一种用于结构构件三维独立加载的试验装置及方法与流程

本发明涉及一种用于结构构件的加载方法及装置，尤其是涉及一种用于结构构件模拟双向侧向力和轴向力和位移的加载方法及装置。

背景技术：

在土木工程领域，常常需要进行复杂结构及构件的实验研究。特别重要的是针对承受竖向力及侧向力的构件，如结构柱、承重墙体等关键构件在地震作用下的力学性能的实验研究。

进行结构及构件的地震模拟加载时，需要同时模拟侧向力和由重力引起的轴向力。轴向力的施加主要通过三种方法实现：(1)用千斤顶张拉固定于结构构件两端的高强螺栓或拉杆向结构构件模型施加轴向力；(2)设置加载框架，将千斤顶置于结构构件端部与加载框架之间来施加轴向力，千斤顶的一端与结构构件端部铰接，另一端与加载框架铰接，在侧向力(水平力)作用下结构构件端部移动时，千斤顶随之摆动；(3)类似前述方法(2)，但在结构构件端部与千斤顶之间或千斤顶端部与加载框架之间设置滑动轴承机构，在侧向力(水平力)作用下结构构件端部移动时，千斤顶保持方向不变。

这些既有方法的缺陷为：第一种方法和第二种方法在加载时，轴向加载的千斤顶或拉杆随侧向加载而改变方向，因而产生侧向加载分量，该分量随水平加载位移的变化而变化，量测构件所承受的侧向力时须对其进行修正；在第三种方法中，构件所承受的实际侧向力也须从施加的侧向力中扣除摩擦力才能获得，而且由于摩擦力的存在使得加载装置千斤顶受到侧向力作用产生弯曲，有可能损坏千斤顶。总之，在这些加载方法中，施加给构件的实际侧向力都不能被直接测得，必须通过修正施加的侧向力间接获得，由此增加了试验分析的难度，降低了测试结果的可信度，并随着试验构件尺寸的增大而愈加严重。只有发明人的专利(201110264595.8)针对这些问题提出了一种解决方案，但该方案只针对双向加载，无法进行三向地震力模拟实验。该方法采用了竖向双铰连杆支撑加载架，水平加载时，加载架下面的连杆围绕下端的铰旋转，因此加载架实际上是在进行弧线平动，与水平位移的同时在其竖向也必定产生位移，从而增加了轴向力加载的控制难度。此外，连杆在零位垂直状态属于不稳定平衡态。实际地震力是三向作用，包含两个水平方向和一个竖向，其模拟更为复杂，目前未见有相应的解决方法。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的上述不足，提供一种能够两个侧向相互垂直的且轴向方向独立实施的、并能直接测得施加到结构构件模型的三个方向的力、又能保证测试结果是可信的加载装置及方法。

本发明采用的技术方案为：一种用于结构构件三维独立加载的试验装置，包括用于侧向力加载的加载架、用于轴向力加载的刚性盖板、反力基础；试验用的结构构件下部固定在反力基础上，上部与刚性盖板相连；

所述加载架通过低阻力滑动轴承支座与反力基础连接，加载架由与侧向力平行的双向水平部件和与轴向力平行的竖向部件一、竖向部件二固定连接而成；

所述水平部件上面设置有对结构构件施加轴向力的千斤顶一，其可随侧向加载架平动并保持竖直向下，千斤顶一内置测量结构构件所承受的轴向力的传感器，千斤顶一上部与刚性盖板连接；

所述竖向部件一与反力基础之间设有侧向力加载用的千斤顶二，竖向部件一与刚性盖板之间设有向结构构件传递侧向力并测量结构构件所承受的侧向力的力传感器一；

所述竖向部件二与反力基础之间设有侧向力加载用的千斤顶三，竖向部件二与刚性盖板之间设有向结构构件传递侧向力并直接测量结构构件所承受的侧向力的力传感器二。

作为优选，所述千斤顶一、千斤顶二、千斤顶三均为电动控制液压式千斤顶。

一种采用上述用于结构构件三维独立加载的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)将试验用的结构构件固定在反力基础上，再将轴向力加载系统的千斤顶一安装在结构构件的加力端刚性盖板与可随结构构件侧向移动的加载架的水平部件之间，通过千斤顶一对结构构件施加轴向力，轴向力及相应的轴线变形通过设在千斤顶一内的测力及测变形传感器直接测得；

2)两个相互垂直方向的侧向力先通过千斤顶二与千斤顶三施加在加载架的竖向部件一、竖向部件二上，再通过设置在加载架的竖向部件一、竖向部件二和刚性盖板之间的力传感器一与力传感器二来向结构构件施加，侧向力通过力传感器一与力传感器二直接测得。

本发明在加载时，将两个方向的侧向力加载和轴向力加载分离，轴向力加载因为通过了一个可以随侧向加载而移动的加载架施加，其方向在侧向力加载过程中保持不变，从而更为真实的模拟轴力或竖向重力作用，并且能直接测得施加给结构构件的实际侧向力及轴向力，为结构模型实验提供更为可靠的加载方法及装置。

有益效果：本发明加载装置为双向侧向力加载和轴向力加载相互分离，独立控制加载的试验装置，其能直接测得施加给结构构件的实际侧向力和轴向力，提高测试精度，并能更准确地模拟地震对结构构件的作用及其动力反应。

附图说明

图1是本发明用于结构构件三维独立加载的试验装置的结构示意图。

附图中：1、加载架，2、结构构件，3、反力基础，4、低阻力滑动轴承支座，5、千斤顶一，6、刚性盖板，7、千斤顶二，8、千斤顶三，9、力传感器一，10、力传感器二，1-1、水平部件，1-2、竖向部件一，1-3、竖向部件二。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示：一种用于结构构件三维独立加载的试验装置，包括用于侧向力加载的加载架1、用于轴向力加载的刚性盖板6、反力基础3；试验用的结构构件2下部固定在反力基础3上，上部与刚性盖板6相连；

所述加载架1通过低阻力滑动轴承支座4与反力基础3连接，加载架1由与侧向力平行的双向水平部件1-1和与轴向力平行的竖向部件一1-2、竖向部件二1-3固定连接而成；

所述水平部件1-1上面设置有对结构构件2施加轴向力的千斤顶一5，其可随侧向加载架平动并保持竖直向下，千斤顶一5内置测量结构构件2所承受的轴向力的传感器，千斤顶一5上部与刚性盖板6连接；

所述竖向部件一1-2与反力基础3之间设有侧向力加载用的千斤顶二7，竖向部件一1-2与刚性盖板6之间设有向结构构件2传递侧向力并测量结构构件2所承受的侧向力的力传感器一9；

所述竖向部件二1-3与反力基础3之间设有侧向力加载用的千斤顶三8，竖向部件二1-3与刚性盖板6之间设有向结构构件2传递侧向力并直接测量结构构件2所承受的侧向力的力传感器二10。

所述千斤顶一5、千斤顶二7、千斤顶三8均为电动控制液压式千斤顶。

所述与轴向力平行的加载架的竖向部件一1-2或竖向部件二1-3可模拟两个相互垂直方向的侧向力的加载与扭转。

一种采用上述用于结构构件三维独立加载的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)将试验用的结构构件2固定在反力基础3上，再将轴向力加载系统的千斤顶一5安装在结构构件2的加力端刚性盖板6与可随结构构件2侧向移动的加载架1的水平部件1-1之间，通过千斤顶一5对结构构件2施加轴向力，轴向力及相应的轴线变形通过设在千斤顶一5内的测力及测变形传感器直接测得；

2)两个相互垂直方向的侧向力先通过千斤顶二7与千斤顶三8施加在加载架1的竖向部件一1-2、竖向部件二1-3上，再通过设置在加载架1的竖向部件一1-2、竖向部件二1-3和刚性盖板6之间的力传感器一9与力传感器二10来向结构构件2施加，侧向力通过力传感器一9与力传感器二10直接测得。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。