一種可用於輕鋼框架梁柱節點受力性能試驗的試驗裝置的製作方法
2024-02-24 02:20:15
本發明涉及一種可用於輕鋼框架梁柱節點受力性能試驗的試驗裝置，屬於建築工程技術領域。
背景技術：
近年來隨著人們對環保節能、住宅產業化的日益重視和我國鋼產量的大幅提高，汙染小、工期短、保溫節能效果良好的裝配式輕鋼結構引起了政府和研究機構的高度關注，越來越多的學者對這種結構的開展了深入的研究。基於輕鋼梁、輕鋼柱的構件層次的研究已經較多，而從構件層次的研究上升到結構層次的研究，梁柱連接節點的受力性能是最關鍵的環節。梁柱連接節點在結構體系中連接著各種構件，起著傳遞荷載、分配荷載的作用，因此梁柱節點的受力性能某種程度上決定著整個結構的受力性能，對梁柱節點的研究也是輕鋼框架結構研究的關鍵。傳統的鋼結構梁柱節點受力性能試驗往往需要在大跨度的結構實驗大廳進行，需要反力牆、地錨螺杆、大型千斤頂和大噸位作動器，以及吊裝試件等物品需要的天車吊，試驗成本較高，周期較長。
和高層及大跨鋼結構梁柱節點試件相比，輕鋼框架梁柱節點具有構件截面小、荷載小、位移小等特點，在研究其受力性能時如果還沿用前述方法，不僅作動器、千斤頂等裝置都難以完全匹配，而且地錨孔的孔距、反力牆的孔距都較大，對小尺寸試件的試驗，所有固定試件的裝置都需要重新定製。本發明提供一種可用於輕鋼框架梁柱節點受力性能試驗的試驗裝置及作法，以解決傳統試驗裝置尺寸過大、試驗成本高、場地要求高等問題。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種可用於輕鋼框架梁柱節點受力性能試驗的試驗裝置及作法，以解決傳統節點試驗裝置佔用空間大、成本高、更換不方便等問題。
為實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
一套可用於輕鋼框架梁柱節點受力性能試驗的試驗裝置，該裝置包括裝置底板(1)、下卡槽(2)、上卡槽(3)、緊固螺栓(4)、上蓋板(5)、底板長槽(6)、側板(7)、夾板(8)、鉸杆(9)、梁柱連接節點試件(10)、力學萬能試驗機(11)。
梁柱連接節點試件(10)為T形試件，試件的上下兩端分別為柱的結構，水平方向為梁的結構。
力學萬能試驗機(11)與裝置底板(1)通過螺栓連接，側板(7)豎直焊接在裝置底板(1)的兩側，梁柱連接節點試件(10)的上下兩端分別通過上蓋板(5)、裝置底板(1)固定，下卡槽(2)設置在裝置底板(1)上，上卡槽(3)設置在上蓋板(5)上，下卡槽(2)和上卡槽(3)的位置相對應；梁柱連接節點試件(10)的上下兩端分別裝入上卡槽(3)、下卡槽(2)內，梁柱連接節點試件(10)與下卡槽(2)、上卡槽(3)通過緊固螺栓(4)緊固；底板長槽(6)設置在裝置底板(1)上，用於改變加載點位置。
夾板(8)設置在梁柱連接節點試件(10)梁端加載處，力學萬能試驗機(11)通過鉸杆(9)與夾板(8)連接。
與萬能試驗機裝配固定的裝置底板(1)設置在試驗裝置的底部，是整個試驗裝置與力學萬能試驗機(11)連接的關鍵部件。裝置底板(1)由Q235鋼或Q345鋼製作，厚度為25mm～35mm，由5～6個直徑為24mm～30mm的螺栓固定在萬能試驗機(11)的加載底板上，力學試驗機的加載底板厚35mm～40mm，具有較大的剛度，能承受較大的豎向荷載，連接在其上的裝置底板為側板(7)及梁柱節點試件(10)提供可靠的支承。
裝配輕鋼框架柱的下卡槽(2)形狀與梁柱節點試件(10)的下端的柱截面相同，為了便於梁柱節點試件(10)的安裝固定，下卡槽(2)的尺寸大於下端的柱截面尺寸，下卡槽(2)沿四邊向外各多出1mm。為了避免加載時對力學萬能試驗機(11)的加載底板造成損壞，下卡槽(2)的深度比裝置底板(1)小10mm左右，應為20mm～25mm，這個深度保證在加載時下卡槽(2)能牢固的對梁柱節點試件(10)的柱下端起到嵌固作用。按照梁柱節點試驗的理論要求，在梁柱節點試件(10)的柱下端被固定在下卡槽(2)後，要形成理論上鉸接的一種機構，試驗裝置的裝配輕鋼框架柱的下卡槽(2)完全符合試驗的理論要求。
上卡槽(3)形狀與梁柱節點試件的柱上端截面相同，為了便於梁柱節點試件(10)從下方傾斜穿進上卡槽(3)，上卡槽(3)的尺寸比柱上端截面尺寸大，上卡槽(3)的四邊向外各多出10mm～15mm。上卡槽(3)的鋼板厚度與下卡槽(2)的深度相同，保證梁柱節點試件的上端、下端都處於鉸接狀態。
固定輕鋼框架柱的緊固螺栓(4)一共有八個，下卡槽(2)處有四個，上卡槽(3)處有四個，緊固螺栓(4)是確保上下卡槽卡緊梁柱節點試件(10)的關鍵措施。由於機械加工裝置時，梁柱節點試件(10)、上卡槽(3)、下卡槽(2)之間的間隙難以避免，而這些間隙在加載時會造成梁柱節點試件(10)的上下柱端出現水平位移，繼而影響到梁端位移的讀數，這是試驗所不允許出現的。在把梁柱節點試件(10)裝入上卡槽(3)、下卡槽(2)中後，蓋上上蓋板(5)，栓入輕鋼框架柱的緊固螺栓(4)後擰緊，確保在加載時，上下柱端處於夾緊的狀態，將可能因為冗餘位移造成的實驗誤差降低到最小限度。
固定輕鋼框架柱的上蓋板(5)是確保梁柱節點試件上端固定和施加軸壓力的關鍵部件。由於上卡槽(3)的尺寸比梁柱節點試件(10)的柱上端每側多出10mm～15mm，如圖2所示，在上蓋板(5)的底部，有個方形的方框狀突起，正好佔據了這多出的10mm～15mm的間隙，在上蓋板(5)蓋上，並用四個螺栓把上蓋板與上卡槽(3)連接固定後，再用四個緊固螺栓(4)擰緊，就使得梁柱節點試件的上端完全被限制了水平位移，而且不限制彎曲，符合理論鉸接的力學模型，達到梁柱節點受力性能試驗的要求。如圖2所示，在上蓋板(5)上方還能夠安裝小型千斤頂或強力彈簧(20kN～80kN)，為柱端施加軸壓力，完全模擬輕鋼柱在工作時候的受力狀態。
用於改變加載點位置的底板長槽(6)是使梁柱連接節點受力性能試驗時改變加載點的關鍵設計。根據試驗目的，梁柱節點試件(10)在需要研究節點區受彎性能時，加載點需要靠近梁端部，如果需要研究節點區受剪性能時，加載點需要移動到梁柱節點根部附近，節點區之外，由於力學萬能試驗機(11)無法移動，而梁柱節點試件(10)又是被固定在試驗裝置上的，只能移動整個試驗裝置來改變加載點的位置，這個移動就要靠用於改變加載點位置的底板長槽(6)來實現，鬆開裝置底板(1)與力學萬能試驗機(11)加載底板之間的螺栓，使整個裝置滑動到設計位置，再擰緊螺栓，即可實現加載點位置的改變。
連接底板與頂板的側板(7)對試驗裝置的整體性起著關鍵的作用。側板下部和裝置底板(1)焊接，上部和上卡槽(3)所在的頂板焊接，側板(7)要有足夠的剛度能保證下卡槽(2)和上卡槽(3)的相對位置，同時側板(7)要有足夠的抗拉能力，在梁端受到較大拉力時，梁柱節點試件(10)會把這個拉力傳給頂板，而頂板需要側板拉著才能保證試驗正常進行。側板(7)的厚度根據豎向荷載的大小選用15mm～25mm之間的值。由於試驗過程需要連接位移傳感器、應變傳感器、力傳感器等連接線，另外還需要觀察節點區的試驗現象，所以在兩個側板中受力不大的區域開了三角形的孔，如圖1所示。
梁端加載的夾板(8)作用是固定梁端，把加載端頭的荷載傳給梁端，因此在梁柱節點試件(10)安裝就位後夾板(8)的上下必須用高強螺杆固定。由於梁端加載時分為拉力和壓力，夾板(8)也就分為兩個工況：向下加載時，上夾板直接作用於梁端頂面，下夾板間的螺杆以及下夾板受力不大；向上加載時，下夾板承彎剪作用，四根螺杆承受軸向拉力。上下夾板(8)的厚度在20～25mm，四根螺杆直徑在14mm～20mm。
加載端頭的鉸杆(9)是把豎向荷載從加載橫梁傳遞到梁端的關鍵部件。鉸杆(9)在加載時有兩個工況：向下加載時，上夾板(8)始終和梁端上表面緊貼並平行，此處鉸杆(9)的轉動角度也隨著梁端豎向位移的增大緩緩變大；向上加載時，鉸杆(9)承受較大的拉力，因此應該一直處於繃直的狀態，即沒有轉角。鉸杆(9)的尺寸應能保證鉸杆淨面積及中間的軸能承受加載橫梁所能施加的最大拉力並確保不產生明顯變形。
梁柱連接節點試件(10)根據試驗目的來設計。輕鋼柱採用正方形截面，輕鋼梁可採用正方形截面或者矩形截面、工字形截面，如果採用工字形截面，為使試件在加載時保持穩定，需要在工字形截面的節點區、加載點處腹板高度設置矩形加勁肋。
力學萬能試驗機(11)是該試驗的加載裝置和測量、操作工具。本裝置所用的力學萬能試驗機為雙絲杆系列，由測量系統、驅動系統、控制系統及電腦組成，具有精度高、調速範圍寬、結構緊湊、操作方便、性能穩定等優點。
本發明涉及一種可用於輕鋼框架梁柱節點受力性能試驗的試驗裝置及作法，其具體作法如下(如圖1所示)：
第一步：分別按照設計尺寸切割出兩塊底板、兩塊側板、一塊頂板、一塊背板的鋼板，精度要求控制在±0.5mm，切割之後在車床上加工出頂板的方形槽；銑出底板上的方形槽以及五條長槽；切割出兩個側板上的三角形槽。
第二步：按照設計的相對位置焊接前述的各塊鋼板，兩塊底板在下，兩塊側板在中間，頂板在上，背板在底板、頂板、和側板之間，兼具加勁肋的作用。焊接時要確保焊縫質量不低於B級，各焊縫寬度和長度要滿足現行《鋼結構設計規範》的要求。頂板與側板、底板與側板要加小型加勁肋，厚度10mm，高和長尺寸不超過50mm。
第三步：先根據設計方案，把裝置用24～30mm的螺栓安裝固定在力學萬能試驗機的加載底板上，調整好前後位置。然後在力學萬能試驗機的加載橫梁上安裝力傳感器、連接豎軸、鉸杆、上夾板。
第四步：安裝梁柱連接節點試件，安裝時先傾斜試件，將試件的柱上端從上卡槽中自下而上穿出，然後向上抬升試件，待試件下端柱底落入底板上的下卡槽，然後擰緊上下卡槽中的八個緊固螺栓，將上蓋板與上卡槽對齊，蓋上上蓋板，設置好加軸壓的設備，用螺栓將上蓋板固定在頂板上。
第五步：連接應變傳感器、位移傳感器、力傳感器的各種線。用上夾板和下夾板將梁柱連接節點試件夾緊。調試各種傳感器，開始加載和數據採集。
與現有技術相比，本發明的可用於輕鋼框架梁柱節點受力性能試驗的試驗裝置，具有以下優勢：
(1)成本低：本發明包含新型的梁柱節點受力性能試驗裝置為15～35mm厚的鋼板經過切割、銑削、焊接、噴漆等工序製成，一套裝置的成本低於1500元(不含力學萬能試驗機)。而傳統的梁柱連接節點受力性能依賴反力牆、地錨孔、地錨螺栓、側限裝置、水平作動器、吊車等大型試驗室設備，費用達5000元以上。
(2)硬體要求不高，容易推廣：目前工程中用的鋼結構梁柱節點種類較多，很多缺乏較系統的力學性能研究，而傳統的梁柱節點受力性能試驗需要有天車吊的結構試驗大廳和反力牆等大型試驗設備，很多高校和研究機構難以做到。而本發明所述的試驗裝置可以在力學萬能試驗機上實施試驗，屬於小型試驗設備，更加容易推廣。
(3)加載簡單，數據採集精確：加載採用力學萬能試驗機的電腦控制，加載速度有很多檔位，可以精確控制，數據採集設備可以使用百分表、拉線位移傳感器、普通位移傳感器、精細數據採集系統等，繪製出的荷載位移曲線較為精細，試驗效果較好。而傳統的大型梁柱節點試驗設備採用油泵控制，由於荷載較大，精度相對較差，數據採集頻率較低。
(4)操作方便：
與傳統的梁柱節點受力試驗相比，本試驗裝置體積小，安裝、拆卸試件、接線、採集、布置測量工具等環節的工作量均有所降低，加快了換件所用的時間，提高了工作效率，而且傳統梁柱節點受力性能試驗所能實現的數據採集、柱端加軸壓、荷載位移曲線的繪製等功能都可以實現，是一種值得推廣的新型高效試驗裝置。
附圖說明
圖1是一種可用於輕鋼框架梁柱節點受力性能試驗的試驗裝置的立體示意圖；
圖2是可以在柱頂施加軸壓力的多功能蓋板的立體示意圖；
圖3是本發明的試驗裝置安裝到力學萬能試驗機上後進行加載的的工作示意圖一
圖4是本發明的試驗裝置安裝到力學萬能試驗機上後進行加載的的工作示意圖二。
圖中：1、與萬能試驗機裝配固定的裝置底板，2、裝配輕鋼框架柱的下卡槽，3、上卡槽，4、固定輕鋼框架柱的緊固螺栓，5、固定輕鋼框架柱的上蓋板，6、用於改變加載點位置的底板長槽，7、連接底板與頂板的側板，8、梁端加載的夾板，9、加載端頭的鉸杆，10、梁柱連接節點試件，11、力學萬能試驗機。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明做進一步說明。
如圖1所示，一種可用於輕鋼框架梁柱節點受力性能試驗的試驗裝置，該裝置包括與萬能試驗機裝配固定的裝置底板(1)、裝配輕鋼框架柱的下卡槽(2)、上卡槽(3)、固定輕鋼框架柱的緊固螺栓(4)、固定輕鋼框架柱的上蓋板(5)、用於改變加載點位置的底板長槽(6)、連接底板與頂板的側板(7)、梁端加載的夾板(8)、加載端頭的鉸杆(9)、梁柱連接節點試件(10)、力學萬能試驗機(11)。該試驗裝置由15～35mm厚的鋼板經過切割、銑削、焊接、噴漆等工序製成，可採用Q235或Q345鋼板，各部分的加工精度應保持在±0.5mm以內。裝置底板與力學萬能試驗機的加載底板一起應能承受不小於100kN的豎向壓力而不發生明顯變形，側板應能承受不小於100kN的豎向拉力而不發生明顯變形。側板與底板、側板與頂板的焊縫應能承受不小於100kN的拉力而不至產生明顯拉伸變形。裝置頂板應能承受梁柱節點試件的向上不小於100kN的頂升的荷載而不至產生明顯的彎曲變形。按照鋼材密度7800kg/m3估算，整個裝置的重量大約在200kg以內。由於底板、側板、頂板的鋼材都具有較大的厚度(20～35mm)和較大的剛度，而輕鋼框架的梁柱構件的鋼材一般厚度僅為4～8mm，因此整個實驗裝置能較有效的約束梁柱節點試件的上下位移，而上下卡槽和卡槽上的水平緊固螺栓又能較好的約束梁柱節點試件的水平位移，整個約束符合梁柱節點受力性能試驗需要的「上下限制水平及豎向位移、鉸接、不限制彎曲、加軸壓」等的力學條件；而萬能力學試驗機的加載橫梁上下往復運動所施加在梁端上的荷載又能滿足梁柱節點受力性能試驗需要的「低周反覆試驗加載「的加載制度；在試件安裝就位後，可以在加載端頭的鉸杆上端安裝力傳感器來實時測量加在梁柱節點試件梁端的豎向力的數值及變化，可以在試件上布置應變片、百分表、位移傳感器等工具來測量梁柱節點試件在荷載下的變形，從而得出梁柱節點試件的受力性能的真實參數，對其進行分析、研究，研究其受力機理和力學模型，為梁柱節點型式的設計和應用提供依據。
以上是本發明的一個典型實施例，本發明的實施不限於此。