研究结构用杆件压‑弯‑扭滞回性能的试验装置与方法与流程

本发明属于结构工程领域，尤其涉及一种用于研究结构用杆件压-弯-扭滞回性能的试验装置与方法。

背景技术：
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结构用杆件在实际工程中往往处于压、弯、扭等复杂受力状态下，而现有的研究结构用杆件的试验装置大多数只考虑单一受力状态下杆件的力学性能，比如只对杆件施加扭力荷载来研究杆件的扭转性能，其不能真实的模拟杆件的受力状态，同时在进行试验的过程中不能保证扭力力矩在整个加载过程中为定值，未能很好的实现杆件端部的真正嵌固，也无法克服相关摩擦力对试验效果的影响，因此，会造成试验结果的准确性不够，给结构用杆件的相关研究工作带来了不便。

技术实现要素：
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针对现有技术的不足，本发明提供一种研究结构用杆件在轴力、弯矩和扭矩共同作用下的滞回性能的试验装置及方法。

本发明采用如下技术方案：提供一种研究结构用杆件压-弯-扭滞回性能的试验装置，包括固定座、杆件嵌固机构、扭转轴、扇形加载力臂、悬挂加载组件、测量组件和固定在一底座上的扭转轴支撑架，杆件通过所述杆件嵌固机构水平固定在所述固定座上，所述扭转轴安装在所述扭转轴支撑架上，所述扇形加载力臂与所述扭转轴的一端垂直焊接后与杆件连接，所述扇形加载力臂的回转中心位于所述扭转轴的轴线上，所述扭转轴的轴线与杆件的轴线重合，所述扭转轴的另一端设有轴力千斤顶，在杆件的上方竖向设置有侧向力千斤顶，所述轴力千斤顶和所述侧向力千斤顶上均设有荷载传感器；

所述悬挂加载组件包括对称悬挂于所述扇形加载力臂两端的第一钢丝绳和第二钢丝绳，所述第一钢丝绳末端配装有第一扭力千斤顶，所述第二钢丝绳末端配装有第二扭力千斤顶，所述第一扭力千斤顶与所述第二扭力千斤顶上均设有荷载传感器；

所述测量组件包括固定在底座上且位于所述扭转轴两侧对称的第一位移计和第二位移计，所述第一位移计和所述第二位移计的指针均连接有细钢丝，所述细钢丝的另一端均与所述扭转轴连接，所述细钢丝与所述扭转轴相切；所述第一位移计与所述第一扭力千斤顶位于所述扭转轴的同一侧，所述第二位移计与所述第二扭力千斤顶位于所述扭转轴的另一侧。

所述杆件嵌固机构包括第一嵌固组件和第二嵌固组件，所述第一嵌固组件和所述第二嵌固组件均由定位框和多个定位螺杆组成，杆件的两端分别置于所述定位框内，所述定位螺杆穿过所述定位框上对应设置的螺纹定位孔顶紧杆件外侧壁，所述第一嵌固组件固定在所述固定座上。

所述扭转轴支撑架与所述扭转轴之间设有转轴滚动支座以支撑所述扭转轴。

所述轴力千斤顶与所述扭转轴之间设置有承压轴承。

所述侧向力千斤顶与杆件之间设置有侧向荷载滚动支座，所述侧向荷载滚动支座由刚性垫块、滚珠和滚珠槽组成，所述侧向力千斤顶作用在所述刚性垫块上。

所述扇形加载力臂外边缘设有凹槽，所述第一钢丝绳和所述第二钢丝绳的一端均缠绕固定于所述凹槽内。

所述第一钢丝绳所在的直线穿过所述第一扭力千斤顶的中心，所述第二钢丝绳所在的直线穿过所述第二扭力千斤顶的中心。

所述固定座所在的平面与所述底座所在的平面相互垂直。

本发明还提供一种研究结构用杆件压-弯-扭滞回性能的方法，利用上述装置实现，包括以下步骤：

步骤一、装置组装：杆件通过杆件嵌固机构固定在固定座上；将杆件、扭转轴、扇形加载力臂、悬挂加载组件、测量组件、扭转轴支撑架、底座、侧向力千斤顶、轴力千斤顶、第一扭力千斤顶、第二扭力千斤顶、多个荷载传感器按照权利要求1所述的试验装置的结构进行组装，其中第一扭力千斤顶和第二扭力千斤顶均调到最大量程；

步骤二、通过轴力千斤顶对杆件施加轴向荷载至特定值，并保持轴向荷载不变，再通过侧向力千斤顶对杆件施加侧向力荷载至特定值，并保持侧向力荷载不变；然后通过悬臂加载组件对杆件施加扭力往复荷载，施加扭力往复荷载采用荷载-位移双控制法，即：先对杆件进行荷载控制加载，再对杆件进行位移控制加载，直至杆件发生破坏；

在对杆件进行荷载控制加载过程中，荷载等级根据试验需求人为设定，每个荷载等级具体加载过程为：第一步、将第一扭力千斤顶与第一钢丝绳末端连接，通过第一扭力千斤顶对杆件施加扭力荷载，使杆件转动，至扭力荷载达到该荷载等级的设定值，之后卸载扭力荷载至0，然后断开第一钢丝绳与第一扭力千斤顶的连接，此过程由第二位移计记录扭转轴转过的弧长；第二步、将第二扭力千斤顶与第二钢丝绳末端连接，通过第二扭力千斤顶对杆件施加扭力荷载，使杆件转动，至扭力荷载达到该荷载等级的设定值，之后卸载扭力荷载至0，然后断开第二钢丝绳与第二扭力千斤顶的连接，此过程由第一位移计记录扭转轴转过的弧长；该荷载等级的重复加载次数根据实验需求设定，即重复操作此过程的第一步和第二步；

在对杆件进行位移控制加载过程中，位移等级根据试验需求人为设定，每个位移等级具体加载过程为：第一步、将第一扭力千斤顶与第一钢丝绳末端连接，通过第一扭力千斤顶对杆件施加扭力荷载，使杆件转动，至扭力位移达到该位移等级的设定值，之后卸载扭力荷载至0，然后断开第一钢丝绳与第一扭力千斤顶的连接，此过程由第二位移计观察扭力位移；第二步、将第二扭力千斤顶与第二钢丝绳末端连接，通过第二扭力千斤顶对杆件施加扭力荷载，使杆件转动，至扭力荷载达到该位移等级的设定值，之后卸载扭力荷载至0，然后断开第二钢丝绳与第二扭力千斤顶的连接，此过程由第一位移计观察扭力位移；该位移等级的重复加载次数根据实验需求设定，即重复操作此过程的第一步和第二步；

步骤三、绘制扭力P-扭转角θ曲线：

计算扭转角：

θ＝180·l/(πr₁) ①

公式①中，θ表示杆件扭转角；l表示扭转轴转过的弧长，是由第一位移计和第二位移计记录的数据；r₁表示扭转轴的半径；

扭力P为第一扭力千斤顶和第二扭力千斤顶上的荷载传感器记录的数据。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明可同时对杆件施加轴压作用、弯矩作用和扭矩作用，能够真实模拟结构用杆件在实际工程中的复杂受力状态，对结构用杆件的设计和研究提供了有力支持；

(2)所述扇形加载力臂为对称式结构，所述第一钢丝绳和所述第二钢丝绳对称悬挂于所述扇形加载力臂的两端，在对杆件施加往复扭力荷载过程中，扭力力臂保持不变，可提高试验的准确性；

(3)所述杆件嵌固机构包括第一嵌固组件和第二嵌固组件，所述第一嵌固组件和所述第二嵌固组件均由定位框和多个定位螺杆组成，杆件的两端分别置于所述定位框内，所述定位螺杆穿过所述定位框上对应设置的螺纹定位孔顶紧杆件外侧壁，可实现对杆件的真正嵌固；

(4)所述扭转轴与所述扭转轴支撑架之间采用转轴滚动支座、所述杆件与所述侧向力千斤顶之间采用侧向荷载滚动支座，扭转轴与轴力千斤顶之间设有承压轴承，减小杆件变形过程中产生的摩擦力，提高了试验的准确性。

附图说明：

图1为本发明实施例提供的研究结构用杆件压-弯-扭滞回性能的试验装置的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1所示的第一嵌固组件和第二嵌固组件的结构示意图；

图4为图2所示的转轴滚动支座的结构示意图；

图5为图1所示的侧向荷载滚动支座结构示意图；

本实施例中：1-固定座；2-扭转轴；3-扇形加载力臂；4-底座；5-扭转轴支撑架；6-第一嵌固组件；7-第二嵌固组件；8-定位框；9-定位螺杆；10-杆件；11-转轴滚动支座；12-轴力千斤顶；13-承压轴承；14-侧向力千斤顶；15-刚性垫块；16-滚珠；17-滚珠槽；18-第一钢丝绳；19-第二钢丝绳；20-第一扭力千斤顶；21-第二扭力千斤顶；22-荷载传感器；231-第一位移计；232-第二位移计；24-细钢丝。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1和图2所示，本发明提供的一种研究结构用杆件压-弯-扭滞回性能的试验装置，包括固定座1、杆件嵌固机构、扭转轴2、扇形加载力臂3、悬挂加载组件、测量组件和固定在一底座4上的扭转轴支撑架5。

如图1和图3所示，所述固定座1位于竖直平面内，所述底座4位于水平面内，所述杆件嵌固机构包括一第一嵌固组件6和一第二嵌固组件7，所述第一嵌固组件6和所述第二嵌固组件7均由定位框8和多个定位螺杆9组成，杆件10水平放置，其两端分别插入所述定位框8内，所述定位螺杆9穿过所述定位框8的四周顶紧杆件10两端，所述第一嵌固组件6固定在所述固定座1上。

所述扭转轴2水平安装在所述扭转轴支撑架5上，进一步地，如图1、图2和图4所示，所述扭转轴支撑架5与所述扭转轴2之间设有转轴滚动支座11，用于支撑所述扭转轴2；所述扭转轴2的一端与所述扇形加载力臂3垂直焊接，之后与杆件10组装，所述扇形加载力臂3位于竖直平面内，且在竖直方向上为对称式结构，所述扇形加载力臂3的回转中心位于所述扭转轴2的轴线上，所述扭转轴2的轴线与杆件10的轴线重合，所述扭转轴2的另一端设有轴力千斤顶12，所述轴力千斤顶12与所述扭转轴2之间设有承压轴承13。

如图1和图5所示，在杆件10的上方设有侧向力千斤顶14，所述侧向力千斤顶14与杆件10之间设置有侧向荷载滚动支座，所述侧向荷载滚动支座由刚性垫块15、滚珠16和滚珠槽17组成，所述侧向力千斤顶14作用在所述刚性垫块15上。所述侧向力千斤顶14和所述轴力千斤顶12均连接有荷载传感器(未图示)，利于对杆件10施加特定值的轴向荷载和侧向力荷载，并保持不变。

如图1所示，所述悬挂加载组件包括对称悬挂于所述扇形加载力臂3两端的第一钢丝绳18和第二钢丝绳19，所述第一钢丝绳18末端配装有第一扭力千斤顶20，所述第二钢丝绳19末端配装有第二扭力千斤顶21，所述第一扭力千斤顶20与所述第二扭力千斤顶21上均设有荷载传感器22。所述第一钢丝绳18所在的直线穿过所述第一扭力千斤顶20的中心，所述第二钢丝绳19所在的直线穿过所述第二扭力千斤顶21的中心。进一步地，所述扇形加载力臂3外边缘设有凹槽，所述第一钢丝绳18和所述第二钢丝绳19的一端均缠绕固定于所述凹槽内。

如图1和图2所示，所述测量组件包括固定在底座4上且位于所述扭转轴2两侧对称的第一位移计231和第二位移计232，所述第一位移计231和所述第二位移计232的指针均连接有细钢丝24，所述细钢丝24的另一端均与所述扭转轴2连接，所述细钢丝24与所述扭转轴2相切。

所述第一位移计231与所述第一扭力千斤顶20、所述第一钢丝绳18位于所述扭转轴2的同一侧，所述第二位移计232与所述第二扭力千斤顶21、所述第二钢丝绳19位于所述扭转轴2的另一侧。

实施例：

采用上述的试验装置，根据本发明提出的试验方法，对一种圆形钢管混凝土进行压-弯-扭滞回性能试验，试验设定了对圆形钢管混凝土施加往复扭力荷载过程中，进行荷载控制加载过程的荷载等级，此实施例中依次设定了三个荷载等级：0.25Pu荷载等级、0.5Pu荷载等级、0.7Pu荷载等级，其中Pu为静载试验的极限承载力；依次设定了进行位移控制加载过程的位移等级，此实施例中设定了七个位移等级：1Δ_y，1.5Δ_y，2Δ_y，3Δ_y，5Δ_y，7Δ_y，8Δ_y，其中Δ_y＝Pu/Ksec，Ksec为荷载达打破0.7Pu时的荷载-变形曲线的割线刚度。

圆形钢管混凝土通过杆件嵌固机构固定在所述固定座上；将圆形钢管混凝土、扭转轴、扇形加载力臂、悬挂加载组件、测量组件、扭转轴支撑架、底座、侧向力千斤顶、轴力千斤顶、第一扭力千斤顶、第二扭力千斤顶、多个荷载传感器按照所述的试验装置的结构进行组装，其中第一扭力千斤顶和第二扭力千斤顶均调到最大量程；通过轴力千斤顶对圆形钢管混凝土施加轴向荷载至特定值，并保持轴向荷载不变，再通过侧向力千斤顶对圆形钢管混凝土施加侧向力荷载至特定值，并保持侧向力荷载不变；然后通过悬臂加载组件对圆形钢管混凝土施加扭力往复荷载，先对圆形钢管混凝土进行荷载控制加载，进行0.25Pu荷载等级的加载：第一步，将第一扭力千斤顶与第一钢丝绳末端连接，通过第一扭力千斤顶对圆形钢管混凝土施加扭力荷载，使圆形钢管混凝土转动，至扭力荷载达到0.25Pu，之后卸载扭力荷载至0，然后断开第一钢丝绳与第一扭力千斤顶的连接，此过程由第二位移计记录扭转轴转过的弧长，第二步，将第二扭力千斤顶与第二钢丝绳末端连接，通过第二扭力千斤顶对圆形钢管混凝土施加扭力荷载，使圆形钢管混凝土转动，至扭力荷载达到0.25Pu，之后卸载扭力荷载至0，然后断开第二钢丝绳与第二扭力千斤顶的连接，此过程由第一位移计记录扭转轴转过的弧长；再重复一次此荷载等级的加载过程；继续进行0.5Pu荷载等级的加载，其与0.25Pu荷载等级的加载方式一致，只是相应的把加载过程中扭力荷载达到的值换成0.5Pu，也再重复一次0.5Pu荷载等级的加载过程；继续进行0.7Pu荷载等级的加载，其与0.25Pu荷载等级的加载方式一致，只是相应的把加载过程中扭力荷载达到的值换成0.7Pu，也再重复一次0.7Pu荷载等级的加载过程。

之后，继续对所述圆形钢管混凝土进行位移控制加载：进行1Δ_y位移等级的加载，第一步，将第一扭力千斤顶与第一钢丝绳末端连接，通过第一扭力千斤顶对圆形钢管混凝土施加扭力荷载，使圆形钢管混凝土转动，至扭力位移达到1Δ_y，之后卸载扭力荷载至0，然后断开第一钢丝绳与第一扭力千斤顶的连接，此过程由第二位移计观察扭力位移，第二步，将第二扭力千斤顶与第二钢丝绳末端连接，通过第二扭力千斤顶对圆形钢管混凝土施加扭力荷载，使圆形钢管混凝土转动，至扭力荷载达到1Δ_y，之后卸载扭力荷载至0，然后断开第二钢丝绳与第二扭力千斤顶的连接，此过程由第一位移计观察扭力位移；再重复两次此位移等级的加载过程；继续进行1.5Δ_y位移等级的加载，其与1Δ_y位移等级的加载方式一致，只是相应的把加载过程中扭力位移达到的值换成1.5Δ_y，也再重复两次1.5Δ_y位移等级的加载；继续进行2Δ_y位移等级的加载，其与1Δ_y位移等级的加载方式一致，只是相应的把加载过程中扭力位移达到的值换成2Δ_y，也再重复两次2Δ_y位移等级的加载；继续进行3Δ_y位移等级的加载，其与1Δ_y位移等级的加载方式一致，只是相应的把加载过程中扭力位移达到的值换成3Δ_y，再重复一次3Δ_y位移等级的加载，在此次重复的3Δ_y位移等级加载过程中，圆杆件结构破坏，因此试验结束。

根据试验过程中第一位移计、第二位移计、第一扭力千斤顶、第二扭力千斤顶记录的数据，绘制出扭力P-扭转角θ曲线：

计算扭转角：

θ＝180·l/(πr₁) ①

公式①中，θ表示圆形钢管混凝土扭转角；l表示扭转轴转过的弧长，是由第一位移计和第二位移计记录的数据；r₁表示扭转轴的半径；

扭力P为第一扭力千斤顶和第二扭力千斤顶上的荷载传感器记录的数据。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。