专利名称：矩形钢板面内受压试验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及土木工程专业的教学和科研试验装置，特别适合于土木工程结构中矩形受压钢板的力学性能试验。
背景技术：
随着我国国民经济水平的发展，钢结构在我国工程建设中得到了更加广泛的应用。在建筑、桥梁等钢结构中，面内受压是钢板最常见的受力方式。与受拉相比，板件受压除了需考虑强度问题之外，还存在发生屈曲破坏的潜在可能性。单块板件作为钢结构的一个基本元件，其受压力学性能对整个结构的安全起到至关重要的作用，并受初弯曲、开孔率、 加劲肋刚度等因素影响明显。因此，以工程中常见的完善板、开孔板、加劲板、波纹板等矩形板件为对象，开展应力分布、屈曲模态、抗压承载力等力学性能试验成为一种科研需求且具有工程现实意义。另一方面，在日益重视实践教学的背景下，钢板受压模型试验也是结构试验教学的一个重要环节，对于提高学生对专业知识的认知和理解程度有着积极意义。然而，查阅现有文献结果表明，国内外关于钢板力学性能试验的报道甚少，主要原因在于试验装置的设计和实施有较大难度，具体表现为难以合理模拟钢板的边界条件和荷载条件。一般来讲，实际工程中的钢板受到与之垂直的相邻板件约束，处于简支和固定之间的弹性约束状态，科学试验可偏安全的按四边简支考虑。钢板的受力状态则多表现为平面内单轴轴压应力与弯曲应力的叠加，试验加载同样可简化为面内单轴均勻受压。但即便如此，如何在一个试验装置内同时实现这两个简化条件仍然是个棘手的问题。如进一步考虑不同试件参数的批量试验，则更增加了试验装置的复杂程度。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供了一种矩形钢板面内单轴均勻受压试验装置，在一个试验装置内同时实现钢板面内单轴均勻加载和面外四边简支约束条件。为实现上述的目的，本发明所述的一种矩形钢板面内受压试验装置，包括口字型主框架，所述主框架由纵向H型钢和横向H型钢构成，并平放支承在底座H型钢之上；所述底座H型钢上水平放置液压千斤顶；所述千斤顶与钢板试件之间设置导荷刚性块，该刚性块由刚性块夹具固定在主框架的纵向H型钢上；所述纵向H型钢、横向H型钢及导荷刚性块的翼板外侧面设置上部楔形支撑板和下部楔形支撑板；所述纵向H型钢、横向H型钢及导荷刚性块的上方设置盖板，并通过紧固螺栓连接牢固，盖板与上部楔形支撑板之间通过反力螺栓顶紧。所述主框架用纵向H型钢和横向H型钢由螺栓连接而成，主框架支承在两个底座 H型钢之上并与其中之一焊接固定，底座H型钢通过地脚螺栓锚固在地面上。所述H型钢内部设置横向加劲板，以防止H型钢在加载时发生局部屈曲。所述纵向H型钢两端焊接开有螺孔的端板以便与横向H型钢螺栓连接，且型钢腹板和内侧翼缘分别开有条形槽孔和圆孔，供紧固螺栓穿过。
所述主框架内放置液压千斤顶以提供试验加载压力，千斤顶平放于底座H型钢之上。所述千斤顶与钢板试件之间设置导荷刚性块，以使钢板加载边承受均勻压力。所述导荷刚性块与纵向H型钢等高，横向宽度与其两侧楔形支撑板之间的横向间距相等，由上下四个刚性块夹具连接在主框架上，并可利用纵向H型钢腹板上的条形槽孔实现沿加载方向自由滑动。所述刚性块夹具由钢板与圆钢焊接而成，并通过螺栓轻度紧固在主框架纵向H型钢的上、下表面，从而防止导荷刚性块上下移动，采用圆钢接触并轻度紧固的目的是减小刚性块纵向滑动时的摩擦阻力。所述主框架及导荷刚性块在与钢板试件四边对应的部位设置上部和下部楔形支撑板，以实现面外四边简支的约束条件。采用楔形钢板支撑的目的是保证试件与支撑板之间为线接触，同时允许试件在支撑边发生转动。所述楔形支撑板开有多个圆形或矩形螺孔，用来穿过定位螺栓。该螺孔在支撑板楔形侧的一定深度范围(如半板厚)内进行扩孔处理，使紧固后的定位螺栓头部完全位于螺孔以内，从而保证导荷刚性块沿纵向移动时不被螺栓头部阻挡。所述下部楔形支撑板由定位螺栓紧固在主框架及刚性块侧面之后，再沿支撑板底边及两侧边与之焊接牢固，以承受钢板的面外约束力。下部楔形支撑板的固定位置以钢板试件与H型钢腹板大致对齐为准。所述上部楔形支撑板为可拆卸式，同样采用定位螺栓与主框架及刚性块侧面紧固，并利用矩形螺栓孔来实现上下位置调整以适应不同厚度的钢板试件，钢板的面外反力则通过上部楔形支撑板顶部的反力螺栓传递至盖板及主框架。所述盖板通过紧固螺栓固定在主框架纵向H型钢顶面，盖板上开有多个螺纹孔， 并通过拧入反力螺栓将钢板试件的面外反力传递至主框架。所述主框架H型钢、导荷刚性块、楔形支撑板尺寸以及盖板数量均可调整，以满足不同尺寸钢板加载的需要。本发明由H型钢组成口字型主框架，实现加载力在框架内部自平衡，并在刚性主框架上栓接或焊接导荷刚性块、楔形支撑板、盖板等附属部件，实现钢板面内单轴均勻加载和面外四边简支约束条件。与现有技术相比，本发明有益效果是(1)可满足完善板、开孔板、加劲板、波纹板等多种矩形钢板的科学试验要求。(2)试验所施加荷载在主框架内部自平衡，无需另外设置水平反力装置。(3)通过导荷刚性块实现钢板加载边均勻受力。(4)通过楔形支撑板实现钢板面外简支约束，并将上部楔形支撑板设计成可拆卸式，以满足不同厚度钢板的加载要求。(5)通过调整主框架两个纵向H型钢的间距以及导荷刚性块的横向尺寸，可实现不同宽度钢板的加载。(6)通过调整楔形支撑板长度，并利用导荷刚性块的纵向可滑动特性，必要时在千斤顶尾部设置垫块，可实现不同长度钢板的加载。
图1为本发明一实施例装置的平面图；图2为图1的纵断面图；图3为图1所示的A-A横断面图；图4为图1所示的B-B横断面图；图5为本发明一实施例中导荷刚性块的构造图，图b、c是图a中标示的剖面图；图6为本发明一实施例中刚性块夹具的构造图，图b是图a中标示的剖面图；图7为本发明一实施例中楔形支撑板的构造图。图中1-主框架纵向H型钢；2、3_主框架横向H型钢；4、5_主框架底座H型钢； 6-导荷刚性块；7-刚性块夹具；8-上部楔形支撑板；9-下部楔形支撑板；10-盖板；11-加劲板；12-端板；13-地脚螺栓；14-连接螺栓；15-紧固螺栓；16-定位螺栓；17-反力螺栓； 18-垫块；19-液压千斤顶；20-钢板试件；21-紧固螺栓孔；22-定位螺栓孔(圆形)；23-定位螺栓孔(矩形)；24-定位螺栓孔扩孔；25-圆钢。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1-4所示，本实施例提供一种矩形钢板面内受压试验装置，包括口字型主框架，所述主框架由纵向H型钢1和横向H型钢2、3构成，并平放支承在底座H型钢4、5之上；所述底座H型钢5上水平放置液压千斤顶19，千斤顶尾部放置垫块18 ；所述千斤顶19 与钢板试件20之间设置导荷刚性块6，该刚性块由刚性块夹具7固定在主框架的纵向H型钢1上；所述纵向H型钢1、横向H型钢2及导荷刚性块6的翼板外侧面设置上部楔形支撑板8和下部楔形支撑板9 ；所述纵向H型钢1、横向H型钢2及导荷刚性块6的上方设置盖板10，并通过紧固螺栓15连接牢固，盖板10与上部楔形支撑板8之间通过反力螺栓17顶紧。所述纵、横向H型钢内部设置加劲板11，纵向H型钢两端设置端板12，并由连接螺栓14组成口字形主框架，能实现加载力在框架内部自平衡。所述千斤顶19尾部可放置钢垫块18，垫块厚度根据钢板试件长度进行调整。如图5所示，图b、c分别是图a中所标示的剖面图，所述导荷刚性块6由刚性块夹具7上下轻度夹紧在主框架上，将千斤顶荷载均勻传递至钢板试件20加载边，并可利用纵向H型钢腹板上的条形槽孔实现沿加载方向自由滑动。如图6所示，图b是图a中所标示的剖面图。所述刚性块夹具7由圆钢25与钢板焊接而成，采用圆钢接触并轻度紧固以减小导荷刚性块6纵向滑动时的摩擦阻力。如图7所示，所述上、下部楔形支撑板8、9的定位螺栓孔在单侧进行扩孔处理，即定位螺栓孔扩孔M，避免定位螺栓16头部阻碍导荷刚性块6沿纵向移动。所述上部楔形支撑板8为可拆卸式，并通过矩形螺栓孔23上下调整位置，满足不同厚度钢板的加载要求。所述上、下部楔形支撑板8、9为钢板试件20提供面外四边简支约束条件，其中下部楔形支撑板9焊接在主框架上，上部楔形支撑板8则由反力螺栓17和盖板10将面外反力传递至主框架。
所述上部或上部楔形支撑板(8、9)安装完毕之后的横向净间距为钢板试件00) 的计算宽度，钢板试件OO)的实际宽度等于计算宽度加上楔形支撑板厚度，从而保证钢板试件安装到位后的纵向板边超出楔形支撑边每侧为楔形支撑板厚度的一半。所述上部或上部楔形支撑板(8、9)安装完毕之后的纵向净间距为钢板试件OO) 的计算长度，钢板试件OO)的实际长度等于计算长度加上两倍楔形支撑板厚度，从而保证钢板试件安装到位后的横向板边分别与导荷刚性块和横向H型钢顶紧。所述H型钢1、2、3、导荷刚性块6、楔形支撑板8、9尺寸以及盖板10数量均可调整， 以适应不同宽度和长度钢板的试验要求。所述主框架需根据试验设计荷载进行强度验算，验算内容包括纵向H型钢净截面强度、纵向H型钢端板焊缝强度、横向H型钢弯曲强度、导荷刚性块局部受压强度、连接螺栓强度等。本实施例上述装置使用时，按照以下步骤进行(1)将钢板试件作预处理，测量板件的长度、宽度以及厚度。(2)根据(1)中所得数据，选择合适尺寸的主框架H型钢1、2、3及导荷刚性块H型钢6，并初步确定端板12与纵向H型钢1之间的焊缝尺寸以及连接螺栓14的大小和数量。(3)根据试验设计荷载值进行主框架强度验算，必要时调整所选部件的尺寸和数量。(4)在H型钢腹板和内侧翼缘相应位置上开设条形槽孔和圆孔，并在指定位置焊接加劲板11。(5)将下部楔形支撑板9用定位螺栓16固定在纵向H型钢1、横向H型钢2及导荷刚性块6的翼板外侧相应位置，并与之焊接牢固。(6)将纵向H型钢1和横向H型钢2、3由连接螺栓14连接成为口字形主框架。(7)选择合适尺寸的H型钢4、5作为主框架的底座，将主框架平放在底座H型钢之上，并将横向H型钢2与底座H型钢4对齐后焊接牢固，最后用地脚螺栓13将底座H型钢 4与地面固定。注意将底座H型钢5置于液压千斤顶19预定位置的正下方。(8)将液压千斤顶19放置于两个纵向H型钢1之间，并平放在底座H型钢5上。(9)通过刚性块夹具7将导荷刚性块6安装于纵向H型钢1之间，并依据钢板试件 20长度将导荷刚性块6沿纵向移至预定位置，同时选定垫块18厚度并安装就绪。(10)将钢板试件20平放在下部楔形支撑板9之上并定位准确，将导荷刚性块6与试件20的横向加载边顶紧，再将上部楔形支撑板8通过定位螺栓16固定在纵向H型钢1、 横向H型钢2及导荷刚性块6的翼板外侧相应位置，确保上部楔形支撑边与试件上表面自然接触。(11)用紧固螺栓15将盖板10分别固定在纵向H型钢1、横向H型钢2及导荷刚性块6上，在盖板螺孔内拧入反力螺栓16，直至与上部楔形支撑板8顶紧为止。(12)启动液压千斤顶19，开始加载试验。从上述内容可以看出，本发明装置口字形主框架由H型钢经螺栓连接而成，可实现试验荷载内部自平衡。装置在液压千斤顶与钢板加载边之间设置导荷刚性块以实现均勻受压加载，并通过楔形支撑板为试验钢板的四边提供面外简支约束条件。整个试验装置可根据试件大小灵活调整部件尺寸，从而满足不同尺寸钢板的加载要求。该装置使矩形钢板面内均勻受压试验更加方便，同时满足试件的批量试验要求，可应用于土木工程教学和科研试验当中。 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种矩形钢板面内受压试验装置，其特征在于包括口字型主框架，所述主框架由纵向H型钢(1)和横向H型钢(2、3)构成，并平放支承在底座H型钢(4、5)之上；所述底座H 型钢( 上水平放置液压千斤顶(19)；所述千斤顶(19)与钢板试件00)之间设置导荷刚性块(6)，该刚性块由刚性块夹具(7)固定在主框架的纵向H型钢(1)上；所述纵向H型钢 (1)、横向H型钢( 及导荷刚性块(6)的翼板外侧面设置上部楔形支撑板(8)和下部楔形支撑板(9)；所述纵向H型钢(1)、横向H型钢(2)及导荷刚性块(6)的上方设置盖板(10)， 并通过紧固螺栓(1 连接牢固，盖板(10)与上部楔形支撑板(8)之间通过反力螺栓(17) 顶紧。
2.根据权利要求1所述的矩形钢板面内受压试验装置，其特征在于所述纵、横向H型钢内部设置加劲板(11)，纵向H型钢两端设置端板(12)，并由连接螺栓(14)组成口字形主框架，能实现加载力在框架内部自平衡。
3.根据权利要求1所述的矩形钢板面内受压试验装置，其特征在于，所述导荷刚性块 (6)由刚性块夹具(7)上下轻度夹紧在主框架上，将千斤顶(19)荷载均勻传递至钢板试件 (20)加载边，并通过纵向H型钢腹板上的条形槽孔实现沿加载方向自由滑动。
4.根据权利要求3所述的矩形钢板面内受压试验装置，其特征在于，所述导荷刚性块 (6)与纵向H型钢等高，横向宽度与其两侧楔形支撑板之间的横向间距相等，由上下四个刚性块夹具(7)连接在主框架上。
5.根据权利要求1-4任一项所述的矩形钢板面内受压试验装置，其特征在于，所述刚性块夹具⑵由圆钢05)与钢板焊接而成，采用圆钢接触并轻度紧固减小导荷刚性块(6) 纵向滑动时的摩擦阻力。
6.根据权利要求1所述的矩形钢板面内受压试验装置，其特征在于，所述千斤顶(19) 尾部放置钢垫块(18)。
7.根据权利要求1所述的矩形钢板面内受压试验装置，其特征在于，所述上、下部楔形支撑板(8、9)的定位螺栓孔在单侧有定位螺栓孔扩孔(M)，避免定位螺栓(16)头部阻碍导荷刚性块(6)沿纵向移动。
8.根据权利要求1或7所述的矩形钢板面内受压试验装置，其特征在于，所述上部楔形支撑板(8)为可拆卸式，并通过矩形螺栓孔上下调整位置。
9.根据权利要求1或7所述的矩形钢板面内受压试验装置，其特征在于，所述上、下部楔形支撑板(8、9)为钢板试件提供面外四边简支约束条件，其中下部楔形支撑板(9)焊接在主框架上，上部楔形支撑板(8)则由反力螺栓(17)和盖板(10)将面外反力传递至主框^K O
10.根据权利要求9所述的矩形钢板面内受压试验装置，其特征在于，所述上部或上部楔形支撑板(8、9)安装完毕之后的横向净间距为钢板试件00)的计算宽度，钢板试件00) 的实际宽度等于计算宽度加上楔形支撑板厚度，从而保证钢板试件安装到位后的纵向板边超出楔形支撑边每侧为楔形支撑板厚度的一半。
11.根据权利要求9所述的矩形钢板面内受压试验装置，其特征在于，所述上部或上部楔形支撑板(8、9)安装完毕之后的纵向净间距为钢板试件OO)的计算长度，钢板试件OO) 的实际长度等于计算长度加上两倍楔形支撑板厚度，从而保证钢板试件安装到位后的横向板边分别与导荷刚性块和横向H型钢顶紧。
12.根据权利要求1所述的矩形钢板面内受压试验装置，其特征在于，所述H型钢(1、 2、3)、导荷刚性块(6)、楔形支撑板(8、9)尺寸以及盖板(10)数量均可调整。
全文摘要
本发明公开了一种矩形钢板面内受压试验装置，属于土木工程专业试验装置领域。该装置口字形主框架由H型钢经螺栓连接而成，可实现试验荷载内部自平衡。装置在液压千斤顶与钢板加载边之间设置导荷刚性块以实现均匀受压加载，并通过楔形支撑板为试验钢板的四边提供面外简支约束条件。整个试验装置可根据试件大小灵活调整部件尺寸，从而满足不同尺寸钢板的加载要求。该装置使矩形钢板面内均匀受压试验更加方便，同时满足试件的批量试验要求，可应用于土木工程教学和科研试验当中。
文档编号G01N3/12GK102539243SQ201210011780
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者李纯, 王健磊, 程斌, 钱沁 申请人:上海交通大学