一种扭转试验台的制作方法

本发明涉及一种扭转试验台，属于土木工程技术领域。

背景技术：

在土木工程中特别是结构工程中，梁在偏心荷载作用下，将不可避免地承受扭矩作用。当扭转与弯曲耦合作用于结构时，结构的响应将比弯曲荷载单独作用时更不利；因此，有必要对梁的抗扭性能进行研究。

根据薄壁杆件结构力学，等截面试验梁在梁体两端只承受等大反向的扭矩作用时(如图1中的1a)，试验梁的扭转才称之为自由扭转、纯扭转或圣维南扭转(试验梁的轴向翘曲位移未受到约束)，其他状况比如一端固定约束，另一端施加集中扭矩(如图1中的1b)、两端固定约束，跨中施加扭矩(如图1中的1c)、两端施加等大同向扭矩，跨中固定约束(如图1中的1d)、或者梁体沿轴向非等截面分布(如图1中的1d)等情况均称之为约束扭转。目前已发明的扭转试验台对这两个概念的界限不够明确(见对比文件cn206362643u)，并且有些试验台只能做约束扭转，不能做自由扭转(见对比文件cn107179251b)。

扭转试验台主要以普通液压千斤顶作为加载设备，在这种情况下，随着试验梁扭转端扭转角的增大，千斤顶会发生倾斜，千斤顶顶升力的力臂在逐渐减小，导致试验梁所承受的扭矩与千斤顶顶升力不成正比，而在理论上计算扭矩时认为力臂不变，这使得扭矩的理论值与试验梁的实际加载值不等，扭转角越大，则误差越大，虽然可以通过理论计算对实际加载力臂进行修正，但较为繁琐(见对比文件cn206362643u)。

要使得试验梁只承受扭转作用，需要使得试验梁的转动中心与其横截面的扭转中心相重合，而目前现有扭转试验台在使试验梁只承受扭转作用的处理上不够完善：有些试验台在扭转端的夹持梁下方采用圆弧面转动支座将试验梁的转动中心调整到试验梁的扭转中心(见对比文件cn206362643u)，这种处理方式只能实现特定梁高下试验梁绕其横截面扭转中心进行扭转，若要适应不同梁高的试验梁，需要在夹持梁和试验梁之间增加或减少垫块以调整高度，或是更换不同曲率半径的圆弧面转动支座，具体实施较为繁琐；有些试验台则忽略了使试验梁的转动中心与其横截面的扭转中心相重合的重要细节(见对比文件cn107179251b)。

目前扭转试验台在释放梁端轴向翘曲位移时多采用单排连续长辊轴(见对比文件cn206362643u)，单排辊轴不利于将扭转端夹持梁的夹持作用传递给试验梁，同时长辊轴也不利于释放梁端的轴向翘曲位移。

技术实现要素：

本发明提供一种扭转试验台，不仅可以施加自由扭转或者约束扭转，还能使力臂在扭矩加载过程中保持不变；不仅可以保证不同梁高的试验梁绕其横截面扭转中心进行扭转，还可以更好地释放梁端的轴向翘曲位移。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种扭转试验台，包括试验梁，在试验梁扭转端的上表面、下表面分别布设扭转夹持梁，试验梁固定端的上表面、下表面分别布设固定夹持梁；

在扭转夹持梁或固定夹持梁与试验梁之间布设用于释放梁体扭转时轴向翘曲位移的辊轴装置；

扭转夹持梁与扭转转盘连接，扭转转盘通过转轴定位装置实现定位旋转，且扭转转盘架设于转盘支撑墩上，转轴定位装置与转盘支撑墩相连；

沿着扭转转盘周壁开设凹槽，在凹槽内缠绕并锚固两根钢绞线，同时钢绞线分别穿过第一钢绞线张拉反力架以及第二钢绞线张拉反力架；

作为本发明的进一步优选，前述的辊轴装置包括辊轴垫板，在辊轴垫板表面并列开设两条凹槽，在每条凹槽内布设单排、多个、连续、短小的圆柱辊轴；

作为本发明的进一步优选，前述的扭转转盘包括转盘本体，其呈方形结构设置，在方型结构的顶部、底部向外侧膨大形成圆弧状；转盘本体中心位置开设转轴连接孔，转轴连接孔内穿设转轴定位杆；

在转盘本体上还设有加劲横梁，加劲横梁的中心位置为转轴连接孔；

以加劲横梁为对称线，对称开设两组滑道，每组滑道包括两条平行设置的滑道，每个滑道均与加劲横梁垂直布设，滑道用于穿设加强连接杆；

在转盘本体上加劲横梁的两侧分别布设正交加劲肋，转盘本体靠近转盘支撑墩的圆弧壁上设置圆弧加劲肋；

在转盘本体上加劲横梁处靠近第一钢绞线张拉反力架以及第二钢绞线张拉反力架的位置分别开设深槽，深槽用于设置锚固钢绞线端部的锚具；

作为本发明的进一步优选，两个扭转夹持梁与加劲横梁平行布设；扭转夹持梁对称穿设两根加强连接杆，加强连接杆同时穿过对应的滑道，将扭转夹持梁安装在转盘本体上；

扭转夹持梁通过四根垂直于加劲横梁的螺栓连接杆连接，且内侧两根螺栓连接杆同时穿过位于中间的加劲横梁，螺栓连接杆通过螺帽锚固；

作为本发明的进一步优选，前述的转轴定位装置包括转轴定位箱，转轴定位箱的中心开设通孔，转轴定位杆同时穿过通孔、转盘本体中心位置开设的转轴连接孔，转轴定位杆靠近端部的位置开设小孔，转轴定位销穿过小孔将转轴定位杆固定，实现转轴定位箱与转盘本体的连接；

作为本发明的进一步优选，前述的转盘支撑墩包括支撑墩本体，转轴定位箱通过摩擦型高强螺栓连接副与支撑墩本体顶部固定，在支撑墩本体的两侧分别布设支撑座，两个支撑座上布设转盘座，转盘座的顶面为圆弧凹壁，其与转盘本体底部的圆弧加劲肋相吻合，每个圆弧凹壁上开设与转盘本体底部圆弧相同圆心的圆弧凹槽，在圆弧凹槽内布设若干并列排布的圆柱钢轴；

转盘座开设用于贯穿钢绞线的孔洞。

作为本发明的进一步优选，从扭转转盘顶部延伸出的钢绞线穿过第一钢绞线张拉反力架，第一钢绞线张拉反力架包括支撑柱，其顶部与支撑斜臂的顶部固结，在支撑斜臂上安装若干加劲横板，方便工人张拉钢绞线时进行攀爬；

从扭转转盘底部延伸出的钢绞线穿过第二钢绞线张拉反力架，第二钢绞线张拉反力架仅包括支撑柱；

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过对辊轴装置进行不同形式的布置，可以实现对试验梁的自由扭转或约束扭转，具有更佳的泛用性；

2、本发明提供的辊轴装置采用双排、多个、连续、短小的圆柱辊轴，可以更好地传递扭转夹持梁的夹持作用，也可以更好地释放试验梁的轴向翘曲位移；

3、本发明利用扭转转盘中圆弧的几何性质以及钢绞线的柔性，使得在对试验梁施加扭矩的过程中，保持力臂不变，扭矩与千斤顶张拉力成正比；

4、本发明提供的扭转转盘允许调整扭转夹持梁的相对位置，实现对不同梁高的试验梁施加绕其横截面扭转中心的扭转作用，具有较强的通用性；

5、本发明为装配式钢结构，可适用于不同梁高、不同梁长、不同梁宽下试验梁的扭转试验，无需更换局部部件，具有较强的适应性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是自由扭转、约束扭转的区别示意图，其中，1a为自由扭转示意图，1b-1e为约束扭转示意图；

图2中2a-2d是本发明提供的辊轴装置不同布置形式示意图；

图3是本发明提供的优选实施例中扭转试验台扭转端的结构示意图；

图4是本发明提供的转盘支撑墩以及圆柱钢轴的结构示意图；

图5是本发明提供的转轴定位箱的爆炸图；

图6是本发明提供的钢绞线以及锚具的示意图；

图7是本发明提供的位于扭转端的螺栓连接杆以及螺帽的结构示意图；

图8是本发明提供的扭转夹持梁、加强连接杆以及螺帽的拆分示意图；

图9是本发明提供的辊轴装置的拆分示意图；

图10是本发明提供的扭转转盘的结构示意图；

图11是本发明提供的第一钢绞线张拉反力架的结构示意图。

图中：1为试验梁，2为第二钢绞线张拉反力架，3为第一钢绞线张拉反力架，301为支撑柱，302为支撑斜臂，3-1为加劲横板，4为转盘支撑墩，401为圆柱钢轴，4-1为圆弧凹槽，4-2为孔洞，4-3为支撑座，4-4为转盘座，501为钢绞线，502为锚具，601为扭转夹持梁，602为加强连接杆，603为螺帽，7为辊轴装置，701为辊轴垫板，702为圆柱辊轴，8为扭转转盘，8-1为滑道，8-2为加劲横梁，8-3为深槽，8-4为凹槽，8-5为转轴连接孔，8-6为正交加劲肋，8-7为圆弧加劲肋，9为转轴定位装置，901为转轴定位箱，902为转轴定位杆，903为转轴定位销，904为摩擦型高强螺栓连接副，10为固定支撑墩，11为固定夹持梁，12为扭转夹持梁的螺栓连接装置，1201为螺栓连接杆，1202为螺帽，13为固定夹持梁的螺栓连接装置。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

在现有技术中，已发明的扭转实验台对自由扭转和约束扭转这两个概念的界限不够明确，并且有些试验台只能做约束扭转，不能做自由扭转；有些试验台所采用的单排连续长辊轴不利于释放梁端的轴向翘曲位移；针对前述问题，本申请提供了一种扭转试验台，包括试验梁1，在试验梁扭转端的上表面、下表面分别布设扭转夹持梁601，试验梁固定端的上表面、下表面分别布设固定夹持梁11，其中，固定夹持梁架设固定支撑墩10上；在扭转夹持梁与试验梁之间布设用于释放梁体扭转时轴向翘曲位移的辊轴装置7；扭转夹持梁与扭转转盘8连接，扭转转盘通过转轴定位装置9实现定位旋转，且扭转转盘架设于转盘支撑墩4上，转轴定位装置与转盘支撑墩相连；沿着扭转转盘周壁开设凹槽8-4，在凹槽内缠绕并锚固两根钢绞线501，同时钢绞线分别穿过第一钢绞线张拉反力架3以及第二钢绞线张拉反力架2。

本申请提供的扭转试验台，关于辊轴装置的布置如图2所示，有四种布置方法，2a中是仅在试验梁扭转端的上表面、下表面布设辊轴装置，2b中是仅在试验梁固定端的上表面、下表面布设辊轴装置，2c中是在试验梁扭转端、固定端的上表面、下表面均布设辊轴装置，2d中是在试验梁扭转端、固定端的上表面、下表面均未布设辊轴装置；当试验梁为等截面梁时，扭转端和固定端均布设辊轴装置的情况属于自由扭转，其余情况均属于约束扭转；通过辊轴装置的不同布置形式，可以实现对试验梁的自由扭转或者约束扭转。

图9中所示，辊轴装置包括辊轴垫板701，在辊轴垫板表面并列开设两条凹槽，在每条凹槽内布设单排、多个、连续、短小圆柱辊轴702，辊轴装置的总体长度与试验梁的梁宽保持一致，通过设置双排、多个、连续、短小的圆柱辊轴，可以更好地传递扭转夹持梁的夹持作用，也可以更好地释放试验梁的轴向翘曲位移。

在现有技术中，试验台随着试验梁扭转端扭转角的增大，千斤顶顶升力的力臂在逐渐减小，导致试验梁所承受的扭矩与千斤顶顶升力不成正比，而在理论上计算扭矩时认为力臂不变，这使得扭矩的理论值与试验梁的实际加载值不等，扭转角越大，则误差越大。为了克服上述问题，本申请提供的扭转转盘如图10所示，包括转盘本体，其呈方形结构设置，在方型结构的顶部、底部向外侧膨大形成圆弧状；转盘本体中心位置开设转轴连接孔8-5，转轴连接孔内穿设转轴定位杆902；在转盘本体的左右两侧靠近加劲横梁8-2的位置分别开设深槽8-3，深槽用于设置固定钢绞线端部的锚具502；在转盘本体上还设有加劲横梁，加劲横梁的中心位置为转轴连接孔；在转盘本体上加劲横梁的两侧分别布设正交加劲肋8-6，转盘本体靠近转盘支撑墩的圆弧壁上设置圆弧加劲肋8-7。

图5给出了用于扭转转盘本体的转轴定位装置的优选实施例，包括转轴定位箱901，转轴定位箱的中心开设通孔，转轴定位杆同时穿过通孔、转盘本体中心位置开设的转轴连接孔，转轴定位杆靠近端部的位置开设小孔，转轴定位销903穿过小孔将转轴定位杆固定，实现转轴定位箱与转盘本体的连接。

图4给出了转盘支撑墩的优选实施例，其包括支撑墩本体，转轴定位箱通过摩擦型高强螺栓连接副904与支撑墩本体顶部固定，在支撑墩本体的两侧分别布设支撑座4-3，两个支撑座上布设转盘座4-4，转盘座的顶面为圆弧凹壁，其与转盘本体底部的圆弧加劲肋相吻合，每个圆弧凹壁上开设与转盘本体底部圆弧相同圆心的圆弧凹槽4-1，在圆弧凹槽内布设若干并列排布的圆柱钢轴401；转盘座开设用于贯穿钢绞线的孔洞4-2。

图11所示，给出了第一钢绞线张拉反力架的优选实施例，包括支撑柱301，其顶部与支撑斜臂302的顶部固结，在支撑斜臂上安装若干加劲横板3-1，方便工人张拉钢绞线时进行攀爬；第二钢绞线张拉反力架仅包括支撑柱。

操作时，沿着扭转转盘圆周壁开设的凹槽缠绕图6所示的两根钢绞线，第一根钢绞线的一端由转盘本体顶部伸出，穿过第一钢绞线张拉反力架，另一端锚固于转盘本体的深槽处；第二根钢绞线的一端由转盘本体底部伸出，穿过支撑墩本体的孔洞及第二钢绞线张拉反力架，另一端锚固于转盘本体的深槽处。

在现有技术中，关于扭转试验台在使试验梁只承受扭转作用的处理上，有些试验台只能实现特定梁高下试验梁绕其横截面扭转中心进行扭转，若要适应不同梁高的试验梁，需要在夹持梁和试验梁之间增加或者减少垫块以调整高度，或是更换不同曲率半径的圆弧面转动支座，因此实施起来较为繁琐；有些试验台直接就忽略了使试验梁的转动中心与其横截面的扭转中心相重合的重要细节。本申请为了克服上述问题，如图10所示，以转盘本体上加劲横梁为对称线，对称开设两组滑道8-1，每组滑道包括两条平行设置的滑道，每个滑道均与加劲横梁垂直布设，滑道用于穿设加强连接杆602；图8所示，两个扭转夹持梁与加劲横梁平行布设；扭转夹持梁对称穿设两根加强连接杆，加强连接杆同时穿过对应的滑道，将扭转夹持梁安装在转盘本体上；图7所示，扭转夹持梁通过四根垂直于加劲横梁的螺栓连接杆1201连接，且内侧两根螺栓连接杆同时穿过位于中间的加劲横梁，螺栓连接杆通过螺帽603锚固；得益于在转盘本体上滑道的设置，能够实现对扭转夹持梁相对位置的调整，从而能够使得试验梁扭转中心与转盘本体的中心重合。

基于上述优选实施例，在正式试验前，需进行试验准备，首先将第一钢绞线张拉反力架、第二钢绞线张拉反力架、转盘支撑墩、固定支撑墩与实验室的地锚螺栓相连接；接着组装扭转转盘和转轴定位装置，并利用锚具锚固钢绞线；之后根据试验梁的扭转中心位置调整扭转夹持梁、固定夹持梁的高度，使试验梁的扭转中心与扭转转盘的转动中心相重合；根据试验需求，在扭转夹持梁与试验梁、固定夹持梁与试验梁之间设置辊轴装置，需要注意的是，调整扭转夹持梁、固定夹持梁的高度时需考虑辊轴装置的影响，应使试验梁保持水平；放置试验梁后，将扭转夹持梁与转盘本体通过螺栓连接杆及螺帽1202、加强连接杆及螺帽固定，固定夹持梁之间同样通过垂直于地面的螺栓连接装置进行固定。

根据具体扭转试验的类别相应地在扭转夹持梁与试验梁、固定夹持梁与试验梁之间布置辊轴装置，这里需要再次强调的是，若试验梁为等截面梁时，扭转端与固定端均布置辊轴装置的情况即图2中2c所展示的属于自由扭转，其余情况均属于约束扭转。

正式试验时，在转盘本体的两侧同时张拉缠绕在其侧壁凹槽内的钢绞线，转盘本体在钢绞线的牵引下，绕着转盘本体中心的转轴定位杆进行转动，随着张拉千斤顶张拉力的增大，扭矩逐渐加大，由于力臂始终保持不变，试验梁所承受的扭矩应为钢绞线的张拉力与力臂乘积之和，即m＝(l1+l2)r，式中如图3所示，m为试验梁承受的扭矩，l1与l2分别为两侧钢绞线的张拉力，r为钢绞线的张拉力所对应的力臂，即为扭转转盘的圆弧凹槽曲率半径与钢绞线横截面半径之和。

最后本申请还给出了利用上述扭转试验台进行试验梁扭转试验的试验方法，具体包括以下步骤：

第一步，备好试验梁、第一钢绞线张拉反力架、第二钢绞线张拉反力架、转盘支撑墩、钢绞线、扭转夹持梁、辊轴装置、扭转转盘、转轴定位装置、固定支撑墩、固定夹持梁、扭转夹持梁的螺栓连接装置12和固定夹持梁的螺栓连接装置13；

第二步，第一钢绞线张拉反力架、第二钢绞线张拉反力架、转盘支撑墩和、固定支撑墩的底部与地面通过地锚螺栓相连接，根据试验梁的长短，调整固定支撑墩与转盘支撑墩的相对位置后，将地锚螺栓紧固；

第三步，在转盘支撑墩的圆弧凹槽上布置多个并列圆柱钢轴，将扭转转盘置于圆柱钢轴上，并利用转轴定位装置将扭转转盘和转盘支撑墩相连接，在转盘本体的凹槽处缠绕钢绞线，并利用锚具将钢绞线的端部锚固于转盘本体的深槽处，钢绞线的另一端则穿过第一钢绞线张拉反力架、第二钢绞线张拉反力架上方的孔洞，与张拉千斤顶直接相连；

第四步，利用扭转夹持梁的螺栓连接装置将扭转夹持梁下梁和扭转转盘的加劲横梁直接相连，同时利用固定夹持梁的螺栓连接装置将固定夹持梁下梁与固定支撑墩直接相连；

第五步，根据扭转试验的类别：自由扭转、约束扭转，相应地在扭转夹持梁或固定夹持梁与试验梁之间布置辊轴装置；考虑有无辊轴装置时的不同影响，调整扭转夹持梁下梁的高度，使得试验梁的扭转中心与转动中心重合；调整固定夹持梁下梁的高度，使得放置试验梁时，试验梁能够保持水平；

第六步，放置试验梁于扭转夹持梁下梁和固定夹持梁下梁的上方，然后在试验梁的上方放置扭转夹持梁上梁和固定夹持梁上梁，最后利用扭转夹持梁的螺栓连接装置和固定夹持梁的螺栓连接装置分别将扭转夹持梁上梁和固定夹持梁上梁与其它构件连接并紧固；

第七步，将加强连接杆穿过扭转转盘的滑道，利用加强连接杆及其螺帽将扭转夹持梁与转盘本体直接相连并紧固；

第八步，采用张拉千斤顶对称同步张拉穿过第一钢绞线张拉反力架、第二钢绞线张拉反力架孔洞的钢绞线，转盘本体在钢绞线的牵引下，将绕其转动中心转动，试验梁将承受扭转荷载，加载过程采用按力控制加载的分级加载方式。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。