一种自动式双向反力架的制作方法

本发明属于结构试验技术领域，具体涉及一种自动式双向反力架。

背景技术：

在结构工程领域的教学和科研试验中，反力架是常备装置，能够为试验试件提供外加荷载和约束反力。目前运用最多的反力架，一般由立柱，主梁和加载梁构成，具有足够的强度、刚度和稳定性以及具备操作简单，结构传力简洁等特点。但是传统的反力架系统仍存在以下缺点：

第一、传统反力架仅通过锚栓或螺栓与实验室的反力地槽固定，其抗侧向作用力较弱，不能确保试验试件在加载过程保持平面稳定。然而立柱的侧移会影响试验试件的破坏形式，对试验数据产生较大的影响；

第二、传统的反力架由于主梁和加载梁的质量较大，所以在调整其位置时难度较大而且繁琐；

第三、传统的反力架立柱和梁之间通常采用普通螺栓连接，其强度和稳定性较弱，在动荷载的作用下安全性差，并且拆卸繁琐；

第四、传统的反力架功能较为单一，通常只能做竖向荷载试验或者水平荷载试验，往往不能满足两个方向上的试验要求，或是提供的水平荷载承载力不够。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种自动式双向反力架，提高反力架的强度、整体稳定性以及灵活性，确保在静荷载和动荷载作用下的安全性，并可以进行水平和竖向两个方向的加载。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种自动式双向反力架，所述自动式双向反力架包括立柱、与立柱连接的主梁、以及连接在主梁上的加载梁，其中，

所述立柱的内部设有连接机构，所述主梁的内部连接有支撑杆，并通过该支撑杆与所述连接机构固接，所述连接机构包括可伸缩的限位柱，并通过该限位柱与立柱活动连接；

所述立柱的内部还设有竖直方向运作的升降机构，所述升降机构与连接机构固接，用于调节主梁竖直方向的高度；

所述主梁的内部设有水平移动机构，所述水平移动机构包括沿水平方向运动、且延伸至主梁外部的螺母，所述螺母位于主梁外的部分连接有搭接件，所述加载梁固定安装在该搭接件上。

进一步地，所述连接机构包括金属块、弹簧、线圈、壳体和所述限位柱，其中，

所述线圈安装在金属块内部；

所述限位柱通过弹簧连接在金属块表面，所述限位柱为含铁的金属材料；

所述立柱的上部两侧面设有第一限位孔，所述主梁的端部延伸至立柱设有第一限位孔的两侧面，并在延伸部位设有位置与第一限位孔对应的第二限位孔，所述限位柱在伸出状态下穿过第一限位孔和第二限位孔；

所述金属块、弹簧以及线圈均设置在壳体内部，所述壳体在水平方向和竖直方向的中部位置分别设有水平固定孔和竖直固定孔，所述壳体表面设有与限位柱对应的导向孔，所述限位柱穿过该导向孔，并沿导向孔方向进行限位运动。

进一步地，所述支撑杆为水平设置，且支撑杆由主梁的内部延伸至立柱的内部，并固定穿接在所述壳体的水平固定孔中，所述立柱的相应侧面设有沿立柱高度方向延伸、避让支撑杆运动路径的第一沟槽。

进一步地，所述升降机构包括齿轮、电机和链条，其中，

所述电机安装在立柱设有第一限位孔部分的内底部；

所述齿轮为两个，两齿轮分别安装在电机的输出轴上与立柱的内顶部；

所述链条为环形路径，且与两个齿轮相配合，实现齿轮间力的传动；所述壳体的竖直固定孔有两个，所述环形路径的链条中，位于一侧的链条活动穿过一个固定孔，位于另一侧的链条通过夹具固定穿设在另一个固定孔中。

进一步地，所述夹具包括相互配合的第一夹块和第二夹块，所述第一夹块的表面设有若干个凹槽，所述第二夹块的表面设有若干个与凹槽对应的凸起，所述凸起穿过链条的滚圈与凹槽相配合，所述第一夹块和第二夹块的底部均设有与所述壳体相配合的限位凸肩。

进一步地，所述水平移动机构包括电机、外螺纹轴和所述螺母，其中，

所述电机安装在主梁内的一侧；

所述外螺纹轴与电机的输出轴连接，由电机的输出轴驱动做旋转运动；

所述螺母套设在外螺纹轴表面，且在外螺纹轴做旋转运动时实现水平方向运动。

进一步地，所述螺母包括套设在外螺纹轴表面的螺纹套圈，所述螺纹套圈顶部内陷，并在内陷区域嵌套有中心柱，所述中心柱在靠近螺纹套圈的一端连接有弹簧，所述中心柱的另一端延伸至主梁外部，并在延伸部分连接有平板，所述平板的四个端角处设有搭接孔，所述主梁的顶部设有避让中心柱运动路径的第二沟槽。

进一步地，所述搭接件包括四根分别穿设并固定在所述平板的搭接孔内的承重杆，所述承重杆朝远离所述平板的方向延伸，并延伸至承重杆的长度大于主梁自身的高度，且在承重杆的底部安装有承重板，所述加载梁固定在该承重板上。

进一步地，所述立柱的底部内嵌有固定机构，所述固定机构包括：

与立柱连接的固定壳体；

设置在所述固定壳体的内部中心位置的金属柱，该金属柱的内部设有线圈；

活动设置在金属柱侧面的金属板，所述金属板的内部设有线圈，所述金属板的表面连接有定位柱，所述地面预留有用于定位柱在工作状态下穿插固定的定位孔。

进一步地，所述立柱在高于地面0.5～0.6m处连接有水平梁，所述水平梁的侧面连接有若干斜撑杆，所述斜撑杆一端通过螺栓与水平梁固定，另一端通过所述固定机构与地面固定。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)立柱和地面的固定连接方式灵活且稳定，能够满足静、动荷载的作用；

2)在结构试验时可以进行水平方向的加载、竖向加载或者水平和竖向的双向加载；

3)可根据试验试件的大小和长度，通过控制器调整主梁的高度和加载梁的水平位置；

4)通过水平梁和斜撑杆增强了立柱与主梁的连接强度和刚度。

附图说明

图1为本发明的自动式双向反力架的主视图；

图2为本发明的自动式双向反力架的侧视图；

图3为本发明的连接机构的一种实施例结构示意图；

图4为本发明的主梁的一种实施例结构示意图；

图5为本发明的升降机构的一种实施例结构示意图；

图6为本发明的夹具的一种实施例结构示意图；

图7为本发明的升降机构与连接机构的一种实施例连接示意图；

图8为本发明的升降机构与连接机构安装在立柱内部的一种实施例示意图；

图9为本发明的水平移动机构的一种实施例结构示意图；

图10为本发明的螺母的一种实施例结构示意图；

图11为本发明的水平移动机构与搭接件的一种实施例连接示意图；

图12为本发明的固定机构的一种实施例结构示意图；

图13为本发明的固定机构与地面进行固定的示意图；

图14为本发明的斜撑杆的一种实施例结构示意图。

图示中：

1、立柱；11、齿轮；12、链条；13、夹具；131、第一夹块；132、第二夹块；133限位凸肩；14、电机；15、第一限位孔；2、主梁；21、第二限位孔；22、填充块；23、边板；24、支撑杆；3、加载梁；4、斜撑杆；41、螺栓；42、扩展板；5、水平梁；6、地面；61、预设槽；7、固定机构；71、定位柱；72、万向轮；73、金属柱；74、金属板；75、固定壳体；8、连接机构；81、限位柱；82、线圈；83、金属块；84、弹簧；85、壳体；86、水平固定孔；87、竖直固定孔；9、搭接件；91、承重杆；92、承重板；10、水平移动机构；101、外螺纹轴；102、螺母；103、轴承座；1021、螺纹套圈；1022、中心柱；1023、平板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。

如图1～2所示，本实施例提供一种自动式双向反力架，所述自动式双向反力架包括4根呈方形分布的立柱1，以及分别连接在前排2根立柱1和后排2根立柱1之间的主梁2，连接在前后排2根主梁2之间的2根加载梁3，以及连接在左右两侧面的2根立柱1之间的水平梁5，和连接在水平梁5侧面的若干斜撑杆4，其中立柱1、主梁2、加载梁3、斜撑杆4以及水平梁5的数量以及设置方法为本实施例的一种优选设置方法，在其他实施例中可按照加载所需条件进行调整。

所述立柱1的内部设有连接机构8，所述主梁2与所述连接机构8固接，所述立柱1与连接机构8活动连接，本实施例的立柱1为箱型横截面，其截面内尺寸为300×300mm，厚度50mm。

如图3所示，所述连接机构8包括金属块83、弹簧84、线圈82、壳体85和所述限位柱81，其中：所述线圈82安装在金属块83内部，在线圈82的两端连接有可为线圈82供电的电源。

所述限位柱81通过弹簧84连接在金属块83表面，所述限位柱81为含铁的金属材料，本实施例中金属块83为硅钢材料，限位柱81为铁柱且为φ60mm的实心圆柱，并且在金属块83对应的两个侧面各按照2行2列布置有4根。

所述立柱1上部的两侧面设有第一限位孔15，所述主梁2的端部延伸至所述立柱1设有第一限位孔15的两侧面，并在延伸部位设有位置与第一限位孔15对应的第二限位孔21，所述限位柱81在伸出状态下穿过第一限位孔15和第二限位孔21，用于将立柱1与主梁2进行固定。

所述金属块83、弹簧84以及线圈82均设置在壳体85内部，所述金属块83在水平方向和竖直方向的中部位置分别设有水平固定孔86和竖直固定孔87，水平固定孔86和竖直固定孔87由金属块83延伸至壳体85表面，用于部件连接，本实施例中的水平固定孔86和竖直固定孔87为φ30mm的圆孔。所述壳体85表面设有与限位柱81对应的导向孔，所述限位柱81穿过该导向孔，并沿导向孔方向进行限位运动。

如图4所示，所述主梁2为长方体筒状结构，在筒状结构内部的两端固定连接有两块填充块22，本实施例中为了加强填充块22与主梁2连接的稳定性，采用形状与主梁2的截面积相匹配的填充块22，在填充块22朝向主梁2外部，即填充块22靠近立柱1的一侧连接有2根支撑杆24，支撑杆24与填充块22之间可采用焊接、铆接、螺纹配合等连接方式，本实施例中的支撑杆24为φ30mm的实心圆杆，所述支撑杆24为水平设置，且由主梁2内延伸至立柱1内，并穿接在所述水平固定孔86中，在穿过水平固定孔86的末端采用锁紧螺母进行固定，所述立柱1对应侧面设有沿立柱1高度方向延伸、避让支撑杆24运动路径的第一沟槽，本实施例中该沟槽的宽度略大于支撑杆24的直径。

在主梁2的两端连接有相对设置的2块边板23，且边板23与立柱1设有第一限位孔15的两侧面相配合，在边板23的表面设有与第一限位孔15相对应的第二限位孔21。

该连接机构8工作时，在线圈82未通电的情况下，限位柱81由于弹簧84的弹力作用而伸出，从而穿过第一限位孔15和第二限位孔21，将立柱1和主梁2进行固定；在线圈82通电的情况下，由于线圈82通电产生磁场，磁化金属块83后对带有磁性的限位柱81产生吸力，从而使限位柱81缩回，解除立柱1与主梁2之间的束缚力，使得主梁2与立柱1之间可产生位移。

所述立柱1的内部还设有竖直方向运作的升降机构，所述升降机构与连接机构8固接，由于主梁2与连接机构8固接，故可通过升降机构最终调节主梁2在竖直方向的高度。

如图5所示，所述升降机构包括齿轮11、电机14和链条12，其中，

所述电机14安装在立柱1设有第一限位孔15的部分的内底部，所述电机14通过螺杆水平固定在立柱1内。

所述齿轮11为两个，分别安装在电机14的输出轴上与立柱1的内顶部，安装在立柱1的内顶部的齿轮11中心连接有轴承，轴承内部连接有连接杆，该连接杆通过螺栓与立柱1的内顶部连接。

所述链条12为环形路径，且与两个齿轮11相配合，实现齿轮11间力的传动；所述壳体85的竖直固定孔87有两个，所述环形路径的链条12中，位于一侧的链条12活动穿过一个固定孔，位于另一侧的链条12通过夹具13固定穿设在另一个固定孔中。

如图6所示，所述夹具13包括相互配合的第一夹块131和第二夹块132，所述第一夹块131表面设有若干个凹槽，所述第二夹块132表面设有若干个与凹槽对应的凸起，所述凸起穿过链条12的滚圈与凹槽相配合，所述第一夹块131和第二夹块132底部均设有与所述壳体85相配合的限位凸肩133。

如图7所示，连接机构8穿设在链条12上时，连接机构8的底部坐落在夹具13的限位凸肩133上，由于连接机构8与主梁2固接，故主梁2的质量使得连接机构8与夹具13之间无法产生相对运动，能够稳定跟随夹具13上下移动。

如图8所示，为升降机构和连接机构8安装在立柱1内部的示意图，在升降机构工作前，先为连接机构8中的线圈82供电，使限位柱81缩回，解除立柱1与主梁2之间的束缚力，后升降机构的电机14转动带动两个齿轮11相应转动，使链条12沿环形路径转动，从而带动链条12上的夹具13产生上下位移，该位移由连接机构8传递至主梁2，从而实现主梁2沿立柱1上下移动，当主梁2调节至适宜高度时，电机14停止转动，此时，断开连接机构8中的线圈82的供电，使限位柱81在弹簧84的弹力作用下伸出，并将立柱1和主梁2固定，完成主梁2高度的调节。

在立柱1的结构设计中，根据电机14旋转一圈时夹具13所产生的位移距离，来确定立柱1表面的第一限位孔15在竖直方向上的间距，故当主梁2需要调节至指定高度时，通过控制电机14旋转的圈数即可完成调节。

如图9所示，所述主梁2的内部设有水平移动机构10，所述水平移动机构10的部分延伸至主梁2外部并连接有搭接件9，所述加载梁3固定安装在该搭接件9上。

所述水平移动机构10包括电机14、外螺纹轴101和所述螺母102，其中，所述电机14安装在主梁2内的一侧，所述电机14为水平安装且与主梁2内壁具有避让水平移动机构10运动的间隙，电机14通过螺栓支架与主梁2进行固定；所述外螺纹轴101与电机14的输出轴通过联轴器连接，由电机14的输出轴驱动做旋转运动，所述外螺纹轴101的长度小于主梁2的长度，且在外螺纹轴101远离电机14的一端连接有加强外螺纹轴101固定的轴承座103；所述螺母102套设在外螺纹轴101表面，且在外螺纹轴101做旋转运动时实现水平方向运动。

容易理解的是，螺母102上设有限位机构，该限位机构用于限制螺母102跟随外螺纹轴101旋转。例如，该限位机构可以是设置在螺母102上的凹槽以及设置在主梁2上的滑块，凹槽与滑块相互配合实现对螺母102的限位；或者是设置在螺母102上的滑块以及设置在主梁2上的凹槽，凹槽与滑块相互配合实现对螺母102的限位。

在每根主梁2内部设有两组水平移动机构10，两组水平移动机构10中的两个电机14为相对设置在主梁2的内部，两个外螺纹轴101为平行设置，使得螺母102在移动过程中互不干扰。在调节水平移动机构10位置的过程中，可直接通过物理开关控制电机的转动，从而实现位置调节，并人为控制防止两组水平移动机构10中的螺母102相碰撞。进一步地，也可在螺母102的侧面安装红外线测距仪，防止螺母102在移动过程中发生碰撞。

如图10所示，所述螺母102包括套设在外螺纹轴101表面的螺纹套圈1021，所述螺纹套圈1021顶部内陷，并在内陷区域嵌套有中心柱1022，所述中心柱1022在靠近螺纹套圈1021的一端连接有弹簧84，所述中心柱1022的另一端延伸至主梁2外部，并在延伸部分连接有平板1023，所述平板1023的四个端角处设有搭接孔，本实施例中的搭接孔为φ20mm的圆孔，所述主梁2的顶部设有避让中心柱1022运动路径的第二沟槽，本实施例中该第二沟槽设有2条，每条对应放置一个水平移动机构10的螺母102，且第二沟槽的宽度为60mm。

如图11所示，所述搭接件9包括四根分别穿设并固定在所述平板1023的搭接孔内的承重杆91，承重杆91为具有一定抗拉强度的结构，本实施例中承重杆91以螺杆为例进行组装，所述承重杆91朝远离所述平板1023的方向延伸，并延伸至承重杆91的长度大于主梁2自身的高度，且在承重杆91的底部安装有承重板92，所述加载梁3固定在该承重板92上，为加强承重板92的承载能力，承重板92优选采用金属材料，且承重板92与主梁2底部的距离略大于加载梁3的高度，且加载梁3的前后两端各安装在前后两根主梁2上的水平移动机构10中，处于同一根加载梁3上的水平移动机构10的移动动作一致。

水平移动机构10在工作时，电机14转动带动外螺纹轴101产生转动，螺母102不跟随外螺纹轴101转动，从而在螺纹的导向下产生水平方向的位移，带动加载梁3实现水平方向移动，直至加载梁3移动至指定位置时，电机14停止运动；当需要加载梁3进行反方向的水平位移时，只需改变电机14的转动方向即可。

如图12所示，所述立柱1在内嵌入地面的部位设有固定机构7，所述固定机构7包括：

与立柱1连接的固定壳体75，所述固定壳体75的上下底面分别安装有上、下固定板，固定机构7通过上固定板与立柱1的底面连接，下固定板的表面安装有万向轮72，可大大提高立柱1移动的灵活性以及便利性。

所述固定机构7还包括设置在固定壳体75内部中心位置的金属柱73，该金属柱73内部设有第一线圈，所述金属柱73的上下底面分别与上、下固定板连接，本实施例中的金属柱73为硅钢材料，且其规格为300×400×50mm。

在金属柱73的侧面设有可活动的金属板74，所述金属板74内部埋设有第二线圈，所述金属板74的表面连接有定位柱71，所述固定壳体75表面设有限制定位柱运动路径的避让槽，定位柱71与避让槽可以是水平设置或与水平面具有一定倾斜角设置(如倾斜角为45°)，本实施例中的定位柱71与避让槽为水平设置，本实施例中的定位柱71为硅钢材料且为φ20mm的实心圆柱，在金属柱73的各侧面按照4行2列布置有8根。

所述金属柱73表面缠绕的第一线圈的两端连接有可为其供电的第一电源，同样的金属板74内部埋设的第二线圈的两端连接有可为其供电的第二电源，且第一电源与第二电源的供电工作互不干涉。

如图13所示，所述固定机构7在安装时需嵌入地面6，为提高地面6与固定机构7的配合度，预先在地面6上设置预设槽61，本实施例中设置预设槽61的主体为位置固定的槽孔，该预设槽61的槽孔部分略大于立柱1的截面积，且在槽孔壁上设有向外周延伸的定位孔，所述定位孔与定位柱71对应设置。

在固定机构7工作时，如图13的左侧视图所示，先在金属柱73表面的第一线圈与金属板74内的第二线圈上通入电流方向相同的电流，此时金属柱73与金属板74的磁性相反、相互吸引，从而使定位柱71缩回至立柱1内部，后将立柱1通过万向轮72移动至预设槽61附近；如图13的中部视图所示，将立柱1设有固定机构7的部分插入预设槽61中；如图13的右侧视图所示，在金属柱73表面的线圈82与金属板74内的线圈82上通入电流方向相反的电流，此时金属柱73与金属板74的磁性相同、相互排斥，从而使定位柱71伸出，通过固定壳体75表面的避让槽后伸入预设槽61的定位孔中，从而对立柱1进行固定。

在其他实施例中，预设槽61的主体还可以是具有设定长度的导向槽，导向槽的宽度略大于立柱1的截面积，在导向槽的壁上设有向外周延伸的多组定位孔，每组定位孔与定位柱71对应设置，且多组定位孔整体上沿导向槽的长度方向排布。当然，用于固定立柱1的地面6可以是混凝土地面，也可以是钢结构搭设的基台。

容易理解的是，当本实施例的反力架整体需要进行单维度移位时，设置两条平行的预设槽61，位于同侧的立柱1以及固定机构7处于相应侧的预设槽61中，反力架整体可沿预设槽61的延伸方向进行单维度移位。当本实施例的反力架整体需要进行双维度移位时，设置四条呈井字型分布的预设槽61，对于四条预设槽中平行的两条预设槽而言，位于同侧的立柱1以及固定机构7处于相应侧的预设槽61中，反力架整体可沿预设槽61的两个延伸方向进行双维度移位。从而显著提高了本实施例反力架移动的便利性，避免反力架在未使用状态下对安装区域的空间干涉，且还可便于对反力架的保存。

如图14所示，所述水平梁5设置在立柱1高于地面0.5～0.6m处，水平梁5的侧面设有若干第一固定孔，且在该侧面连接有若干斜撑杆4，斜撑杆4一端焊接有扩展板42，该扩展板42的四个端角处设有第二固定孔，所述斜撑杆4通过穿插在第一固定孔和第二固定孔中的螺栓41进行固定，所述斜撑杆4的另一端通过固定机构7与地面固定，斜撑杆4的数量可根据所需荷载的大小进行增减。

为了实现斜撑杆4与立柱1的同步移位，保持斜撑杆4连接的固定机构7对应的预设槽61设置形态与立柱1连接的固定机构7对应的预设槽61的设置形态一致。

本实施例中，所述水平梁5为箱型横截面，其截面内尺寸为300×400mm，水平梁的厚度为50mm，且第一固定孔为φ36mm的圆孔；所述斜撑杆4为空心圆柱，且其内径φ100mm，厚度240mm；所述螺栓41采用高强螺栓。

本实施例的自动式双向反力架的组装步骤为：

第一步、在立柱1的底部安装万向轮72，根据试验试样的尺寸大小，确定立柱1之间的距离，再将四根立柱1移动入指定预设槽61的位置，通过控制器调整电流方向，以改变立柱1下部的金属柱73和金属板74的磁性，使金属板74以及金属板74上的定位柱71向外部移动，定位柱71与预设槽61的定位孔相配套，达到与地面6固定的效果；

第二步、将水平移动机构10安装入主梁2内部，将加载梁3安装在搭接件9的承重板92上，承重板92通过承重杆91与水平移动机构10的平板1023连接；

第三步、将升降机构安装入立柱1的内部，控制连接机构8内部的线圈82通电，使限位柱81缩回至立柱1内部，并将连接机构8固定在升降机构上，待加载梁3和主梁2组合完成后，将主梁2的内部的支撑杆24搭接在连接机构8上，并控制连接机构8内部的线圈82断电，使限位柱81伸出立柱1并将立柱1与主梁2固定；

第四步、在立柱1距地面0.5～0.6m高度处设置水平梁5，采用高强螺栓将水平梁5和立柱1进行固定，采用高强螺栓将水平梁5与斜撑杆4的一端进行固定，而斜撑杆4的另一端通过固定机构7与地面6固定。

本实施例的自动式双向反力架在进行竖向和水平双向加载或水平加载时，按照上述步骤完成反力架的组装，以提高反力架水平加载的强度、刚度和安全性；在仅进行竖向加载时，在满足加载试验条件所需的情况下，可省去水平梁5与斜撑杆4的组装，从而简化反力架的结构，提高试验效率。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。