一种梁构件弯扭组合加载试验装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种梁构件弯扭组合加载试验装置及方法，包括简支-扭转组合支座和组合加载部件，简支-扭转组合支座安装在梁构件试样的两端，在试样中部区域取一定长度作为测试段，在测试段上设置组合加载部件，具体为：测试段两端分别安装一个水平反向的加载臂，将两个加载臂的自由端用分配梁固定连接。试验时，在分配梁中部施加压力，使试样产生弯曲；分配梁将压力平均分配并传递到两个加载臂自由端，使试件测试段两端相对反向扭转。根据所测得的扭转角度、弯曲挠度和压力载荷，可得到梁构件在弯扭组合加载下的弯矩-挠度和扭矩-转角曲线。本发明仅施加一个压力载荷，便可实现梁构件的弯扭组合加载，边界条件设置巧妙而合理，参数测量直观方便，试验数据准确。
【专利说明】一种梁构件弯扭组合加载试验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种试验加载装置，尤其是一种梁构件弯扭组合加载试验装置及方法。
【背景技术】
[0002]在工程中，桥梁、混凝土梁、钢管、送电杆塔、风电叶片等都可简化为梁构件，在风载荷和地震等复杂受力作用下，不仅会受到轴向力和弯矩，还有扭矩的共同作用。因此，深入研究梁构件的弯扭组合加载情况对分析结构性能、破坏机理有重要作用。目前研究梁构件弯扭组合加载的试验较少，主要是因为加载装置难以实现，例如弯矩边界条件不是理想简支，扭矩施加时梁构件不是理想转动，难以在同一载荷条件下同时获得弯矩和扭矩等。而已有的加载装置，有的局限于某种材料梁构件，有的加载范围有限，有的造价高昂，因此这些装置都难以在试验或实际工程中普遍推广。
【发明内容】
[0003]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种梁构件弯扭试验加载装置及方法，其弯矩边界条件为理想简支，扭矩施加时梁构件为理想转动，可在同一加载条件下同时获得弯矩和扭矩载荷，且整体结构简单、制造成本低、试验数据准确。
[0004]本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0005]一种梁构件弯扭试验加载装置，包括简支-扭转组合支座和组合加载部件，其特征在于，至少两所述简支-扭转组合支座固定设置在基础或地面上，用于支撑被加载测试的梁构件试样和控制边界条件，且所述简支-扭转组合支座之间具有一定的间距，所述梁构件试样两端分别设置至少一所述简支-扭转组合支座；在所述梁构件试样的中部区域取一定长度作为弯扭测试段，在所述弯扭测试段上固设所述组合加载部件；其中，
[0006]一所述简支-扭转组合支座包括从下到上依次安装在一起的固定基座、辊筒、扭转支座和简支支座，所述固定基座和扭转支座之间设置若干个所述棍筒，在所述扭转支座上安装电子扭角仪，所述扭转支座的下表面为弧面，所述简支支座上方设置所述梁构件试样的端部，且所述简支支座和梁构件试样的端部之间设置厚度可调整的构件垫板，所述扭转支座的扭转半径通过所述梁构件试样的截面扭转中心；
[0007]—组合加载部件包括加载臂、分配梁和加载截面增强体，所述组合加载部件用于施加弯曲和扭转载荷，并测量载荷与挠度值:在所述弯扭测试段两端加载表面分别套设加载截面增强体，并在所述弯扭测试段两端分别安装一设置在加载截面增强体上的水平反向的加载臂，所述水平反向的加载臂的自由端之间用分配梁固定连接，在所述分配梁上安装有压力传感器，且所述分配梁的中部为压力施加点，在所述弯扭测试段的中部安装有位移传感器。
[0008]优选地，所述组合加载部件还包括加载连杆，所述加载连杆设置在所述加载截面增强体和加载臂之间，以利用加载连杆强化固定防止加载臂变形。
[0009]优选地，在所述加载臂的自由端上安装立柱，用分配梁固定连接所述立柱。
[0010]利用所述固定基座、辊筒和扭转支座可确定所述梁构件试件的扭转边界条件，并通过所述电子扭角仪测量所述梁构件试样的扭转角度值。为实现准确的扭转加载，通过扭转支座弧度设计和试件垫板厚度调整，确保支座扭转半径通过试件的截面扭转中心。
[0011 ] 优选地，所述固定基座是一个无盖箱体，侧壁上有凹槽，用于安装辊筒。
[0012]优选地，所述辊筒由轴芯和外筒装配组合而成，轴芯的两端球面部分削平，安置在所述固定基座的侧壁凹槽内，所述外筒可悬空自由转动，所述外筒支撑扭转支座，所述扭转支座下表面呈弧面形状，其曲率中心位于所述梁构件试样的扭转中心，外部焊接成形，内部空心有支撑梁。这样的结构既可减轻重量，又能确保外部形状。进一步地，所述扭转支座的上表面中部安装简支支座，用于确定试件的弯曲边界条件。优选地，所述简支支座为细长圆柱体，在扭转支座上表面焊接三角铁，用于防止圆柱体滚动。
[0013]利用所述加载截面增强体对构件加载截面(加载臂处)做适当增强保护，以避免梁构件在加载截面产生破坏，确保试件的主要破坏产生在测试段。对于非矩形截面的梁构件(如三角形、圆形)，在增强处理后也为矩形截面。并且，试样可以为空心体，也可以为实心体。
[0014]本发明的梁构件弯扭试验加载装置，试验时，在分配梁中部施加压力，使试件产生弯曲；同时，分配梁将压力平均分配并传递到两个加载臂自由端，使试件测试段两端相对反向扭转。在测试段安装位移传感器仪，测量弯曲挠度值，并从压力传感器读取压力载荷值。这样仅输入一个压力载荷，即可实现梁构件的弯扭组合加载。通过扭转角度、弯曲挠度、压力载荷，可得到梁构件在弯扭组合加载下的弯矩-挠度和扭矩-转角曲线。
[0015]根据本发明的另一方面，还提供了一种利用本发明的梁构件弯扭试验加载装置进行梁构件弯扭试验的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤:
[0016]SS1.将梁构件试样两端放置在扭转-简支组合支座上，在梁构件试样的中部区域取一定长度作为弯扭测试段，在该弯扭测试段上固设组合加载部件；
[0017]SS2.在分配梁中部施加压力载荷，使梁构件试样产生弯曲，分配梁将压力平均分配并传递到设置在弯扭测试段两端部的加载臂的自由端，使弯扭测试段两端相对反向扭转;
[0018]SS3.利用设置在分配梁上的压力传感器测试压力载荷，结合梁构件试样的长度和加载臂长度，计算梁构件试样的弯矩和扭矩，利用设置在弯扭测试段中部的位移传感器测量梁构件试样的弯曲挠度，扭转角度通过设置在扭转支座上的电子扭角仪测量固定基座和扭转支座之间的相对扭转转角；
[0019]SS4.通过扭转角度、弯曲挠度、压力载荷得到梁构件试样在弯扭组合加载下的弯矩-挠度曲线和扭矩-转角曲线。
[0020]相对于现有技术，本发明的优点在于，仅对梁构件试样施加一个压力载荷，即可同时获得弯矩和扭矩，边界条件设置巧妙而合理，且试验参数测量直观方便，试验数据准确。装置对梁的材料、截面形式、加载范围没有特殊限制，结构简单，成本较低，适用范围广。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明的梁构件弯扭试验加载装置整体图；
[0022]图2为简支-扭转组合支座示意图，其中，(A)为截面方向示意图，⑶为侧面方向示意图；
[0023]图3为测试段加载截面局部放大图，其中，(A)为矩形截面梁构件；(B)为三角形截面梁构件；(C)为圆形截面梁构件。
【具体实施方式】
[0024]为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
[0025]如图1?2所示，本发明的梁构件弯扭组合加载试验装置，它包括简支-扭转组合支座和组合加载部件两部分。简支-扭转组合支座包括固定基座1、辊筒2、扭转支座3、简支支座4、电子扭角仪5、垫板6。试样两端分别固定一个简支-扭转组合支座，用于支撑试样，控制边界条件。具体为:固定基座I上放置若干辊筒2，辊筒2支撑扭转支座3，并安装电子扭角仪5，这部分结构组合用于确定试件的扭转边界条件，并测量扭转角度。扭转支座3上面再安装简支支座4，用于确定试件的简支弯曲边界条件。为实现准确的扭转加载，通过扭转支座3弧度设计和试件垫板6厚度调整，确保支座扭转半径通过试件的截面扭转中心。
[0026]组合加载部件包括加载连杆7、加载臂8、分配梁9、加载截面增强体10、压力传感器11、位移传感器12。在试件中部区域取一定长度作为弯扭测试段，在测试段两端分别安装一个水平反向的加载臂8，将两个加载臂8的自由端用分配梁9固定连接。试验时，在分配梁9中部施加压力，使试件产生弯曲；同时，分配梁将压力平均分配并传递到两个加载臂8自由端，使试件测试段两端相对反向扭转。在测试段安装位移传感器12，测量弯曲挠度值，并从压力传感器11读取压力载荷值，并可通过调整加载臂8长度，获得需要施加的扭矩。这样仅输入一个压力载荷，即可实现对梁构件的弯扭组合加载。通过扭转角度、弯曲挠度、压力载荷，可得到梁构件在弯扭组合下的弯矩-挠度和扭矩-转角曲线。
[0027]如图2所示，固定基座I是一个无盖箱体，侧壁上有凹槽，用于安装辊筒2。辊筒2由轴芯和外筒装配组合而成，轴芯的两端部分削平，安置在壁面凹槽内，使外筒可悬空自由转动。外筒上支撑扭转支座3，扭转支座3下表面呈弧面形状，其曲率中心位于试件的扭转中心，外部焊接成形，内部空心有支撑梁，既可减轻重量，又能确保外部形状。
[0028]在使用本发明的梁构件弯扭组合加载试验装置时，参照图2，先按照梁构件试样长度，将两个装配有辊筒2的固定基座I固定在地面或试验台架上，再依次往上放置扭转支座
3、简支支座4和垫板6，然后将电子扭角仪5固定在扭转支座3上。这部分部件可保证试样的弯曲和扭转边界条件，并测量扭转角度。
[0029]参照图1和图3，在试样中部区域取一定长度作为测试段，测试段两端加载截面外部分别套上增强体10。测试段两端分别安装一个水平反向的加载臂8，用加载连杆7强化固定防止加载臂8变形，加载臂8的自由端上安装立柱，用分配梁9固定连接。分配梁9和试样上分别安装压力传感器11和位移传感器12。这部分用于施加弯曲和扭转载荷，并测量载荷与挠度值。
[0030]参照图1，将试样两端放置在扭转-简支组合支座I上，对分配梁9中部施加压力，使试件产生弯曲；同时，分配梁9将压力平均分配并传递到两个加载臂8自由端，使试件测试段两端相对反向扭转。试验中所需的弯矩和扭矩由外力载荷P产生，P值由压力传感器11测量，并可通过试样长度和加载臂长度，计算弯矩和扭矩，挠度由位移传感器12测量，扭转角度通过电子扭角仪5测量固定基座1和扭转支座3之间的相对转角实现。这样仅输入一个压力载荷，即可实现梁构件的弯扭组合加载，得到弯矩-挠度和扭矩-转角曲线。
[0031]如图3所示，在使用本发明的梁构件弯扭组合加载试验装置时，梁构件的截面形状不受限制，可以为矩形、三角形或圆形。无论是哪种截面形状，均采用增强体10在加载处将试样包裹为矩形截面。并且，梁构件可以为空心体，也可以为实心体。
[0032]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
【权利要求】
1.一种梁构件弯扭试验加载装置，包括简支-扭转组合支座和组合加载部件，其特征在于，至少两所述简支-扭转组合支座固定设置在基础或地面上，用于支撑被加载测试的梁构件试样和控制边界条件，且所述简支-扭转组合支座之间具有一定的间距，所述梁构件试样两端分别设置至少一所述简支-扭转组合支座；在所述梁构件试样的中部区域取一定长度作为弯扭测试段，在所述弯扭测试段上固设所述组合加载部件；其中， -所述简支-扭转组合支座包括从下到上依次安装在一起的固定基座、辊筒、扭转支座和简支支座，所述固定基座和扭转支座之间设置若干个所述辊筒，在所述扭转支座上安装电子扭角仪，所述扭转支座的下表面为弧面，所述简支支座上方设置所述梁构件试样的端部，且所述简支支座和梁构件试样的端部之间设置厚度可调整的构件垫板，所述扭转支座的扭转半径通过所述梁构件试样的截面扭转中心； --组合加载部件包括加载臂、分配梁和加载截面增强体，所述组合加载部件用于施加弯曲和扭转载荷，并测量载荷与挠度值:在所述弯扭测试段两端加载表面分别套设加载截面增强体，并在所述弯扭测试段两端分别安装一设置在加载截面增强体上的水平反向的加载臂，所述水平反向的加载臂的自由端之间用分配梁固定连接，在所述分配梁上安装有压力传感器，且所述分配梁的中部为压力施加点，在所述弯扭测试段的中部安装有位移传感器。
2.根据权利要求1所述的梁构件弯扭试验加载装置，其特征在于，所述组合加载部件还包括加载连杆，所述加载连杆设置在所述加载截面增强体和加载臂之间，以利用加载连杆强化固定防止加载臂变形。
3.根据权利要求1所述的梁构件弯扭试验加载装置，其特征在于，在所述加载臂的自由端上安装立柱，用分配梁固定连接所述立柱。
4.根据权利要求1所述的梁构件弯扭试验加载装置，其特征在于，所述固定基座是一个无盖箱体，侧壁上有凹槽，用于安装辊筒。
5.根据权利要求1所述的梁构件弯扭试验加载装置，其特征在于，所述辊筒由轴芯和外筒装配组合而成，轴芯的两端球面部分削平，安置在所述固定基座的侧壁凹槽内，所述外筒可悬空自由转动，所述外筒支撑扭转支座，所述扭转支座下表面呈弧面形状，其曲率中心位于所述梁构件试样的扭转中心，外部焊接成形，内部空心有支撑梁。
6.根据权利要求5所述的梁构件弯扭试验加载装置，其特征在于，所述简支支座为细长圆柱体，在扭转支座上表面焊接三角铁，用于防止圆柱体滚动。
7.一种利用权利要求1至6所述的梁构件弯扭试验加载装置进行梁构件弯扭试验的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤: s51.将梁构件试样两端放置在扭转-简支组合支座上，在梁构件试样的中部区域取一定长度作为弯扭测试段，在该弯扭测试段上固设组合加载部件； s52.在分配梁中部施加压力载荷，使梁构件试样产生弯曲，分配梁将压力平均分配并传递到设置在弯扭测试段两端部的加载臂的自由端，使弯扭测试段两端相对反向扭转； s553.利用设置在分配梁上的压力传感器测试压力载荷，结合梁构件试样的长度和加载臂长度，计算梁构件试样的弯矩和扭矩，利用设置在弯扭测试段中部的位移传感器测量梁构件试样的弯曲挠度，扭转角度通过设置在扭转支座上的电子扭角仪测量固定基座和扭转支座之间的相对扭转转角； SS4.通过扭转角度、弯曲挠度、压力载荷得到梁构件试样在弯扭组合加载下的弯矩-挠度曲线和扭矩-转角曲线。
【文档编号】G01N3/26GK104359754SQ201410532785
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】陈啸, 唐荆, 杨科, 赵晓路, 徐建中 申请人:中国科学院工程热物理研究所