一种适用于面外失稳框架结构的竖向荷载加载装置及方法与流程

【技术领域】

本发明属于荷载试验加载技术领域，涉及一种适用于面外失稳框架结构的竖向荷载加载装置及方法。

背景技术：

在实际结构物或结构模型上，通常利用加载装置对试验对象进行研究，通过量测和试验对象性能有关的各种参数和试验对象的破坏状态，来评定试验对象各种性能的优劣。然而，在实际的操作过程中，会伴随各种加载问题。对于纯框架结构来说，当施加水平荷载时，纯框架的抗面外变形刚度较低，很容易发生面外失稳现象。一般来说，在结构发生面外失稳后，加载试验终止，很少有学者研究结构失稳后的承载力及其他各性能的变化，其中一个主要原因是缺少面外失稳后结构的加载设备。

技术实现要素：

为了弥补在该研究领域的空白，本发明的目的在于提供一种适用于面外失稳框架结构的竖向荷载加载装置及方法，本发明能够对面外失稳后的框架结构进行竖向荷载的施加，能够准确得到竖向荷载值并保持荷载的恒定，弥补了我国在该研究领域的空白，其具有较强的现实应用价值。

为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：

一种适用于面外失稳框架结构的竖向荷载加载装置，包括数据采集系统，以及设置在试件的试件梁下方并与试件所在平面垂直的竖向荷载模拟桁架，试件梁的下部连接有液压千斤顶，液压千斤顶的上端与试件梁的加载点连接，液压千斤顶下端与竖向力的竖向荷载模拟桁架连接，竖向荷载模拟桁架的底部固定设置；液压千斤顶上设有能够读取实时竖向力的大小的力传感器，液压千斤顶与数据采集系统连接。

所述竖向荷载模拟桁架包括v型杆，v型杆顶端向下，自由端向上，液压千斤顶的下端与v型杆顶端连接，v型杆的自由端上均铰接有连杆，连杆下端与固定设置的固定铰铰接，连杆关于v型杆对称。

所述竖向荷载模拟桁架上的固定铰之间连接有加固梁。

所述v型杆的自由端之间连接有加固角钢。

还包括横向梁，所述固定铰固定设置在横向梁的中部，横向梁的两端固定连接有支撑钢框架，支撑钢框架的下端固定于地面上。

所述数据采集系统包括控制器，控制器上连接有油源和电脑，油源通过油管与液压千斤顶连接。

所述液压千斤顶的顶部通过连接头与试件梁的下表面连接。

所述试件梁沿其长度方向具有多个加载点，每个加载点上均连接有液压千斤顶，每个液压千斤顶上均连接有一榀竖向荷载模拟桁架，所有液压千斤顶均与数据采集系统连接。

一种适用于面外失稳框架结构的竖向荷载加载方法：

将适用于面外失稳框架结构的竖向荷载加载装置与试件连接后，通过数据采集系统控制液压千斤顶收缩，液压千斤顶收缩过程中向下拉动试件梁，试件发生面外失稳时，竖向荷载模拟桁架通过变形来使试件梁的受力方向始终竖直向下。

当试件发生面外失稳时，竖向荷载模拟桁架的v型杆与连杆在铰接部发生旋转，连杆与固定铰发生旋转，通过v型杆与连杆之间的旋转以及连杆与固定铰之间的旋转能够释放竖向荷载模拟桁架因试件的面外失稳而产生的扭矩，进而使试件梁的受力方向始终竖直向下。

本发明具有以下有益效果：

本发明的适用于面外失稳框架结构的竖向荷载加载装置通过液压千斤顶进行施加拉力，通过调节数据采集系统对液压千斤顶的供油量可灵活调节液压千斤顶的行程，在加载过程中通过数据采集系统能够实现高精度控制；液压千斤顶下端与能够使试件梁在受竖向力过程中保持承受恒定的竖向力的竖向荷载模拟桁架连接，因此，即使在试件发生面外失稳时，竖向荷载模拟桁架能够同时发生变位，以保持荷载的竖直方向，能够测量结构在面外失稳条件下的性能。本发明测试装置拆卸和组装方便、安全和可靠，使框架试件的受力满足预定要求，弥补了我国在该研究领域的空白，其具有较强的现实应用价值。

进一步，本发明竖向荷载模拟桁架连接的固定铰之间连接有加固梁，保证整体加载装置的稳定性。

进一步，本发明液压千斤顶的顶部通过连接头与试件梁的下表面连接，当试件高度发生变化时，能够用连接头来调整液压千斤顶顶部和试件梁底端接触。

进一步的，本发明的试件梁在沿其长度方向上的每个加载点上均连接有液压千斤顶，每个液压千斤顶上均连接有一榀竖向荷载模拟桁架，所有液压千斤顶均与数据采集系统连接，因此能够达到多个点荷载施加的目的。

【附图说明】

图1是本发明的整体结构立体图；

图2是本发明的正面图；

图3是本发明的数据采集系统示意图；

图4是本发明的实际受力示意图。

其中，1为第一高强螺栓、2为试件、2-1为试件梁、2-3为面外失稳试件、3为支撑钢框架、4为竖向荷载模拟桁架、4-1为v型杆、4-2为连杆、5为第二高强螺栓、6为加固梁、7为可移动铰、8为固定铰、9为横向梁、10为液压千斤顶、11为加固角钢、12为电脑、13为控制器、14为油管、15为油源、16为导线、17为地脚螺栓。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1-图3所示，本发明的适用于面外失稳框架结构的竖向荷载加载装置，包括数据采集系统，以及设置在试件2的试件梁2-1下方并与试件2所在平面垂直的竖向荷载模拟桁架4，试件梁2-1的下部连接有液压千斤顶10，液压千斤顶10的上端与试件梁2-1的加载点连接，液压千斤顶10下端与能够使试件梁2-1在受竖向力过程中保持承受恒定的竖向力的竖向荷载模拟桁架4连接，竖向荷载模拟桁架4的底部固定设置；液压千斤顶10上设有能够读取实时竖向力的大小的力传感器，液压千斤顶10与能够为液压千斤顶10提供动力的数据采集系统连接，数据采集系统包括控制器13，控制器13上连接有油源15和电脑12，油源15通过油管14与液压千斤顶10连接。

如图1和图2，本发明的竖向荷载模拟桁架4包括v型杆4-1，v型杆4-1顶端向下，自由端向上设置，v型杆4-1的自由端之间连接有加固角钢11，液压千斤顶10的下端与v型杆4-1顶端紧密连接，v型杆4-1的自由端上均铰接有连杆4-2，连杆4-2的下端与固定设置的固定铰8铰接，连杆4-2关于v型杆4-1对称，且呈倒v型设置；竖向荷载模拟桁架4连接的固定铰8之间连接有加固梁6，加固梁6与固定铰8焊接，保证整体加载装置的稳定性；固定铰8固定设置在横向梁9的中部，横向梁9的两端固定连接有支撑钢框架3，支撑钢框架3的下端固定于地面上。

本发明的液压千斤顶10的顶部还能够通过连接头与试件梁2-1的下表面连接。

当试验要求多个竖向点荷载时，在试件梁2-1的加载点上安装多榀竖向荷载模拟桁架4及多个液压千斤顶10的方式或采用分配梁的方式分配集中点荷载。

本发明的支撑钢框架3通过地脚螺栓17固定安装在地面上，横向梁9和支撑钢框架3固结，竖向荷载模拟桁架4上连接的固定铰8和横向梁9的顶部通过第二高强螺栓5紧固连接；液压千斤顶10的上端通过第一高强螺栓1与试件2固结，根据试件2的高度变化情况，在液压千斤顶10的顶端连接头，连接头通过高强螺栓1与试件梁2-1连接。

本发明在竖向荷载模拟桁架4上部有两个可移动铰7(即v型杆4-1的端部与连杆4-2的铰接点)，在试件发生面外失稳时，加固梁6保持不动，可移动铰7旋转，竖向荷载模拟桁架44的上部能够发生水平方向的变形，从而保持试件梁2-1上承受的竖直方向力的方向不变。

参考图4，其中实线为试件2原来位置，虚线为试件2发生面外失稳时的变形情况，竖向荷载模拟桁架4如水平实线所示。当试件2发生面外失稳时，竖向荷载模拟桁架的可移动铰发生旋转，竖向荷载模拟桁架4的加固梁6不移动，上部跟随试件发生水平方向的移动，液压千斤顶10对试件2的竖向力方向及大小仍然和最初时相同，因此能够研究框架结构发生面外失稳后结构保持竖向荷载不变时的性能。

本发明的适用于面外失稳框架结构的竖向荷载加载装置的加载方法：

将适用于面外失稳框架结构的竖向荷载加载装置与试件2连接后，通过数据采集系统控制液压千斤顶10收缩，液压千斤顶10收缩过程中向下拉动试件梁2-1，试件2发生面外失稳时，竖向荷载模拟桁架4通过变形来使试件梁2-1的受力方向始终竖直向下。

当试件2发生面外失稳时，竖向荷载模拟桁架4的v型杆4-1与连杆4-2在铰接部发生旋转，连杆4-2与固定铰8发生旋转，通过v型杆4-1与连杆4-2之间的旋转以及连杆4-2与固定铰8之间的旋转能够释放竖向荷载模拟桁架4因试件2的面外失稳而产生的扭矩，进而使试件梁2-1的受力方向始终竖直向下。