CN105466758B - 可消除摩擦影响且可对柱轴力进行控制的加载装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明目的是提供一种可消除摩擦影响且可对柱轴力进行控制的加载装置及方法，解决现有技术中，摩擦力影响试验结果准确性和柱轴力无法保持恒定的问题，使测得的结果更加准确。使得在对于梁柱组合体、框架柱的抗震性能进行试验时，通过在柱顶施加低周反复荷载的方法得到柱顶水平力与水平位移(P‑Δ)关系曲线以及节点区的非线性变形的情况下，梁柱组合体、框架柱的整体和局部的变形与水平力的关系更加精确。

Description

可消除摩擦影响且可对柱轴力进行控制的加载装置及方法
技术领域
本发明涉及梁柱组合体和框架柱的受力性能研究，具体是一种可消除摩擦影响且可对柱轴力进行控制加载装置。
背景技术
梁柱节点、框架柱均是钢筋混凝土结构中受力性能复杂的重要部位，特别是在地震过程中，其抗震性能对整体结构的抗震性能起着至关重要的作用。目前国内外对梁柱组合体、框架柱受力性能的研究主要集中在试验研究和数值模拟两个方面，而试验研究的准确性对认识梁柱节点、框架柱的受力机理和滞回反应特征等起着不可替代的作用。对于梁柱组合体、框架柱的抗震性能试验，通常采用在柱顶施加低周反复荷载的方法(称为柱端加载试验)得到柱顶水平力与水平位移(P-Δ)关系曲线以及节点区的非线性变形情况，以研究梁柱组合体、框架柱的整体和局部的变形。此外，梁柱组合体试验、框架柱均需要考虑轴力对其滞回反应的影响，因此试验中需要对柱施加一恒定轴力。
以柱端加载的梁柱组合体试验为例对该问题进行说明。国内外主要存在两类柱端加载的梁柱组合体试验装置，但这两种试验装置均存在一定误差。
第一类试验装置的优点是，在试验过程中通过对油压千斤顶或竖向作动器的控制，试验者可以人为调整柱轴力的大小，轴力发生变化时可以及时进行调整，以保证整个试验过程中轴力保持恒定；而这类试验装置的缺点在于试验过程中油压千斤顶或竖向作动器施加的轴力通常较大，相应的就会使得与反力***相连的铰轴或滑动小车会产生较大的摩擦力，这时试验测得的水平力就包含了这部分摩擦力，从而影响试验实测结果的准确性。
第二类试验装置的优点是，在试验过程中通过拧紧构件上下端钢板上的螺栓施加试验所需的轴力，试件与反力***之间不存在摩擦，因此水平荷载P的测量值较准确；而这类试验装置的缺点是，柱子的轴力一般仅在试验开始前施加，试验过程中柱子轴力发生变化时无法及时对其进行调整或补偿，使得整个试验过程中轴力无法保持不变。
综上所述，现有两种试验装置都存在一定程度上的误差，均无法准确测得试验数据。
发明内容
本发明的目的是解决现有加载装置中摩擦力影响大和柱轴力无法控制的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，可消除摩擦影响且可对柱轴力进行控制的加载装置，其特征在于：包括反力梁、反力柱、竖向作动器、拉压力传感器Ⅰ、水平作动器、拉压力传感器Ⅱ、拉压力传感器Ⅲ、试件、铰轴、定位座Ⅰ、定位座Ⅱ、连接装置Ⅰ、连接装置Ⅱ和固定装置。
所述试件是一个“十”字型梁柱组合体框架，所述梁柱组合体框架分为上下左右四支，所述试件的四支横截面均为矩形。
所述反力梁与反力柱均为钢结构支架，所述反力梁的两端分别固定在两根反力柱上。所述固定装置包括钢板Ⅰ、钢板Ⅱ、钢板Ⅲ、螺纹杆Ⅰ、螺纹杆Ⅱ、螺纹杆Ⅲ、螺纹杆Ⅳ。
所述传感器和试件用固定装置固定，具体固定方式为：所述传感器的一个端面与钢板Ⅰ相接，传感器的另一个端面与钢板Ⅱ相接。所述试件的上支与钢板Ⅱ相接，试件的下支与钢板Ⅲ相接。所述螺纹杆Ⅰ、螺纹杆Ⅱ、螺纹杆Ⅲ、螺纹杆Ⅳ从上到下依次穿过钢板Ⅰ、钢板Ⅱ、钢板Ⅲ，并在钢板Ⅰ和钢板Ⅲ的端面上用螺母拧紧。
所述钢板Ⅲ与水平地面通过铰轴相连，如图4所示，所述铰轴包括三片扇形板和连接轴，所述三个扇形板的形状大小一致且叠放在一起，所述扇形板对称轴上设有通孔，所述连接轴依次穿过三个扇形板的通孔，将三个扇形板铰接在一起，并用螺母拧紧连接轴尾端，所述中间位置的扇形板固定在钢板Ⅲ上，两侧的扇形板固定在地面上；
所述拉压力传感器Ⅰ一端与钢板Ⅰ通过铰轴相连，所述铰轴与铰轴形状和结构一致，所述拉压力传感器Ⅰ另一端竖向作动器的一端相连。
所述竖向作动器的另一端与连接装置Ⅰ相连，所述连接装置Ⅰ由铰轴、螺纹杆和钢板组成，所述钢板置于反力梁上下对称的位置上，所述两片钢板被四根螺纹杆从上到下依次穿过，两片钢板被螺母拧紧，所述铰轴连接在反力梁下方的钢板上，所述铰轴与铰轴形状一致。
所述水平作动器的一端与连接装置Ⅱ相连，所述连接装置Ⅱ与连接装置Ⅰ的构成和形状一致，连接装置Ⅱ的两块钢板固定在反力柱上。
所述水平作动器的另一端与拉压力传感器Ⅱ的一端相连，所述拉压力传感器Ⅱ的另一端试件的上支相连，连接装置与连接装置Ⅱ一致。
所述定位座Ⅰ和定位座Ⅱ形状和结构一致，且位置相对于试件的下支对称。
所述定位座Ⅰ和定位座Ⅱ包括底座、滚轴球铰装置、支撑杆和连接装置，所述滚轴球铰装置位于底座顶部中心处，所述支撑杆一端与滚轴球铰装置相连，支撑杆另一端与连接装置相连，所述连接装置与连接装置Ⅰ形状和结构一致，定位座Ⅰ的连接装置连接在试件的左支上，所述定位座Ⅱ的连接装置连接在试件的右支上，所述定位座Ⅰ和定位座Ⅱ的连接装置的连接位置相对于试件的上下两支对称。
采用权利要求1所述的可消除摩擦影响且可对柱轴力进行控制的加载装置的加载方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将试件的纵向端固定在钢板Ⅱ和钢板Ⅲ之间，横向两端分别固定在定位座Ⅰ和定位座Ⅱ的支撑杆上；
2)采用电子测力扳手将钢板Ⅰ和钢板Ⅲ上的螺栓拧紧，通过这种方式施加试验所需的柱轴力；
3)通过水平作动器，对试件施加试验所需的柱顶水平力，并且竖向作动器不施加作用力；
4)在步骤3)完成后，柱轴向力减小或增大时，通过竖向作动器施加压力或拉力，对柱轴向力进行调整，直到拉压力传感器Ⅲ与初始轴力相等。
调整的过程是，如果柱轴力相对初始值减小了，就用竖向作动器施加一个向下的压力，使轴力增大；如果柱轴力相对初始值变大了，就通过竖向作动器施加一个向上的拉力，使整体作用于柱子的轴力减小。
进一步，所述试件对于“十”字形中间层中间节点、“├”形中间层边节点和柱子试验同样适用。
进一步，所述试件的四支横截面对于圆形、“T”形同样适用。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明中的装置，测得的柱顶水平荷载受摩擦力的影响非常小，并且在实验过程中试验者可以自主控制轴向力的大小，大大提高了试验实测数据的准确性。
附图说明
图1为本发明的试验装置示意图；
图2为钢板8的俯视图；
图3为“├”形中间层边节点的试验装置示意图；
图4为铰轴的示意图。
图中：反力梁1，反力柱2，竖向作动器3，拉压力传感器Ⅰ4，水平作动器5，拉压力传感器Ⅱ6，拉压力传感器Ⅲ7，钢板Ⅰ8，钢板Ⅱ9，钢板Ⅲ10，螺纹杆Ⅰ11，螺纹杆Ⅱ12，螺纹杆Ⅲ13，螺纹杆Ⅳ14，试件15，铰轴16，定位座Ⅰ17，定位座Ⅱ18，连接装置Ⅰ19，连接装置Ⅱ20，固定装置21。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
可消除摩擦影响且可对柱轴力进行控制的加载装置及方法，其特征在于：包括反力梁1、反力柱2、竖向作动器3、拉压力传感器Ⅰ4、水平作动器5、拉压力传感器Ⅱ6、拉压力传感器Ⅲ7、试件15、铰轴16、定位座Ⅰ17、定位座Ⅱ18、连接装置Ⅰ19、连接装置Ⅱ20和固定装置21。
所述试件15是一个“十”字型梁柱组合体框架，所述梁柱组合体框架分为上下左右四支，所述试件15的四支横截面均为矩形。
所述反力梁1与反力柱2均为钢结构支架，所述反力梁1的两端分别固定在两根反力柱2上。
所述固定装置21包括钢板Ⅰ8、钢板Ⅱ9、钢板Ⅲ10、螺纹杆Ⅰ11、螺纹杆Ⅱ12、螺纹杆Ⅲ13、螺纹杆Ⅳ14。
所述拉压力传感器Ⅲ7和试件15用固定装置21固定，具体固定方式为：所述拉压力传感器Ⅲ7的一个端面与钢板Ⅰ8相接，拉压力传感器Ⅲ7的另一个端面与钢板Ⅱ9相接。所述试件15的上支与钢板Ⅱ9相接，试件15的下支与钢板Ⅲ10相接。所述螺纹杆Ⅰ11、螺纹杆Ⅱ12、螺纹杆Ⅲ13、螺纹杆Ⅳ14从上到下依次穿过钢板Ⅰ8、钢板Ⅱ9、钢板Ⅲ10，并在钢板Ⅰ8和钢板Ⅲ10的端面上用螺母拧紧。
所述钢板Ⅲ10与水平地面通过铰轴16相连，所述铰轴16包括三片扇形板和连接轴，所述三个扇形板的形状大小一致且叠放在一起，所述扇形板对称轴上设有通孔，所述连接轴依次穿过三个扇形板的通孔将三个扇形板铰接在一起，并用螺母拧紧连接轴尾端，所述中间位置的扇形板固定在钢板Ⅲ10上，两侧的扇形板固定在地面上；
所述拉压力传感器Ⅰ4一端与钢板Ⅰ8通过铰轴相连，所述铰轴与铰轴16形状和结构一致，所述拉压力传感器Ⅰ4另一端竖向作动器3的一端相连。
所述竖向作动器3的另一端与连接装置Ⅰ19相连，所述连接装置Ⅰ19由铰轴、螺纹杆和钢板组成，所述钢板置于反力梁1上下对称的位置上，所述两片钢板被四根螺纹杆从上到下依次穿过，两片钢板被螺母拧紧，所述铰轴连接在反力梁1下方的钢板上，所述铰轴与铰轴16形状一致。
所述水平作动器5的一端与连接装置Ⅱ20相连，所述连接装置Ⅱ20与连接装置Ⅰ19的构成和形状一致，连接装置Ⅱ20的两块钢板固定在反力柱2上。
所述水平作动器5的另一端与拉压力传感器Ⅱ6的一端相连，所述拉压力传感器Ⅱ6的另一端试件15的上支相连，连接装置与连接装置Ⅱ20一致。
所述定位座Ⅰ17和定位座Ⅱ18形状和结构一致，且位置相对于试件15的下支对称。
所述定位座Ⅰ17和定位座Ⅱ18包括底座、滚轴球铰装置、支撑杆和连接装置，所述滚轴球铰装置位于底座顶部中心处，所述支撑杆一端与滚轴球铰装置相连，支撑杆另一端与连接装置相连，所述连接装置与连接装置Ⅰ19形状和结构一致，定位座Ⅰ17的连接装置连接在试件15的左支上，所述定位座Ⅱ18的连接装置连接在试件15的右支上，所述定位座Ⅰ17和定位座Ⅱ18的连接装置的连接位置相对于试件15的上下两支对称。
采用上述的可消除摩擦影响且可对柱轴力进行控制的加载装置的加载方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将试件15的纵向端固定在钢板Ⅱ9和钢板Ⅲ10之间，横向两端分别固定在定位座Ⅰ17和定位座Ⅱ18的支撑杆上；
2)采用电子测力扳手将钢板Ⅰ8和钢板Ⅲ10上的螺栓拧紧，通过这种方式施加试验所需的柱轴力；
3)通过水平作动器5，对试件施加试验所需的柱顶水平力，并且竖向作动器3不施加作用力；
4)在步骤3)完成后，柱轴向力减小或增大时，通过竖向作动器3施加压力或拉力，对柱轴向力进行调整，直到拉压力传感器Ⅲ7与初始轴力相等。
调整的过程是，如果柱轴力相对初始值减小了，就用竖向作动器施加一个向下的压力，使轴力增大；如果柱轴力相对初始值变大了，就通过竖向作动器施加一个向上的拉力，使整体作用于柱子的轴力减小。
在试验过程中，由于柱子倾斜以及螺杆、螺栓应力松弛等原因，柱轴向力一般将减小(开始阶段也可能略有变大)，此时通过顶部竖向作动器对柱子施加拉力或压力，及时的对柱轴向力进行调整，在试验过程中通过力传感器保持轴力的恒定。
因此，在新试验装置中，大部分轴力通过钢板、螺纹杆、螺栓来施加，只有很小一部分轴力通过与反力架相连的竖向作动器施加，由于竖向作动器施加的轴向力较小，相应的与反力架相连的铰轴或滑动小车产生的摩擦力也非常小。因此，新装置测得的柱顶水平荷载受摩擦力的影响非常小，且在实验过程中试验者可以自主控制轴向力的大小，大大提高了试验实测数据的准确性。

Claims (4)

1.可消除摩擦影响且可对柱轴力进行控制的加载装置，其特征在于：包括反力梁(1)、反力柱(2)、竖向作动器(3)、拉压力传感器Ⅰ(4)、水平作动器(5)、拉压力传感器Ⅱ(6)、拉压力传感器Ⅲ(7)、试件(15)、铰轴(16)、定位座Ⅰ(17)、定位座Ⅱ(18)、连接装置Ⅰ(19)、连接装置Ⅱ(20)和固定装置(21)；
所述试件(15)是一个“十”字型梁柱组合体框架，所述梁柱组合体框架分为上下左右四支，所述试件(15)的四支横截面均为矩形；
所述反力梁(1)与反力柱(2)均为钢结构支架，所述反力梁(1)的两端分别固定在两根反力柱(2)上；
所述固定装置(21)包括钢板Ⅰ(8)、钢板Ⅱ(9)、钢板Ⅲ(10)、螺纹杆Ⅰ(11)、螺纹杆Ⅱ(12)、螺纹杆Ⅲ(13)、螺纹杆Ⅳ(14)；
所述拉压力传感器Ⅲ(7)和试件(15)用固定装置(21)固定，具体固定方式为：所述拉压力传感器Ⅲ(7)的一个端面与钢板Ⅰ(8)相接，拉压力传感器Ⅲ(7)的另一个端面与钢板Ⅱ(9)相接；所述试件(15)的上支与钢板Ⅱ(9)相接，试件(15)的下支与钢板Ⅲ(10)相接；所述螺纹杆Ⅰ(11)、螺纹杆Ⅱ(12)、螺纹杆Ⅲ(13)、螺纹杆Ⅳ(14)从上到下依次穿过钢板Ⅰ(8)、钢板Ⅱ(9)、钢板Ⅲ(10)，并在钢板Ⅰ(8)和钢板Ⅲ(10)的端面上用螺母拧紧；
所述钢板Ⅲ(10)与水平地面通过铰轴(16)相连，所述铰轴(16)包括三片扇形板和连接轴，所述三个扇形板的形状大小一致且叠放在一起，所述扇形板对称轴上设有通孔，所述连接轴依次穿过三个扇形板的通孔将三个扇形板铰接在一起，并用螺母拧紧连接轴尾端，所述中间位置的扇形板固定在钢板Ⅲ(10)上，两侧的扇形板固定在地面上；
所述拉压力传感器Ⅰ(4)一端与钢板Ⅰ(8)通过铰轴相连，所述铰轴与铰轴(16)形状和结构一致，所述拉压力传感器Ⅰ(4)另一端与竖向作动器(3)的一端相连；
所述竖向作动器(3)的另一端与连接装置Ⅰ(19)相连，所述连接装置Ⅰ(19)由铰轴、螺纹杆和钢板组成，所述钢板置于反力梁(1)上下对称的位置上，所述两片钢板被四根螺纹杆从上到下依次穿过，两片钢板被螺母拧紧，所述铰轴连接在反力梁(1)下方的 钢板上，所述铰轴与铰轴(16)形状一致；
所述水平作动器(5)的一端与连接装置Ⅱ(20)相连，所述连接装置Ⅱ(20)与连接装置Ⅰ(19)的构成和形状一致，连接装置Ⅱ(20)的两块钢板固定在反力柱(2)上；
所述水平作动器(5)的另一端与拉压力传感器Ⅱ(6)的一端相连，所述拉压力传感器Ⅱ(6)的另一端与试件(15)的上支相连，连接装置与连接装置Ⅱ(20)一致；
所述定位座Ⅰ(17)和定位座Ⅱ(18)形状和结构一致，且位置相对于试件(15)的下支对称；
所述定位座Ⅰ(17)和定位座Ⅱ(18)包括底座、滚轴球铰装置、支撑杆和连接装置，所述滚轴球铰装置位于底座顶部中心处，所述支撑杆一端与滚轴球铰装置相连，支撑杆另一端与连接装置相连，所述连接装置与连接装置Ⅰ(19)形状和结构一致，定位座Ⅰ(17)的连接装置连接在试件(15)的左支上，所述定位座Ⅱ(18)的连接装置连接在试件(15)的右支上，所述定位座Ⅰ(17)和定位座Ⅱ(18)的连接装置的连接位置相对于试件(15)的上下两支对称。
2.采用权利要求1所述的可消除摩擦影响且可对柱轴力进行控制的加载装置的加载方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将试件(15)的纵向端固定在钢板Ⅱ(9)和钢板Ⅲ(10)之间，横向两端分别固定在定位座Ⅰ(17)和定位座Ⅱ(18)的支撑杆上；
2)采用电子测力扳手将钢板Ⅰ(8)和钢板Ⅲ(10)上的螺栓拧紧，通过这种方式施加试验所需的柱轴力；
3)通过水平作动器(5)，对试件施加试验所需的柱顶水平力，并且竖向作动器(3)不施加作用力；
4)在步骤3)完成后，柱轴向力减小或增大时，通过竖向作动器(3)施加压力或拉力，对柱轴向力进行调整，直到拉压力传感器Ⅲ(7)与初始轴力相等。
3.根据权利要求1所述的可消除摩擦影响且可对柱轴力进行控制的加载装置的加载方法，其特征在于：所述试件(15)对于“十”字形中间层中间节点、“├”形中间层边节点和柱子试验同样适用。
4.根据权利要求1所述的可消除摩擦影响且可对柱轴力进行控制的加载装置的加载方法，其特征在于：所述试件(15)的四支横截面对于圆形和T形同样适用。
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