可转动的插销与滑动钢板相连，用于传递水平作动杆施加的水平拉力或压力，水平荷载传感器右端通过高强螺栓与滑动钢板连接，水平作动杆右端与杠杆装置相连，水平荷载传感器与水平作动杆在同一水平线上。

所述加载装置可使用正-剪加载L形夹具和双轴受力加载L形夹具，两套夹具的尺寸、开孔情况均相同，试验过程中，仅需通过拆卸夹具与垫板之间的螺栓方便地进行更换。

所述杠杆装置包括钢立柱、左侧滑轮与杠杆支架、右侧滑轮支架、吊篮和钢绞线，其中：

所述钢立柱包括底板、柱身、地脚螺栓孔，柱身焊接在底板上，底板上开有螺栓孔，并在螺栓孔处通过地脚螺栓与试验机底座的槽道相连；

所述左侧滑轮与杠杆支架包括L形钢板、作动杆支撑、作动杆支撑、作动杆支撑、作动杆支撑、竖向作动杆、水平作动杆、滑轮支撑钢板、滑轮、滑轮；

滑轮和滑轮在杠杆装置顶部竖向对齐排列，设置在L形钢板竖向内侧，L形钢板的水平端部通过螺栓与柱身连接，作动杆支撑、作动杆支撑、作动杆支撑、作动杆支撑在杠杆装置的柱身左侧固定，互相成三角形排列用以稳定作动器，焊接在L形钢板底部，竖向作动杆通过插销与作动杆支撑铰接，竖向作动杆下端通过插销与水平作动杆铰接，水平作动杆左端与加载装置的滑动钢板通过插销进行铰接。

所述右侧滑轮支架包括L形钢板、钢支撑、滑轮，L形钢板的水平杆在上，L形钢板的竖向杆通过螺栓与柱身连接，钢支撑将L形钢板的水平杆和竖向杆沿斜边焊接，滑轮焊接在钢板沿钢支撑斜方向的端部。

所述钢绞线一端连接吊篮，另一端与竖向作动杆顶部的拉环连接，钢绞线不穿过滑轮、滑轮而直接连接滑轮时，水平作动杆对滑动挡板施加压力，试件水平向受压；

钢绞线先穿过滑轮、滑轮再连接滑轮时，水平作动杆对滑动挡板施加拉力，试件水平向受拉。

一种木材复杂受力性能测试的多功能加载装置的试验方法，包括以下实施步骤：

(1)试验装置安装：

步骤1：将方形钢柱和底层框架的底板和顶板焊接在一起，组成底层框架；

步骤2：将第一竖向挡板和第二竖向挡板分别焊接在加载装置钢底板偏两侧的位置，将两个翼脚分别焊接在两个竖向挡板外侧；

步骤3：在第一竖向挡板和加载装置底板上分别用螺栓固定一个直线导轨；

步骤4：将中间滑动钢板通过螺栓连接在加载装置底板的滑块上；

步骤5：用四根通长螺杆穿连三块挡板；

步骤6：给两个L形加载板的外侧分别用螺栓固定上垫板，将两个L形加载板通过螺栓分别连接在左侧的滑块和底板的滑块上；

步骤7：在右侧L形加载板的外侧垫板连接上水平传感器；

步骤8：在左侧L形加载板的顶部固定水平垫板，在水平垫板之上使用螺丝固定滑块配套的一个直线导轨，；

步骤9：在滑块上部固定上竖向传感器，组成加载装置；

步骤10：将滑轮、滑轮焊接在滑轮支撑钢板上，将滑轮焊接在L形钢板上；

步骤11：将作动杆支撑、作动杆支撑、作动杆支撑、作动杆支撑、L形钢板、滑轮支撑钢板在钢立柱左侧依次往上通过螺栓固定；

步骤12：将L型钢板和钢支撑焊接，将其使用螺栓固定在钢立柱右上部位；

步骤13：将竖向作动杆和水平作动杆通过插销连接在杠杆架上，组成杠杆装置；

步骤14：将加载装置置于底层框架的上部，使用螺栓连接，将杠杆装置置于前两者的右侧，通过水平作动杆连接上加载装置；

(2)简单受力试验

步骤1：将试件安装在两个L形加载板直接，使用螺栓固定；

步骤2：在试件端部分别安装端部带尖角紧固件和内部带尖角紧固件；

步骤3：在吊篮里逐渐加装配重块，通过钢绞线传力至竖向作动杆，竖向作动杆的摆动带动水平作动杆水平位移，实现简单受力加载，通过改变钢绞线的搭接方式实现拉压加载切换，钢绞线从拉环开始依次通过滑轮、滑轮、滑轮为拉伸，钢绞线从拉环开始直接通过滑轮为压缩；

(3)正-剪耦合受力加载：

步骤1-2：同简单受力加载；

步骤3：在吊篮里加装配重块，达到水平荷载目标值；

步骤4：通过实验机带动左侧L形加载板进行竖向位移，达到剪切目的，实现正-剪耦合加载；

(4)双轴受力加载：

步骤1：将简单受力加载的试件以及L形加载板替换为双轴受力试件以及配套加载板：

步骤2：在吊篮里加装配重块，实现水平加载；

步骤3：通过实验机带动竖向加载板位移，实现双轴加载。

本发明的有益效果：

(1)本发明试验装置模块化安装，试验操作方便。试验装置分为多个模块，且不同模块之间大多通过螺栓连接，为方便人工搬运与安装起见，个别小部件焊接在一起，也可通过，且无需采用吊车或起重设备，具有安装简便的特征；此外，整个装置在试验过程中，通过拆卸螺栓和紧固件即可方便地更换试件；试验装置附带两套夹具，一套用于简单受力加载和正-剪耦合受力加载，一套用哪个与双轴受力加载，两套夹具的安装方式相同，且更换方便。

(2)试件形状设计优化，端部加固方式与夹持方式配合保证试验效果。试件通过雕刻机加工，精度高，有效减小试件尺寸误差；由于试件顺纹抗拉强度与抗压强度是顺纹剪切强度以及横纹受力强度的数十倍，试件端部进行有效加固后与紧固件配合的技术方案，可防止试件因端部顺纹剪切破坏而导致试验失败。

(3)本发明试验装置为多功能加载装置。可用于实现木材在不同纹理方向(顺纹、横纹径向、弦向)的受拉和受压加载、不同纹理面(顺纹-径向、顺纹-弦向、径向-弦向以及斜纹等)内的剪切试验等简单受力试验；也可用于木材不同纹理面(顺纹-径向、顺纹-弦向、径向-弦向以及斜纹等)内的正-剪(拉剪、压剪等)耦合受力试验，既可实现正应力与剪应力的比例加载也可实现非比例加载；还可以用作木材不同纹理面(顺纹-径向、顺纹-弦向、径向-弦向以及斜纹等)内的双轴受力(拉-拉、拉-压、压-拉和压-压等)试验，可实现双轴比例加载与非比例加载。

(4)试验精度高。试件采用雕刻机加工，避免人工加工试件造成的尺寸误差；试验装置中，夹具采用高精度机加工制作，与试件结合紧密，且试验装置中设计了摩擦力较小的滑块装置、荷载传感器直接与试件夹具相连，这顺利克服了现有试验方法中摩擦力的影响，提高了荷载结果精度；试件变形采用动态数字相关法(DIC)测试，变形测试精度高；另外，整体试验装置刚度大，稳定性好，加载过程中不会出现装置变形的问题。

(5)试验夹具可根据试件厚度的变化进行调节。试验装置整体可以通过试验台上的槽口进行挪动，调整合适的加载位置；对于厚度不同的试件，可以通过试验夹具上的条形螺栓孔进行调节夹具内部间距，而解决了现有试验技术中需要根据试件厚度加工多套用于不同试件厚度夹具的问题。

(6)杠杆输出的水平力在试件竖向剪切受力过程中保持稳定。侧向荷载由配重块通过杠杆装置施加，由于配重块重量的不变性，正-剪加载和双轴加载过程中，试件受到的水平力能够保持稳定不变，解决了按常规技术采用千斤顶导致水平力在试验过程中无法保持恒定的问题。

(7)杠杆装置为一种省力操作，通过放大较高的倍数，可以在纺织较小配重块的情况下输出较大的荷载，有利于减轻人工操作的工作量。

附图说明

图1为本发明简单受力与正-剪耦合受力试件示意图。

图2为本发明双轴受力试件示意图。

图3为本发明简单受力试件与正-剪受力试件的夹持端加固示意图。

图4为本发明L形试验夹具示意图。

图5为本发明双轴受力试件的夹持端加固示意图。

图6为本发明双轴受力试件的试验夹具示意图。

图7为本发明底层框架示意图。

图8为本发明加载装置示意图。

图9为本发明滑动装置示意图。

图10为本发明杠杆装置示意图。

图11为本发明装置整体示意图。

其中：1、缺口尖端；2、直边界；3、螺栓孔；4、加固钢板；5、L形加载板；6、端部带尖角紧固件；7、内部带尖角紧固件；8-11、螺栓孔；12、加固钢板；13、螺栓孔；14、L形加载板；15、带尖角紧固件；16、螺栓孔；20、钢管；21、试验机下加载头；22、钢底板；23、钢顶板；24、大直径螺栓孔；30、钢底板；31、第一竖向挡板；32、第二竖向挡板；33、翼脚；34、通长螺杆；36第一滑动装置；37、第二滑动装置；38、第三滑动装置；39、竖向垫板；40、水平垫板；41、水平荷载传感器；42、竖向荷载传感器；43、高强螺栓；44、螺帽；45、螺栓孔；46、作动杆；47、圆光棒；48、导轨；49-50、滑块；51、螺栓孔；55、钢立柱；56、左侧滑轮与杠杆支架；57、右侧滑轮支架；58、吊篮；59、钢绞线；60、底板；61、柱身；62、地脚螺栓孔；63、L形钢板；64-67、作动杆支撑；68、竖向作动杆；69、滑轮支撑钢板；70-71、滑轮；72、L形钢板；73、钢支撑；74、滑轮；75、插销孔；76、插销；77-78、拉环。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1-图11所示：一种木材复杂受力性能测试的多功能加载装置，包括底层框架、加载装置、杠杆装置三部分；

所述底层框架用于在不拆除单轴试验机下部加载头的情况下作为加载装置的底座，承载安装在上部的加载装置；

所述加载装置用于安装试件，进行试件的固定和加载；

所述杠杆装置用于添加配重块，提供加载装置加载所要求的侧向水平力。

所述底层框架包括钢管20，钢管20焊接成尺寸适宜的桁架后，套在试验机下加载头21上，用于在不拆除单轴试验机下部加载头的情况下作为加载装置的底座；

所述底层框架包括钢底板22、钢顶板23、钢管20；钢管20有6根，两两对称设置，钢管20顶部设置钢顶板23，底部设置钢底板22，钢底板22和钢顶板23表面分别开设有较大直径螺栓孔24，其中，钢底板22上的大直径螺栓孔24通过地脚螺栓与试验机底座的条形槽道相连，钢顶板23所开大直径螺栓孔24用于与加载装置的钢底板30通过螺栓连接。

所述加载装置为自平衡装置，用于连接正-剪试件的L形夹具(图4)、双轴受力试件的L形夹具(图6)，加载装置包括钢底板30、第一竖向挡板31、第二竖向挡板32、翼脚33、滑动钢板34、通长螺杆35、第一滑动装置36、第二滑动装置37、第三滑动装置38、竖向垫板39、水平垫板40、水平荷载传感器41、竖向荷载传感器42、高强螺栓43、螺帽44、螺栓孔45、水平作动杆46、圆光棒47；滑动装置用于减小摩擦，加载装置有较强的刚度，维持试件加载时稳定的边界条件；

所述通长螺杆35为四根，规格一致，直径为M39，两端套丝，通长螺杆35穿过滑动钢板34，与滑动钢板34接触部位的两端区域部分为光滑段，通长螺杆35两端通过四个螺帽44分别固定在第一竖向挡板31和第二竖向挡板32上；第一竖向挡板31和第二竖向挡板32底部设置在钢底板30上并通过翼脚33加固；加载装置刚度大，稳定性好。

所述钢底板30表面设置螺栓孔45，在螺栓孔45处与底层框架的螺栓孔24通过大直径螺栓连接固定；

所述第二滑动装置37通过螺栓与钢底板30连接，第三滑动装置38通过螺栓与第一竖向挡板31连接固定。

所述第二滑动装置37包括导轨48、滑块49、滑块50、螺栓孔51；导轨48通过内六角螺栓在螺栓孔51处与钢底板30固定，滑块49通过凹槽穿在导轨48上，滑块49顶面开设法兰螺栓孔并与垫板40连接，滑块50顶面开设法兰螺栓孔与滑动钢板34连接，第一滑动装置36、第三滑动装置38的构造与第二滑动装置37相同。

正-剪受力试件和双轴受力试件的L形夹具(图4a和图6)的左端和下端分别通过竖向垫板39和水平垫板40与第三滑动装置38和第二滑动装置37通过螺栓连接固定，上端通过水平垫板40与第一滑动装置36通过螺栓连接；右端通过竖向垫板39与水平荷载传感器41相连。

所述竖向垫板39和水平垫板40均开设丝孔和条形螺栓孔，滑动装置通过螺栓与竖向垫板39、水平垫板40上的丝孔紧固，L形夹具通过螺栓与竖向垫板39、水平垫板40上的条形孔连接，L形夹具因此能够随试件厚度的变化进行调节，且不影响与其相连的滑动装置和水平荷载传感器41。

所述滑动装置36上部连接有竖向荷载传感器42，竖向荷载传感器42用于测试竖向荷载，上部连接直径16mm的圆光棒47，以便单轴试验机夹持。

所述水平作动杆46通过可转动的插销与滑动钢板34相连，用于传递水平作动杆施加的水平拉力或压力，水平荷载传感器41右端通过高强螺栓43与滑动钢板34连接，水平作动杆46右端与杠杆装置(图10)相连。

所述加载装置可使用正-剪加载L形夹具和双轴受力加载L形夹具，两套夹具的尺寸、开孔情况均相同，试验过程中，仅需通过拆卸夹具与垫板之间的螺栓方便地进行更换。

所述杠杆装置(图10)包括钢立柱55、左侧滑轮与杠杆支架56、右侧滑轮支架57、吊篮58和钢绞线59，其中：

所述钢立柱55包括底板60、柱身61、地脚螺栓孔62，柱身61焊接在底板60上，并在螺栓孔62处通过地脚螺栓与试验机底座的槽道相连；

所述左侧滑轮与杠杆支架56包括L形钢板63、作动杆支撑64、作动杆支撑65、作动杆支撑66、作动杆支撑67、竖向作动杆68、水平作动杆46、滑轮支撑钢板69、滑轮70、滑轮71，滑轮70和滑轮71在杠杆装置顶部竖向对齐排列，L形钢板63通过螺栓与柱身61连接，作动杆支撑64、作动杆支撑65、作动杆支撑66、作动杆支撑67在杠杆装置的柱身左侧固定，互相成三角形排列用以稳定作动器，作动杆支撑64水平设置，焊接在L形钢板63上，竖向作动杆68通过插销75与作动杆支撑64铰接，竖向作动杆68下端通过插销76与水平作动杆46铰接，水平作动杆46左端与加载装置(图8)的滑动钢板34通过插销进行铰接。

所述右侧滑轮支架57包括L形钢板72、钢支撑73、滑轮74，L形钢板72通过螺栓与柱身61连接，钢支撑73与L形钢板72焊接，滑轮74焊接在钢板72的端部。

所述钢绞线59一端连接吊篮58，另一端与竖向作动杆68顶部的拉环77或拉环78连接，钢绞线不穿过滑轮70、滑轮71而直接连接滑轮74时，水平作动杆46对滑动挡板34施加压力，试件水平向受压；钢绞线先穿过滑轮70、滑轮71再连接滑轮74时，水平作动杆46对滑动挡板34施加拉力，试件水平向受拉。

一种木材复杂受力性能测试的多功能加载装置的多功能试验方法，包括以下实施步骤：

(1)试验装置安装

步骤1：将方形钢柱20和底层框架的底板22和顶板23焊接在一起，组成底层框架；

步骤2：将第一竖向挡板31和第二竖向挡板34分别焊接在加载装置底板30偏两侧的位置，将两个翼脚33分别焊接在两个竖向挡板外侧；

步骤3：在第一竖向挡板31和加载装置底板30上分别用螺栓固定一个直线导轨；

步骤4：将中间滑动钢板34通过螺栓连接在加载装置底板的滑块37上；

步骤5：用四根通长螺杆35穿连三块挡板；

步骤6：给两个L形加载板的外侧分别用螺栓固定上垫板39，将两个L形加载板5通过螺栓分别连接在左侧的滑块38和底板的滑块上；

步骤7：在右侧L形加载板5的外侧垫板连接上水平传感器41；

步骤8：在左侧L形加载板5的顶部固定垫板40，在垫板之上使用螺丝固定滑块36配套的一个直线导轨，；

步骤9：在滑块36上部固定上竖向传感器，组成加载装置；

步骤10：将滑轮70、滑轮71焊接在滑轮支撑钢板上，将滑轮74焊接在L形钢板上72；

步骤11：将作动杆支撑64、作动杆支撑65、作动杆支撑66、作动杆支撑67、L形钢板63、滑轮支撑钢板69在钢立柱55左侧依次往上通过螺栓固定；

步骤12：将L型钢板72和钢支撑73焊接，将其使用螺栓固定在钢立柱55右上部位；

步骤13：将竖向作动杆68和水平作动杆46通过插销连接在杠杆架上，组成杠杆装置；

步骤14：将加载装置置于底层框架的上部，使用螺栓连接，将杠杆装置置于前两者的右侧，通过水平作动杆连接上加载装置。

(2)简单受力试验

步骤1：将试件(如图1)安装在两个L形加载板5直接，使用螺栓固定；

步骤2：在试件端部分别安装端部带尖角紧固件6和内部带尖角紧固件7，如图4；

步骤3：在吊篮58里逐渐加装配重块，通过钢绞线59传力至竖向作动杆68，竖向作动杆的摆动带动水平作动杆46水平位移，实现简单受力加载(通过改变钢绞线59的搭接方式实现拉压加载切换，钢绞线从拉环77开始依次通过滑轮69、滑轮70、滑轮74为拉伸，钢绞线从拉环78开始直接通过滑轮74为压缩)；

(3)正-剪耦合受力加载

步骤1-2：同简单受力加载；

步骤3：在吊篮58里加装配重块，达到水平荷载目标值；

步骤4：通过实验机带动左侧L形加载板5进行竖向位移，达到剪切目的，实现正-剪耦合加载。

(4)双轴受力加载：

步骤1：将简单受力加载的试件以及L形加载板替换为双轴受力试件以及配套加载板(如图6)：

步骤2：在吊篮58里加装配重块，实现水平加载；

步骤3：通过实验机带动竖向加载板位移，实现双轴加载。

本申请中：木材试件分为平板试件和十字形试件；

如图1所示：木材试件，包括安装在L形加载板5上带V形缺口的平板试件，缺口尖端1处设10～20rad圆角，试件在水平拉伸与压缩时有充足变形空间，直边界2与试件中间部位弧边界相切，试件两端的螺栓孔3用于与试验夹具固定。

所述平板试件用于简单受力与正-剪受力加载。

木材正-剪试件用于测试木材单轴拉伸、单轴压缩、纯剪切等简单受力性能和拉-剪与压-剪受力性能。

木材十字形试件，用于测试木材的双轴受拉、双轴受压、双轴拉压以及双轴压拉力学性能。

平板试件的端部加固方法，包括以下步骤：

当采用L形夹具时，所述平板试件的两端以及向中间部位的过渡段设置加固钢板4，加固钢板4前端弯折，通过结构胶与平板试件粘贴在一起，用于加固木材简单受力与正-剪受力试件的端部；

L形夹具的结构总共为四块L形板，可以在其外侧使用螺栓和垫板将其两两固定，成为L形夹具的左右两部分，中间留有和试件相匹配的空隙安装试件。

所述L形加载板5用于夹持加固钢板4加固后的木材正-剪试件，并通过8个螺栓连接，四块L形板通过螺栓和垫板两两固定形成L形加载板5，其螺栓孔跑道形开孔，安装时可调节位置，根据试件的厚度调整其间隙；

所述端部带尖角紧固件6和内部带尖角紧固件7与L形加载板5配合使用，在螺栓孔8处通过螺栓与L形加载板5连接后，卡住试件后与通过8个螺栓(螺栓孔3)共同拉伸试件以防止试件在水平受力时夹持端部发生顺纹剪切破坏，也可在试件剪切受力过程中通过挤压试件，避免其发生转动而导致夹持端部破坏。

十字形试件的端部加固方法，包括以下步骤：

十字形试件的四个端部以及向试件中心部位的过渡段位置为加固钢板12，所述加固钢板12用于加固木材双轴受力十字形试件端部，通过结构胶与试件粘贴在一起，十字形试件端部螺栓孔13与十字形试件的夹具连接，其夹具分为四部分，分别和十字形试件的四个端部对应，每一部分都由两块侧视为L形的板组成；

所述L形加载板14用于夹持加固钢板12加固后的木材十字形试件，二者通过16个螺栓在螺栓孔13处连接；

所述带尖角紧固件15用于卡住十字形试件，并在螺栓孔16处通过螺栓连接，防止其在竖向与水平向加载过程中发生试件端部顺纹剪切破坏。

所述木材试件端部夹持方法用于防止试件端部在试验结束前破坏。本发明的以上描述只是通过一些实施例进行描述，本发明不受此处所公开的具体实例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种木材复杂受力性能测试的多功能加载装置，其特征在于，包括底层框架、加载装置、杠杆装置三部分；

所述底层框架用于在不拆除单轴试验机下部加载头的情况下作为加载装置的底座，承载安装在上部的加载装置；

所述加载装置用于安装试件，进行试件的固定和加载；

所述杠杆装置用于添加配重块，提供加载装置加载所要求的侧向水平力。

2.根据权利要求1所述的一种木材复杂受力性能测试的多功能加载装置，其特征在于，所述底层框架包括钢底板(22)、钢顶板(23)、钢管(20)；钢管(20)有6根，两两对称设置，钢管(20)焊接成桁架后，套在试验机下加载头(21)上，用于在不拆除单轴试验机下部加载头的情况下作为加载装置的底座；钢管(20)顶部设置钢顶板(23)，底部设置钢底板(22)，钢底板(22)和钢顶板(23)表面分别开设有较大直径螺栓孔(24)，其中，钢底板(22)上的大直径螺栓孔(24)通过地脚螺栓与试验机底座的条形槽道相连，钢顶板(23)所开大直径螺栓孔(24)用于与加载装置的钢底板30通过螺栓连接。

3.根据权利要求1所述的一种木材复杂受力性能测试的多功能加载装置，其特征在于，所述加载装置为自平衡装置，用于连接试件，试件分为正-剪试件的L形夹具、双轴受力试件的L形夹具；

加载装置包括钢底板(30)、第一竖向挡板(31)、第二竖向挡板(32)、翼脚(33)、滑动钢板(34)、通长螺杆(35)、第一滑动装置(36)、第二滑动装置(37)、第三滑动装置(38)、竖向垫板(39)、水平垫板(40)、水平荷载传感器(41)、竖向荷载传感器(42)、高强螺栓(43)、螺帽(44)、螺栓孔(45)、水平作动杆(46)、圆光棒(47)；滑动装置用于减小摩擦，加载装置有较强的刚度，维持试件加载时稳定的边界条件；

所述第一竖向挡板(31)、第二竖向挡板(32)和滑动钢板(34)竖直设置，第一竖向挡板(31)、第二竖向挡板(32)位于钢底板(30)两侧，滑动钢板(34)位于第一竖向挡板(31)、第二竖向挡板(32)之间，所述通长螺杆(35)为四根，分为上下设置，且上下两两对称，两端套丝，通长螺杆(35)穿过滑动钢板(34)，与滑动钢板(34)接触部位的两端区域部分为光滑段，通长螺杆(35)两端通过四个螺帽(44)分别固定在第一竖向挡板(31)和第二竖向挡板(32)上；第一竖向挡板(31)和第二竖向挡板(32)底部设置在钢底板(30)上并通过翼脚(33)加固。

4.根据权利要求3所述的一种木材复杂受力性能测试的多功能加载装置，其特征在于，所述钢底板(30)表面设置螺栓孔(45)，在螺栓孔(45)处与底层框架的螺栓孔(24)通过大直径螺栓连接固定；

所述第二滑动装置(37)通过螺栓与钢底板(30)连接，顶部安装滑动钢板(34)，第三滑动装置(38)通过螺栓与第一竖向挡板(31)连接固定；

第一滑动装置(36)、第三滑动装置(38)的构造与第二滑动装置(37)相同；

所述第二滑动装置(37)包括导轨(48)、滑块(49)、滑块(50)、螺栓孔(51)；

导轨(48)通过内六角螺栓在螺栓孔(51)处与钢底板(30)固定，滑块(49)通过凹槽穿在导轨(48)上，滑块(49)顶面开设法兰螺栓孔并与垫板(40)连接，滑块(50)顶面开设法兰螺栓孔与滑动钢板(34)连接。

5.根据权利要求4所述的一种木材复杂受力性能测试的多功能加载装置，其特征在于，正-剪受力试件和双轴受力试件的L形夹具的左端和下端分别通过竖向垫板(39)和水平垫板(40)与第三滑动装置(38)和第二滑动装置(37)通过螺栓连接固定，上端通过水平垫板(40)与第一滑动装置(36)通过螺栓连接；右端通过竖向垫板(39)与水平荷载传感器(41)相连；

所述竖向垫板(39)和水平垫板(40)均开设丝孔和条形螺栓孔，滑动装置通过螺栓与竖向垫板(39)、水平垫板(40)上的丝孔紧固，L形夹具通过螺栓与竖向垫板(39)、水平垫板(40)上的条形孔连接，L形夹具因此能够随试件厚度的变化进行调节，且不影响与其相连的滑动装置和水平荷载传感器(41)。

6.根据权利要求4所述的一种木材复杂受力性能测试的多功能加载装置，其特征在于，所述第一滑动装置(36)上部连接有竖向荷载传感器(42)，竖向荷载传感器(42)用于测试竖向荷载，上部连接圆光棒(47)，以便单轴试验机夹持；

所述水平作动杆(46)通过可转动的插销与滑动钢板(34)相连，用于传递水平作动杆施加的水平拉力或压力，水平荷载传感器(41)右端通过高强螺栓(43)与滑动钢板(34)连接，水平作动杆(46)右端与杠杆装置相连，水平荷载传感器(41)与水平作动杆(46)在同一水平线上。

7.根据权利要求1所述的一种木材复杂受力性能测试的多功能加载装置，其特征在于，所述杠杆装置包括钢立柱(55)、左侧滑轮与杠杆支架(56)、右侧滑轮支架(57)、吊篮(58)和钢绞线(59)，其中：

所述钢立柱(55)包括底板(60)、柱身(61)、地脚螺栓孔(62)，柱身(61)焊接在底板(60)上，底板(60)上开有螺栓孔(62)，并在螺栓孔(62)处通过地脚螺栓与试验机底座的槽道相连；

所述左侧滑轮与杠杆支架(56)包括L形钢板(63)、作动杆支撑(64)、作动杆支撑(65)、作动杆支撑(66)、作动杆支撑(67)、竖向作动杆(68)、水平作动杆(46)、滑轮支撑钢板(69)、滑轮(70)、滑轮(71)；

滑轮(70)和滑轮(71)在杠杆装置顶部竖向对齐排列，设置在L形钢板(63)竖向内侧，L形钢板(63)的水平端部通过螺栓与柱身(61)连接，作动杆支撑(64)、作动杆支撑(65)、作动杆支撑(66)、作动杆支撑(67)在杠杆装置的柱身(61)左侧固定，互相成三角形排列用以稳定作动器，焊接在L形钢板(63)底部，竖向作动杆(68)通过插销(75)与作动杆支撑(64)铰接，竖向作动杆(68)下端通过插销(76)与水平作动杆(46)铰接，水平作动杆(46)左端与加载装置的滑动钢板(34)通过插销进行铰接。

8.根据权利要求7所述的一种木材复杂受力性能测试的多功能加载装置，其特征在于，所述右侧滑轮支架(57)包括L形钢板(72)、钢支撑(73)、滑轮(74)，L形钢板(72)的水平杆在上，L形钢板(72)的竖向杆通过螺栓与柱身(61)连接，钢支撑(73)将L形钢板(72)的水平杆和竖向杆沿斜边焊接，滑轮(74)焊接在钢板(72)沿钢支撑(73)斜方向的端部；

所述钢绞线(59)一端连接吊篮(58)，另一端与竖向作动杆(68)顶部的拉环(77)或拉环(78)连接，钢绞线不穿过滑轮(70)、滑轮(71)而直接连接滑轮(74)时，水平作动杆(46)对滑动挡板(34)施加压力，试件水平向受压；

钢绞线先穿过滑轮(70)、滑轮(71)再连接滑轮(74)时，水平作动杆(46)对滑动挡板(34)施加拉力，试件水平向受拉。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种木材复杂受力性能测试的多功能加载装置的试验方法，其特征在于，包括以下实施步骤：

(1)试验装置安装：

步骤1：将方形钢柱(20)和底层框架的底板(22)和顶板(23)焊接在一起，组成底层框架；

步骤2：将第一竖向挡板(31)和第二竖向挡板(34)分别焊接在加载装置钢底板(30)偏两侧的位置，将两个翼脚(33)分别焊接在两个竖向挡板外侧；

步骤3：在第一竖向挡板(31)和加载装置底板(30)上分别用螺栓固定一个直线导轨；

步骤4：将中间滑动钢板(34)通过螺栓连接在加载装置底板的滑块(37)上；

步骤5：用四根通长螺杆(35)穿连三块挡板；

步骤6：给两个L形加载板的外侧分别用螺栓固定上垫板(39)，将两个L形加载板(5)通过螺栓分别连接在左侧的滑块(38)和底板的滑块上；

步骤7：在右侧L形加载板(5)的外侧垫板连接上水平传感器(41)；

步骤8：在左侧L形加载板(5)的顶部固定水平垫板(40)，在水平垫板(40)之上使用螺丝固定滑块配套的一个直线导轨，；

步骤9：在滑块上部固定上竖向传感器，组成加载装置；

步骤10：将滑轮(70)、滑轮(71)焊接在滑轮支撑钢板上，将滑轮(74)焊接在L形钢板上(72)；

步骤11：将作动杆支撑(64)、作动杆支撑(65)、作动杆支撑(66)、作动杆支撑(67)、L形钢板(63)、滑轮支撑钢板(69)在钢立柱(55)左侧依次往上通过螺栓固定；

步骤12：将L型钢板(72)和钢支撑(73)焊接，将其使用螺栓固定在钢立柱(55)右上部位；

步骤13：将竖向作动杆(68)和水平作动杆(46)通过插销连接在杠杆架上，组成杠杆装置；

步骤14：将加载装置置于底层框架的上部，使用螺栓连接，将杠杆装置置于前两者的右侧，通过水平作动杆连接上加载装置；

(2)简单受力试验

步骤1：将试件安装在两个L形加载板(5)直接，使用螺栓固定；

步骤2：在试件端部分别安装端部带尖角紧固件(6)和内部带尖角紧固件(7)；

步骤3：在吊篮(58)里逐渐加装配重块，通过钢绞线(59)传力至竖向作动杆(68)，竖向作动杆的摆动带动水平作动杆(46)水平位移，实现简单受力加载，通过改变钢绞线(59)的搭接方式实现拉压加载切换，钢绞线从拉环(77)开始依次通过滑轮(69)、滑轮(70)、滑轮(74)为拉伸，钢绞线从拉环(78)开始直接通过滑轮(74)为压缩；

(3)正-剪耦合受力加载：

步骤1-2：同简单受力加载；

步骤3：在吊篮(58)里加装配重块，达到水平荷载目标值；

步骤4：通过实验机带动左侧L形加载板(5)进行竖向位移，达到剪切目的，实现正-剪耦合加载；

(4)双轴受力加载：

步骤1：将简单受力加载的试件以及L形加载板替换为双轴受力试件以及配套加载板：

步骤2：在吊篮(58)里加装配重块，实现水平加载；

步骤3：通过实验机带动竖向加载板位移，实现双轴加载。