一种钢梁试验模型测量装置及其试验方法与流程

本发明涉及钢结构工程技术领域，尤其涉及一种钢梁试验模型测量装置及其试验方法。

背景技术：

钢梁是一种常见的钢结构构件，在建筑、桥梁、港口等工程中得到广泛的应用。钢梁作为钢结构中重要的构件，大跨度和异性截面钢梁的受力变形的研究一直受到国内外的重视。

在钢结构工程中，进行现场钢梁的原型试验不仅需要大量的人力、物力，而且存在试验器械、试验场地、试验安全性等诸多问题的限制。这也促使了研究者把对钢梁性能的研究集中到实验室里。它不仅为钢梁的理论研究提供了试验数据和试验论证，而且为工程结构设计起到了参考作用。

现有的钢梁模型测量试验过程中，钢梁模型的变形值通常采用百分表测定，在试验过程中需不停的调整百分表位置，且不能保证百分表触头始终与钢梁表面垂直，极易导致测量结果准确性降低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种节约成本，操作灵活，测量精度高，工作效率高的一种钢梁试验模型测量装置及其试验方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种钢梁试验模型测量装置，包括钢梁模型、支座、反力架系统、载荷加载系统、应变值测定系统和变形值测定系统；

支座竖直设置在地面上，钢梁模型水平放置在支座之间，钢梁模型为由上翼缘、腹板和下翼缘组合而成的工字型钢，上翼缘和下翼缘上下呈水平状态设置，腹板竖直设置在上翼缘和下翼缘之间，且上翼缘和下翼缘的中部分别连接腹板的上下两端，钢梁模型的横截面形状为工字形，

用于测定钢梁模型载荷值的载荷加载系统设置在钢梁模型跨中上翼缘中心，

反力架系统的下端固定在地面上，上端与钢梁模型跨度中心线垂直设置，且反力架系统上端的两端以钢梁模型横截面上翼缘的中心位置为中心对称设置，载荷加载系统的上表面与反力架系统上端的下表面贴合设置，

用于测定钢梁模型应变值的应变值测定系统与腹板相连接，

用于测定钢梁模型变形值的变形值测定系统与上翼缘、下翼缘或者腹板相连接。

进一步：反力架系统包括反力架横梁、反力架立柱和反力架底座；反力架底座与地面固定连接，反力架立柱设有两个，两个反力架立柱设置在腹板高度方向中心线的两侧，两个反力架立柱的下端对称设置在反力架底座的两端，上端竖直向上延伸，两个反力架立柱上端之间设有放置高度可调节的反力架横梁，反力架横梁与反力架底座平行设置，且与钢梁模型横截面上翼缘的长度方向水平设置。

进一步：载荷加载系统包括刚性压条、千斤顶、荷载传感器和数值测力仪；刚性压条设置在上翼缘的上表面的中心位置处，千斤顶设置在刚性压条上表面的中心位置处，荷载传感器设置在千斤顶上表面的中心位置处，荷载传感器的上表面与反力架横梁的下表面贴合设置，荷载传感器通过导线连接有数值测力仪。

进一步：应变值测定系统包括电阻应变片、程控静态应变仪和第一数据处理电脑；电阻应变片设有多个，多个电阻应变片间隔设置在腹板高度方向的中心线上，电阻应变片通过导线连接程控静态应变仪，程控静态应变仪通过导线连接用于记录钢梁模型应变值的第一数据处理电脑。

进一步：变形值测定系统包括激光位移传感器、夹头式底座、平底式磁力底座、信号转换器和第二数据处理电脑；激光位移传感器、夹头式底座和平底式磁力底座设有多个，激光位移传感器分别与对应的夹头式底座的一端或平底式磁力底座的一端相连接，夹头式底座的另一端与上翼缘或者下翼缘的边缘处相连接，平底式磁力底座的另一端与腹板或者下翼缘的下表面相连接，激光位移传感器通过导线与实现测量数据的接收和转换的信号转换器相连接，信号转换器通过导线与记录钢梁模型变形值的第二数据处理电脑相连接。

进一步：激光位移传感器的下端设有配重块。

进一步：还包括用于使钢梁模型精确对中的光面反射装置；光面反射装置包括竖直设置的竖向反射板、水平设置的水平向反射板、重锤和水准器，竖向反射板为矩形板，且设有两个，两个竖向反射板分别与两个反力架立柱相连接，且对称设置，竖向反射板的下端通过软钢丝绳连接用于使竖向反射板始终处于竖直状态的重锤，竖向反射板上设有水准器；水平向反射板为矩形板，水平向反射板设置在反力架底座的上表面，且位于钢梁模型跨中下翼缘的正下方，水平向反射板的四边中点处均设置有水准器。

进一步：水平向反射板的四个直角处均设置有用于调整水平向反射板平整度的微调螺杆，水平向反射板与反力架底座通过微调螺杆相连接。

进一步：反力架立柱上套设有第一限位圈，第一限位圈与反力架立柱的外壁固定连接，第一限位圈上在靠近竖向反射板的一侧设有单铰，竖向反射板上在靠近第一限位圈的一侧设有另一单铰，第一限位圈与竖向反射板通过两个单铰相连接。

进一步：一种钢梁试验模型测量装置的试验方法，包括如下步骤：

S1：将贴装有电阻应变片的钢梁模型以简支梁的形式设置在反力架系统的中部；

S2：定位反力架横梁的高度；

S3：安装荷载传感器，并固定千斤顶，在钢梁模型和千斤顶之间设置刚性压条；

S4：依次将平底式磁力底座和夹头式底座设置在钢梁模型的测点位置，再将激光位移传感器夹持在平底式磁力底座和夹头式底座上，并保证激光位移传感器能自由旋转；

S5：安装光面反射装置，将竖向反射板固定在反力架立柱上，通过软钢丝绳将重锤吊装在竖向反射板的下端；

S6：将电阻应变片、程控静态应变仪和第一数据处理电脑通过导线依次连接；将荷载传感器和数值测力仪通过导线相连接；将激光位移传感器、信号转换器和第二数据处理电脑通过导线依次连接；

S7：通过荷载传感器与数值测力仪，实现千斤顶的精准分级加载，激光位移传感器精确测定钢梁模型的变形值，通过第二数据处理电脑分析和显示变形值数据；程控静态应变仪测的钢梁模型的应变值，通过第一数据处理电脑分析和显示应变值数据。

基于上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的一种钢梁试验模型测量装置，解决了以前钢梁试验研究必须借助大型试验设备才可进行的弊端，节约成本，测量精度高，工作效率高，大大缩短工期，且极大地提高了钢梁变形量测定的精度，保证试验过程中钢梁荷载值、应变值、变形值数据保持较好的同步性；

2、本发明的一种钢梁试验模型测量装置，激光位移传感器所发射的激光束集中性较好，可以始终保持水平或竖直状态，不需试验过程中去不停的调节，且数据读取间隔可以按试验要求选取；

3、本发明的一种钢梁试验模型测量装置，光面反射装置可以对钢梁模型起到定位和保证钢梁模型假设后的精确对中。

附图说明

图1为本发明的主视图的结构示意图；

图2为本发明的侧视图的结构示意图；

图3是本发明激光位移传感器两种激光发射方向的结构示意图；

图4是本发明平底式磁力底座的结构示意图；

图5是本发明夹头式底座的结构示意图；

图6是本发明竖向反射板和第一限位圈的结构示意图；

图7是本发明水平向反射板的结构示意图；

图8是本发明U型卡扣的结构示意图；

图9是本发明第一限位圈的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、钢梁模型，2、刚性压条，3、千斤顶，4、荷载传感器，5、反力架横梁，6、反力架立柱，7、第二限位圈，8、反力架底座，9、地脚螺栓孔，10、激光位移传感器，11、夹头式底座，12、紧固螺母，13、平底式磁力底座，14、电阻应变片，15、竖向反射板，16、第一限位圈，17、钢丝绳预留孔，18、软钢丝绳，19、重锤，20、微调螺杆，21、水平向反射板，22、程控静态应变仪，23、第一数据处理电脑，24、导线，25、信号转换器，26、数值测力仪，27、水准器，28、U型卡扣，29、单铰，30、配重块，31、第二数据处理电脑。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种钢梁试验模型测量装置，包括钢梁模型1、支座、反力架系统、载荷加载系统、应变值测定系统和变形值测定系统；

支座竖直设置在地面上，钢梁模型1水平放置在支座之间，钢梁模型1为由上翼缘、腹板和下翼缘组合而成的工字型钢，上翼缘和下翼缘上下呈水平状态设置，腹板竖直设置在上翼缘和下翼缘之间，且上翼缘和下翼缘的中部分别连接腹板的上下两端，钢梁模型1的横截面形状为工字形，

用于测定钢梁模型1载荷值的载荷加载系统设置在钢梁模型1跨中上翼缘中心，

反力架系统的下端固定在地面上，上端与钢梁模型1跨度中心线垂直设置，且反力架系统上端的两端以钢梁模型1横截面上翼缘的中心位置为中心对称设置，载荷加载系统的上表面与反力架系统上端的下表面贴合设置，

用于测定钢梁模型1应变值的应变值测定系统与腹板相连接，

用于测定钢梁模型1变形值的变形值测定系统与上翼缘、下翼缘或者腹板相连接。

进一步：反力架系统包括反力架横梁5、反力架立柱6和反力架底座8；反力架底座8与地面固定连接，反力架底座8通过地脚螺杆穿过所述反力架底座预留的地脚螺栓孔9固定于水平地面上，反力架立柱6设有两个，两个反力架立柱6设置在腹板高度方向中心线的两侧，两个反力架立柱6的下端对称设置在反力架底座8的两端，上端竖直向上延伸，两个反力架立柱6上端之间设有放置高度可调节的反力架横梁5，反力架横梁5与反力架底座8平行设置，且与钢梁模型1横截面上翼缘的长度方向水平设置。

反力架横梁5通过设置在反力架立柱6上的上下两个第二限位圈7固定。

载荷加载系统包括刚性压条2、千斤顶3、荷载传感器4和数值测力仪26；刚性压条2设置在上翼缘的上表面的中心位置处，千斤顶3设置在刚性压条2上表面的中心位置处，荷载传感器4设置在千斤顶3上表面的中心位置处，荷载传感器4的上表面与反力架横梁5的下表面贴合设置，荷载传感器4通过导线24连接有数值测力仪26。刚性压条2、千斤顶3和荷载传感器4的中心线在同一条垂线上。

应变值测定系统包括电阻应变片14、程控静态应变仪22和第一数据处理电脑23；电阻应变片14设有多个，多个电阻应变片14间隔设置在腹板高度方向的中心线上，电阻应变片14通过导线24连接程控静态应变仪22，程控静态应变仪22通过导线24连接用于记录钢梁模型1应变值的第一数据处理电脑23。

变形值测定系统包括激光位移传感器10、夹头式底座11、平底式磁力底座13、信号转换器25和第二数据处理电脑31；激光位移传感器10、夹头式底座11和平底式磁力底座13设有多个，激光位移传感器10分别与对应的夹头式底座11的一端或平底式磁力底座13的一端相连接，夹头式底座11的另一端与上翼缘或者下翼缘的边缘处相连接，平底式磁力底座13的另一端与腹板或者下翼缘的下表面相连接，激光位移传感器10通过导线24与实现测量数据的接收和转换的信号转换器25相连接，信号转换器25通过导线24与记录钢梁模型1变形值的第二数据处理电脑31相连接。

夹头式底座11插入钢梁模型1上翼缘或者下翼缘后通过紧固螺母12固定住，平底式磁力底座13则依靠自身的磁力吸附在钢梁模型1表面。

激光位移传感器10的下端设有配重块30。

水平向的激光位移传感器10沿激光发射方向的底部设有配重块30，竖向的激光位移传感器10垂直于激光发射方向的出口部设有配重块30，配重块30是为了保证钢梁模型1在变形过程中激光的投射方向始终保持不变，提高了测量的精准度，简便易操作。

还包括用于使钢梁模型1精确对中的光面反射装置；光面反射装置包括竖直设置的竖向反射板15、水平设置的水平向反射板21、重锤19和水准器27，竖向反射板15为矩形板，且设有两个，两个竖向反射板15分别与两个反力架立柱6相连接，且对称设置，竖向反射板15的下端通过软钢丝绳18连接用于使竖向反射板15始终处于竖直状态的重锤19，竖向反射板15上设有水准器27，若水准器27中的气泡明显居中，说明竖向反射板15处于竖直状态；水平向反射板21为矩形板，水平向反射板21设置在反力架底座8的上表面，且位于钢梁模型1跨中下翼缘的正下方，水平向反射板21的四边中点处均设置有水准器27，若水准器27中的起泡明显据居中，则水平向反射板21处于水平状态。

竖向反射板15的下端设有钢丝绳预留孔17，软钢丝绳18的活动端穿出钢丝绳预留孔17，并通过U型卡扣28扣紧拉直。

水平向反射板21的四个直角处均设置有用于调整水平向反射板21平整度的微调螺杆20，水平向反射板21与反力架底座8通过微调螺杆20相连接。

反力架立柱6上套设有第一限位圈16，第一限位圈16与反力架立柱6的外壁固定连接，第一限位圈16上在靠近竖向反射板15的一侧设有单铰29，竖向反射板15上在靠近第一限位圈16的一侧设有另一单铰29，第一限位圈16与竖向反射板15通过两个单铰29相连接。

第一限位圈16包括两个半圆形的钢圈，两个钢圈的一端铰接，另一端通过扣件连接。

一种钢梁试验模型测量装置的试验方法，包括如下步骤：

S1：将贴装有电阻应变片14的钢梁模型1以简支梁的形式设置在反力架系统的中部；

S2：定位反力架横梁5的高度；

S3：安装荷载传感器4，并固定千斤顶3，在钢梁模型1和千斤顶3之间设置刚性压条2；

S4：依次将平底式磁力底座13和夹头式底座11设置在钢梁模型1的测点位置，再将激光位移传感器10夹持在平底式磁力底座13和夹头式底座11上，并保证激光位移传感器10能自由旋转；

S5：安装光面反射装置，将竖向反射板15固定在反力架立柱6上，通过软钢丝绳18将重锤19吊装在竖向反射板15的下端；

S6：将电阻应变片14、程控静态应变仪22和第一数据处理电脑23通过导线24依次连接；将荷载传感器4和数值测力仪26通过导线24相连接；将激光位移传感器10、信号转换器25和第二数据处理电脑31通过导线24依次连接；

S7：通过荷载传感器与数值测力仪26，实现千斤顶3的精准分级加载，激光位移传感器10精确测定钢梁模型1的变形值，通过第二数据处理电脑31分析和显示变形值数据；程控静态应变仪22测的钢梁模型1的应变值，通过第一数据处理电脑23分析和显示应变值数据。

本发明的一种钢梁试验模型测量装置，解决了以前钢梁试验研究必须借助大型试验设备才可进行的弊端，节约成本，测量精度高，工作效率高，大大缩短工期，且极大地提高了钢梁变形量测定的精度，保证试验过程中钢梁荷载值、应变值、变形值数据保持较好的同步性；激光位移传感器10所发射的激光束集中性较好，可以始终保持水平或竖直状态，不需试验过程中去不停的调节，且数据读取间隔可以按试验要求选取；光面反射装置可以对钢梁模型1起到定位和保证钢梁模型1架设后的精确对中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。