一種用於結構構件三維獨立加載的試驗裝置及方法與流程
2024-02-24 02:28:15
本發明涉及一種用於結構構件的加載方法及裝置，尤其是涉及一種用於結構構件模擬雙向側向力和軸向力和位移的加載方法及裝置。
背景技術：
在土木工程領域，常常需要進行複雜結構及構件的實驗研究。特別重要的是針對承受豎向力及側向力的構件，如結構柱、承重牆體等關鍵構件在地震作用下的力學性能的實驗研究。
進行結構及構件的地震模擬加載時，需要同時模擬側向力和由重力引起的軸向力。軸向力的施加主要通過三種方法實現：(1)用千斤頂張拉固定於結構構件兩端的高強螺栓或拉杆向結構構件模型施加軸向力；(2)設置加載框架，將千斤頂置於結構構件端部與加載框架之間來施加軸向力，千斤頂的一端與結構構件端部鉸接，另一端與加載框架鉸接，在側向力(水平力)作用下結構構件端部移動時，千斤頂隨之擺動；(3)類似前述方法(2)，但在結構構件端部與千斤頂之間或千斤頂端部與加載框架之間設置滑動軸承機構，在側向力(水平力)作用下結構構件端部移動時，千斤頂保持方向不變。
這些既有方法的缺陷為：第一種方法和第二種方法在加載時，軸向加載的千斤頂或拉杆隨側向加載而改變方向，因而產生側向加載分量，該分量隨水平加載位移的變化而變化，量測構件所承受的側向力時須對其進行修正；在第三種方法中，構件所承受的實際側向力也須從施加的側向力中扣除摩擦力才能獲得，而且由於摩擦力的存在使得加載裝置千斤頂受到側向力作用產生彎曲，有可能損壞千斤頂。總之，在這些加載方法中，施加給構件的實際側向力都不能被直接測得，必須通過修正施加的側向力間接獲得，由此增加了試驗分析的難度，降低了測試結果的可信度，並隨著試驗構件尺寸的增大而愈加嚴重。只有發明人的專利(201110264595.8)針對這些問題提出了一種解決方案，但該方案只針對雙向加載，無法進行三向地震力模擬實驗。該方法採用了豎向雙鉸連杆支撐加載架，水平加載時，加載架下面的連杆圍繞下端的鉸旋轉，因此加載架實際上是在進行弧線平動，與水平位移的同時在其豎向也必定產生位移，從而增加了軸向力加載的控制難度。此外，連杆在零位垂直狀態屬於不穩定平衡態。實際地震力是三向作用，包含兩個水平方向和一個豎向，其模擬更為複雜，目前未見有相應的解決方法。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有技術存在的上述不足，提供一種能夠兩個側向相互垂直的且軸向方向獨立實施的、並能直接測得施加到結構構件模型的三個方向的力、又能保證測試結果是可信的加載裝置及方法。
本發明採用的技術方案為：一種用於結構構件三維獨立加載的試驗裝置，包括用於側向力加載的加載架、用於軸向力加載的剛性蓋板、反力基礎；試驗用的結構構件下部固定在反力基礎上，上部與剛性蓋板相連；
所述加載架通過低阻力滑動軸承支座與反力基礎連接，加載架由與側向力平行的雙向水平部件和與軸向力平行的豎向部件一、豎向部件二固定連接而成；
所述水平部件上面設置有對結構構件施加軸向力的千斤頂一，其可隨側向加載架平動並保持豎直向下，千斤頂一內置測量結構構件所承受的軸向力的傳感器，千斤頂一上部與剛性蓋板連接；
所述豎向部件一與反力基礎之間設有側向力加載用的千斤頂二，豎向部件一與剛性蓋板之間設有向結構構件傳遞側向力並測量結構構件所承受的側向力的力傳感器一；
所述豎向部件二與反力基礎之間設有側向力加載用的千斤頂三，豎向部件二與剛性蓋板之間設有向結構構件傳遞側向力並直接測量結構構件所承受的側向力的力傳感器二。
作為優選，所述千斤頂一、千斤頂二、千斤頂三均為電動控制液壓式千斤頂。
一種採用上述用於結構構件三維獨立加載的試驗裝置的試驗方法，包括以下步驟：
1)將試驗用的結構構件固定在反力基礎上，再將軸向力加載系統的千斤頂一安裝在結構構件的加力端剛性蓋板與可隨結構構件側向移動的加載架的水平部件之間，通過千斤頂一對結構構件施加軸向力，軸向力及相應的軸線變形通過設在千斤頂一內的測力及測變形傳感器直接測得；
2)兩個相互垂直方向的側向力先通過千斤頂二與千斤頂三施加在加載架的豎向部件一、豎向部件二上，再通過設置在加載架的豎向部件一、豎向部件二和剛性蓋板之間的力傳感器一與力傳感器二來向結構構件施加，側向力通過力傳感器一與力傳感器二直接測得。
本發明在加載時，將兩個方向的側向力加載和軸向力加載分離，軸向力加載因為通過了一個可以隨側向加載而移動的加載架施加，其方向在側向力加載過程中保持不變，從而更為真實的模擬軸力或豎向重力作用，並且能直接測得施加給結構構件的實際側向力及軸向力，為結構模型實驗提供更為可靠的加載方法及裝置。
有益效果：本發明加載裝置為雙向側向力加載和軸向力加載相互分離，獨立控制加載的試驗裝置，其能直接測得施加給結構構件的實際側向力和軸向力，提高測試精度，並能更準確地模擬地震對結構構件的作用及其動力反應。
附圖說明
圖1是本發明用於結構構件三維獨立加載的試驗裝置的結構示意圖。
附圖中：1、加載架，2、結構構件，3、反力基礎，4、低阻力滑動軸承支座，5、千斤頂一，6、剛性蓋板，7、千斤頂二，8、千斤頂三，9、力傳感器一，10、力傳感器二，1-1、水平部件，1-2、豎向部件一，1-3、豎向部件二。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。
如圖1所示：一種用於結構構件三維獨立加載的試驗裝置，包括用於側向力加載的加載架1、用於軸向力加載的剛性蓋板6、反力基礎3；試驗用的結構構件2下部固定在反力基礎3上，上部與剛性蓋板6相連；
所述加載架1通過低阻力滑動軸承支座4與反力基礎3連接，加載架1由與側向力平行的雙向水平部件1-1和與軸向力平行的豎向部件一1-2、豎向部件二1-3固定連接而成；
所述水平部件1-1上面設置有對結構構件2施加軸向力的千斤頂一5，其可隨側向加載架平動並保持豎直向下，千斤頂一5內置測量結構構件2所承受的軸向力的傳感器，千斤頂一5上部與剛性蓋板6連接；
所述豎向部件一1-2與反力基礎3之間設有側向力加載用的千斤頂二7，豎向部件一1-2與剛性蓋板6之間設有向結構構件2傳遞側向力並測量結構構件2所承受的側向力的力傳感器一9；
所述豎向部件二1-3與反力基礎3之間設有側向力加載用的千斤頂三8，豎向部件二1-3與剛性蓋板6之間設有向結構構件2傳遞側向力並直接測量結構構件2所承受的側向力的力傳感器二10。
所述千斤頂一5、千斤頂二7、千斤頂三8均為電動控制液壓式千斤頂。
所述與軸向力平行的加載架的豎向部件一1-2或豎向部件二1-3可模擬兩個相互垂直方向的側向力的加載與扭轉。
一種採用上述用於結構構件三維獨立加載的試驗裝置的試驗方法，包括以下步驟：
1)將試驗用的結構構件2固定在反力基礎3上，再將軸向力加載系統的千斤頂一5安裝在結構構件2的加力端剛性蓋板6與可隨結構構件2側向移動的加載架1的水平部件1-1之間，通過千斤頂一5對結構構件2施加軸向力，軸向力及相應的軸線變形通過設在千斤頂一5內的測力及測變形傳感器直接測得；
2)兩個相互垂直方向的側向力先通過千斤頂二7與千斤頂三8施加在加載架1的豎向部件一1-2、豎向部件二1-3上，再通過設置在加載架1的豎向部件一1-2、豎向部件二1-3和剛性蓋板6之間的力傳感器一9與力傳感器二10來向結構構件2施加，側向力通過力傳感器一9與力傳感器二10直接測得。
以上結合附圖對本發明的實施方式做出詳細說明，但本發明不局限於所描述的實施方式。對本領域的普通技術人員而言，在本發明的原理和技術思想的範圍內，對這些實施方式進行多種變化、修改、替換和變形仍落入本發明的保護範圍內。