一种可用于轻钢框架梁柱节点受力性能试验的试验装置的制作方法

本发明涉及一种可用于轻钢框架梁柱节点受力性能试验的试验装置，属于建筑工程技术领域。

背景技术：

近年来随着人们对环保节能、住宅产业化的日益重视和我国钢产量的大幅提高，污染小、工期短、保温节能效果良好的装配式轻钢结构引起了政府和研究机构的高度关注，越来越多的学者对这种结构的开展了深入的研究。基于轻钢梁、轻钢柱的构件层次的研究已经较多，而从构件层次的研究上升到结构层次的研究，梁柱连接节点的受力性能是最关键的环节。梁柱连接节点在结构体系中连接着各种构件，起着传递荷载、分配荷载的作用，因此梁柱节点的受力性能某种程度上决定着整个结构的受力性能，对梁柱节点的研究也是轻钢框架结构研究的关键。传统的钢结构梁柱节点受力性能试验往往需要在大跨度的结构实验大厅进行，需要反力墙、地锚螺杆、大型千斤顶和大吨位作动器，以及吊装试件等物品需要的天车吊，试验成本较高，周期较长。

和高层及大跨钢结构梁柱节点试件相比，轻钢框架梁柱节点具有构件截面小、荷载小、位移小等特点，在研究其受力性能时如果还沿用前述方法，不仅作动器、千斤顶等装置都难以完全匹配，而且地锚孔的孔距、反力墙的孔距都较大，对小尺寸试件的试验，所有固定试件的装置都需要重新定制。本发明提供一种可用于轻钢框架梁柱节点受力性能试验的试验装置及作法，以解决传统试验装置尺寸过大、试验成本高、场地要求高等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可用于轻钢框架梁柱节点受力性能试验的试验装置及作法，以解决传统节点试验装置占用空间大、成本高、更换不方便等问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一套可用于轻钢框架梁柱节点受力性能试验的试验装置，该装置包括装置底板(1)、下卡槽(2)、上卡槽(3)、紧固螺栓(4)、上盖板(5)、底板长槽(6)、侧板(7)、夹板(8)、铰杆(9)、梁柱连接节点试件(10)、力学万能试验机(11)。

梁柱连接节点试件(10)为T形试件，试件的上下两端分别为柱的结构，水平方向为梁的结构。

力学万能试验机(11)与装置底板(1)通过螺栓连接，侧板(7)竖直焊接在装置底板(1)的两侧，梁柱连接节点试件(10)的上下两端分别通过上盖板(5)、装置底板(1)固定，下卡槽(2)设置在装置底板(1)上，上卡槽(3)设置在上盖板(5)上，下卡槽(2)和上卡槽(3)的位置相对应；梁柱连接节点试件(10)的上下两端分别装入上卡槽(3)、下卡槽(2)内，梁柱连接节点试件(10)与下卡槽(2)、上卡槽(3)通过紧固螺栓(4)紧固；底板长槽(6)设置在装置底板(1)上，用于改变加载点位置。

夹板(8)设置在梁柱连接节点试件(10)梁端加载处，力学万能试验机(11)通过铰杆(9)与夹板(8)连接。

与万能试验机装配固定的装置底板(1)设置在试验装置的底部，是整个试验装置与力学万能试验机(11)连接的关键部件。装置底板(1)由Q235钢或Q345钢制作，厚度为25mm～35mm，由5～6个直径为24mm～30mm的螺栓固定在万能试验机(11)的加载底板上，力学试验机的加载底板厚35mm～40mm，具有较大的刚度，能承受较大的竖向荷载，连接在其上的装置底板为侧板(7)及梁柱节点试件(10)提供可靠的支承。

装配轻钢框架柱的下卡槽(2)形状与梁柱节点试件(10)的下端的柱截面相同，为了便于梁柱节点试件(10)的安装固定，下卡槽(2)的尺寸大于下端的柱截面尺寸，下卡槽(2)沿四边向外各多出1mm。为了避免加载时对力学万能试验机(11)的加载底板造成损坏，下卡槽(2)的深度比装置底板(1)小10mm左右，应为20mm～25mm，这个深度保证在加载时下卡槽(2)能牢固的对梁柱节点试件(10)的柱下端起到嵌固作用。按照梁柱节点试验的理论要求，在梁柱节点试件(10)的柱下端被固定在下卡槽(2)后，要形成理论上铰接的一种机构，试验装置的装配轻钢框架柱的下卡槽(2)完全符合试验的理论要求。

上卡槽(3)形状与梁柱节点试件的柱上端截面相同，为了便于梁柱节点试件(10)从下方倾斜穿进上卡槽(3)，上卡槽(3)的尺寸比柱上端截面尺寸大，上卡槽(3)的四边向外各多出10mm～15mm。上卡槽(3)的钢板厚度与下卡槽(2)的深度相同，保证梁柱节点试件的上端、下端都处于铰接状态。

固定轻钢框架柱的紧固螺栓(4)一共有八个，下卡槽(2)处有四个，上卡槽(3)处有四个，紧固螺栓(4)是确保上下卡槽卡紧梁柱节点试件(10)的关键措施。由于机械加工装置时，梁柱节点试件(10)、上卡槽(3)、下卡槽(2)之间的间隙难以避免，而这些间隙在加载时会造成梁柱节点试件(10)的上下柱端出现水平位移，继而影响到梁端位移的读数，这是试验所不允许出现的。在把梁柱节点试件(10)装入上卡槽(3)、下卡槽(2)中后，盖上上盖板(5)，栓入轻钢框架柱的紧固螺栓(4)后拧紧，确保在加载时，上下柱端处于夹紧的状态，将可能因为冗余位移造成的实验误差降低到最小限度。

固定轻钢框架柱的上盖板(5)是确保梁柱节点试件上端固定和施加轴压力的关键部件。由于上卡槽(3)的尺寸比梁柱节点试件(10)的柱上端每侧多出10mm～15mm，如图2所示，在上盖板(5)的底部，有个方形的方框状突起，正好占据了这多出的10mm～15mm的间隙，在上盖板(5)盖上，并用四个螺栓把上盖板与上卡槽(3)连接固定后，再用四个紧固螺栓(4)拧紧，就使得梁柱节点试件的上端完全被限制了水平位移，而且不限制弯曲，符合理论铰接的力学模型，达到梁柱节点受力性能试验的要求。如图2所示，在上盖板(5)上方还能够安装小型千斤顶或强力弹簧(20kN～80kN)，为柱端施加轴压力，完全模拟轻钢柱在工作时候的受力状态。

用于改变加载点位置的底板长槽(6)是使梁柱连接节点受力性能试验时改变加载点的关键设计。根据试验目的，梁柱节点试件(10)在需要研究节点区受弯性能时，加载点需要靠近梁端部，如果需要研究节点区受剪性能时，加载点需要移动到梁柱节点根部附近，节点区之外，由于力学万能试验机(11)无法移动，而梁柱节点试件(10)又是被固定在试验装置上的，只能移动整个试验装置来改变加载点的位置，这个移动就要靠用于改变加载点位置的底板长槽(6)来实现，松开装置底板(1)与力学万能试验机(11)加载底板之间的螺栓，使整个装置滑动到设计位置，再拧紧螺栓，即可实现加载点位置的改变。

连接底板与顶板的侧板(7)对试验装置的整体性起着关键的作用。侧板下部和装置底板(1)焊接，上部和上卡槽(3)所在的顶板焊接，侧板(7)要有足够的刚度能保证下卡槽(2)和上卡槽(3)的相对位置，同时侧板(7)要有足够的抗拉能力，在梁端受到较大拉力时，梁柱节点试件(10)会把这个拉力传给顶板，而顶板需要侧板拉着才能保证试验正常进行。侧板(7)的厚度根据竖向荷载的大小选用15mm～25mm之间的值。由于试验过程需要连接位移传感器、应变传感器、力传感器等连接线，另外还需要观察节点区的试验现象，所以在两个侧板中受力不大的区域开了三角形的孔，如图1所示。

梁端加载的夹板(8)作用是固定梁端，把加载端头的荷载传给梁端，因此在梁柱节点试件(10)安装就位后夹板(8)的上下必须用高强螺杆固定。由于梁端加载时分为拉力和压力，夹板(8)也就分为两个工况：向下加载时，上夹板直接作用于梁端顶面，下夹板间的螺杆以及下夹板受力不大；向上加载时，下夹板承弯剪作用，四根螺杆承受轴向拉力。上下夹板(8)的厚度在20～25mm，四根螺杆直径在14mm～20mm。

加载端头的铰杆(9)是把竖向荷载从加载横梁传递到梁端的关键部件。铰杆(9)在加载时有两个工况：向下加载时，上夹板(8)始终和梁端上表面紧贴并平行，此处铰杆(9)的转动角度也随着梁端竖向位移的增大缓缓变大；向上加载时，铰杆(9)承受较大的拉力，因此应该一直处于绷直的状态，即没有转角。铰杆(9)的尺寸应能保证铰杆净面积及中间的轴能承受加载横梁所能施加的最大拉力并确保不产生明显变形。

梁柱连接节点试件(10)根据试验目的来设计。轻钢柱采用正方形截面，轻钢梁可采用正方形截面或者矩形截面、工字形截面，如果采用工字形截面，为使试件在加载时保持稳定，需要在工字形截面的节点区、加载点处腹板高度设置矩形加劲肋。

力学万能试验机(11)是该试验的加载装置和测量、操作工具。本装置所用的力学万能试验机为双丝杆系列，由测量系统、驱动系统、控制系统及电脑组成，具有精度高、调速范围宽、结构紧凑、操作方便、性能稳定等优点。

本发明涉及一种可用于轻钢框架梁柱节点受力性能试验的试验装置及作法，其具体作法如下(如图1所示)：

第一步：分别按照设计尺寸切割出两块底板、两块侧板、一块顶板、一块背板的钢板，精度要求控制在±0.5mm，切割之后在车床上加工出顶板的方形槽；铣出底板上的方形槽以及五条长槽；切割出两个侧板上的三角形槽。

第二步：按照设计的相对位置焊接前述的各块钢板，两块底板在下，两块侧板在中间，顶板在上，背板在底板、顶板、和侧板之间，兼具加劲肋的作用。焊接时要确保焊缝质量不低于B级，各焊缝宽度和长度要满足现行《钢结构设计规范》的要求。顶板与侧板、底板与侧板要加小型加劲肋，厚度10mm，高和长尺寸不超过50mm。

第三步：先根据设计方案，把装置用24～30mm的螺栓安装固定在力学万能试验机的加载底板上，调整好前后位置。然后在力学万能试验机的加载横梁上安装力传感器、连接竖轴、铰杆、上夹板。

第四步：安装梁柱连接节点试件，安装时先倾斜试件，将试件的柱上端从上卡槽中自下而上穿出，然后向上抬升试件，待试件下端柱底落入底板上的下卡槽，然后拧紧上下卡槽中的八个紧固螺栓，将上盖板与上卡槽对齐，盖上上盖板，设置好加轴压的设备，用螺栓将上盖板固定在顶板上。

第五步：连接应变传感器、位移传感器、力传感器的各种线。用上夹板和下夹板将梁柱连接节点试件夹紧。调试各种传感器，开始加载和数据采集。

与现有技术相比，本发明的可用于轻钢框架梁柱节点受力性能试验的试验装置，具有以下优势：

(1)成本低：本发明包含新型的梁柱节点受力性能试验装置为15～35mm厚的钢板经过切割、铣削、焊接、喷漆等工序制成，一套装置的成本低于1500元(不含力学万能试验机)。而传统的梁柱连接节点受力性能依赖反力墙、地锚孔、地锚螺栓、侧限装置、水平作动器、吊车等大型试验室设备，费用达5000元以上。

(2)硬件要求不高，容易推广：目前工程中用的钢结构梁柱节点种类较多，很多缺乏较系统的力学性能研究，而传统的梁柱节点受力性能试验需要有天车吊的结构试验大厅和反力墙等大型试验设备，很多高校和研究机构难以做到。而本发明所述的试验装置可以在力学万能试验机上实施试验，属于小型试验设备，更加容易推广。

(3)加载简单，数据采集精确：加载采用力学万能试验机的电脑控制，加载速度有很多档位，可以精确控制，数据采集设备可以使用百分表、拉线位移传感器、普通位移传感器、精细数据采集系统等，绘制出的荷载位移曲线较为精细，试验效果较好。而传统的大型梁柱节点试验设备采用油泵控制，由于荷载较大，精度相对较差，数据采集频率较低。

(4)操作方便：

与传统的梁柱节点受力试验相比，本试验装置体积小，安装、拆卸试件、接线、采集、布置测量工具等环节的工作量均有所降低，加快了换件所用的时间，提高了工作效率，而且传统梁柱节点受力性能试验所能实现的数据采集、柱端加轴压、荷载位移曲线的绘制等功能都可以实现，是一种值得推广的新型高效试验装置。

附图说明

图1是一种可用于轻钢框架梁柱节点受力性能试验的试验装置的立体示意图；

图2是可以在柱顶施加轴压力的多功能盖板的立体示意图；

图3是本发明的试验装置安装到力学万能试验机上后进行加载的的工作示意图一

图4是本发明的试验装置安装到力学万能试验机上后进行加载的的工作示意图二。

图中：1、与万能试验机装配固定的装置底板，2、装配轻钢框架柱的下卡槽，3、上卡槽，4、固定轻钢框架柱的紧固螺栓，5、固定轻钢框架柱的上盖板，6、用于改变加载点位置的底板长槽，7、连接底板与顶板的侧板，8、梁端加载的夹板，9、加载端头的铰杆，10、梁柱连接节点试件，11、力学万能试验机。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种可用于轻钢框架梁柱节点受力性能试验的试验装置，该装置包括与万能试验机装配固定的装置底板(1)、装配轻钢框架柱的下卡槽(2)、上卡槽(3)、固定轻钢框架柱的紧固螺栓(4)、固定轻钢框架柱的上盖板(5)、用于改变加载点位置的底板长槽(6)、连接底板与顶板的侧板(7)、梁端加载的夹板(8)、加载端头的铰杆(9)、梁柱连接节点试件(10)、力学万能试验机(11)。该试验装置由15～35mm厚的钢板经过切割、铣削、焊接、喷漆等工序制成，可采用Q235或Q345钢板，各部分的加工精度应保持在±0.5mm以内。装置底板与力学万能试验机的加载底板一起应能承受不小于100kN的竖向压力而不发生明显变形，侧板应能承受不小于100kN的竖向拉力而不发生明显变形。侧板与底板、侧板与顶板的焊缝应能承受不小于100kN的拉力而不至产生明显拉伸变形。装置顶板应能承受梁柱节点试件的向上不小于100kN的顶升的荷载而不至产生明显的弯曲变形。按照钢材密度7800kg/m³估算，整个装置的重量大约在200kg以内。由于底板、侧板、顶板的钢材都具有较大的厚度(20～35mm)和较大的刚度，而轻钢框架的梁柱构件的钢材一般厚度仅为4～8mm，因此整个实验装置能较有效的约束梁柱节点试件的上下位移，而上下卡槽和卡槽上的水平紧固螺栓又能较好的约束梁柱节点试件的水平位移，整个约束符合梁柱节点受力性能试验需要的“上下限制水平及竖向位移、铰接、不限制弯曲、加轴压”等的力学条件；而万能力学试验机的加载横梁上下往复运动所施加在梁端上的荷载又能满足梁柱节点受力性能试验需要的“低周反复试验加载“的加载制度；在试件安装就位后，可以在加载端头的铰杆上端安装力传感器来实时测量加在梁柱节点试件梁端的竖向力的数值及变化，可以在试件上布置应变片、百分表、位移传感器等工具来测量梁柱节点试件在荷载下的变形，从而得出梁柱节点试件的受力性能的真实参数，对其进行分析、研究，研究其受力机理和力学模型，为梁柱节点型式的设计和应用提供依据。

以上是本发明的一个典型实施例，本发明的实施不限于此。