侧向压力和竖向剪切偏心双向加载实验装置及其实验方法与流程

本发明涉及桥梁工程和结构工程的试验测试，特别涉及一种侧向压力和竖向剪切偏心双向加载实验装置及其实验方法。

背景技术：

在节段预制的桥梁结构中，通常会在节段的连接部位设置剪力键齿。健齿是现代节段预制拼装梁重要的组成部分，而且受力状态十分复杂。首先，在预应力筋、温度、收缩徐变作用下，键齿会承受侧向压力的作用，侧向压力的大小也会随预应力筋布置的不同而不同；其次，在汽车或列车活载作用，键齿还会受到竖向往复剪切荷载作用，且这种竖向荷载往往是偏心于健齿形心的。综合起来，键齿处于多向受力的复杂状态，这种复杂状态表现为随结构几何尺寸、材料属性和荷载随机状态的改变而改变。因此，为探究节段梁剪力键齿的受力破坏机理及力学性能，通常会设计小比例的键齿试件来开展试验研究。然而，传统试验方法中，侧向力一般采用预应力钢绞线来施加；竖向力则采用传统作动器去对中加载。这种方法带来的问题主要有：一、预应力筋施加的侧向力在试验不断加载和试件出现损伤后侧向力的大小无法精确控制，且钢绞线的伸缩会影响侧向力的施加效果；更为重要的是由于预应力筋会贯穿键齿试件，本身会分担一定的竖向剪力，增大了试验的系统误差；二、竖向加载的作动器初始对中调平非常困难，对于试件在弯-剪复合状态的偏心力准确施加几乎是不可实现的。三、当外荷载大于键齿摩擦面的摩擦力时，阴齿和阳齿之间会发生错动，键齿会参与受力，键齿受力后，键齿侧向力误差和竖向往复剪切的偏心误差进一步扩大，进一步加剧了试验测试的不准确性。

技术实现要素：

鉴于现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种侧向压力和竖向剪切偏心双向加载实验装置及其实验方法，使之能克服现有技术的以上缺点。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下：

侧向压力和竖向剪切偏心双向加载实验装置，包括带刻度标记的工作平台和卧式四柱液压机，工作平台设有滑轨；所述的四柱液压机包括依次设置的左横梁、中横梁、右横梁，所述的中横梁与工作平台固定连接，左横梁和右横梁通过滚轮安装在滑轨上；左横梁和右横梁通过连杆连接，所述的连杆活动穿过中横梁对应的通孔；

还包括双向偏心定位装置；所述的双向偏心定位装置包括水平的方形导轨框架，方形导轨框架的一个边框通过双向偏心位置调节结构安装在中横梁上；

方形导轨框架的另外三个边框均为边框导轨，设有刻度；

还包括压力冲头，压力冲头下部带有半圆钢球，压力冲头侧面安装有三根螺杆，三根螺杆分别垂直于方形导轨框架的三个边框导轨；每个螺杆上活动安装有滑轮，滑轮与螺杆紧密贴合并可在螺杆上滚动和滑动；

滑轮安装在方形导轨框架的边框导轨上，沿着边框导轨滚动；

还包括竖向加载装置，竖向加载装置位于压力冲头上方，并对压力冲头施加作用力。

进一步的，所述的左横梁、中横梁上对应的设有一定规格和数量的带有刻度标记的安装孔，安装孔的刻度标记与工作平台的刻度标记相互配套；还包括钢柱，所述的钢轮一端安装在安装孔内，另一端安装有钢轮。

其中，所述的双向偏心位置调节结构，包括立柱和辅助立柱，立柱和辅助立柱固定在中横梁上，还包括上下移动部件，上下移动部件与立柱滑动连接，上下移动部件沿着立柱上下移动；

辅助立柱上安装有限位器，限位器的位置可沿着辅助立柱调节，限位器用于将上下移动部件调节固定于立柱的某一个高度上；

上下移动部件安装在可伸缩水平杆件上，可伸缩水平杆件通过杆件与水平的方形导轨框架连接。

进一步的，压力冲头侧面设有三个螺孔，三个螺孔在同一水平高度且两孔轴向在一条直线上，另一孔轴向与该直线垂直，螺杆端部安装在螺孔内。

本发明的试验方法，是对侧向压力加载装置中与试件直接接触的构件进行对中设计，使其能够达到仅对构件施加侧向力而不对试件竖向位移约束的目的。竖向加载偏心的调节则通过设计能够调节高程和水平距离的装置进行粗调，再利用该发明中设计的精准定位装置进行最后的精确定位，可以准确的按既定偏心距离来进行偏心加载定位。具体的：

侧向压力和竖向剪切偏心双向加载实验装置的测试方法，包括以下步骤：

按照试件的尺寸、侧向加载位置以及在工作平台上的摆放位置，选择不同的安装孔，将钢柱分别安装在左横梁、中横梁上的安装孔内；

将试件摆放就位后，启动液压机，使得左横梁、中横梁通过钢柱将侧向力施加于试件上，钢柱的钢轮与试件直接接触，当试件阴阳齿发生错动时，钢柱的钢轮随之转动；

侧向力施加完成后，则开始调节在中横梁顶部正中央安装双向偏心定位装置，调节可伸缩水平杆件使得方形导轨框架大致位于试件上方，然后通过调节上下移动部件，使得压力冲头下部的半圆钢球与试件顶面刚好接触，然后固结限位器，使上下移动部件固定于当前高度；试件顶面标记中心位置，然后使方形导轨框架上的滑轮走行，并使安装在压力冲头上的螺杆延滑轮轴向穿梭，使压力冲头的半圆钢球与试件的接触点位于试件的中心位置，分别记下三个滑轮碾压在方形导轨框架上的刻度值，然后按照实验所定的偏心距离，计算出调节偏心后滑轮所碾压在方形导轨框架上的刻度值。然后通过滑轮走行并配合螺杆延滑轮轴向穿梭，使三个滑轮碾压到所计算的方形导轨框架上对应的刻度值。此时压力冲头下部半圆球与试件的接触点即为试验所定的偏心加载位置。

偏心加载位置调节确定后，将外部的竖向加载装置启动，作用在压力冲头上，当竖向加载装置与压力冲头接触后，拆掉偏心定位装置。拆卸方形导轨框架、滑轮、螺杆、可伸缩水平杆件、杆件；试件开始进行竖向试验加载。

本发明的装置可用于包括多向荷载作用下预制拼装节段桥梁接缝键齿的试验加载测试研究，该实验装置在满足对键齿试件施加不同大小侧向压力的同时，还能满足阴、阳键齿发生错动后不受侧向约束影响的要求，并能无极调节键齿竖向加载纵、横向偏心距离，从而有利于试验探究不同的复杂受力模式下键齿的破坏机理和损伤模式。本发明也可运用于其他类似的加载试验中。

附图说明

本说明书包括如下七幅附图：

图1是本发明实验装置未放置试件的整体结构示意图；

图2是本发明实验装置放置试件并施加侧向力后的整体结构示意图；

图3是本发明实验装置的双向偏心定位装置的结构示意图；

图4是本发明拆卸螺杆后压力冲头结构示意图；

图5是本发明用于精确调节偏心定位的结构示意图；

图6是本发明方形导轨框架拼装、拆卸装置的结构示意图；

图7是本发明方形导轨框架拆卸后构件的结构示意图；

图8是本发明已拆卸双向偏心定位装置后在竖向加载装置作用下压力冲头加载于试件的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

以下主要以其在键齿多向加载试验中的运用为例进行装置描述。

参照图1到图8，侧向压力和竖向剪切偏心双向加载实验装置，包括带刻度标记的工作平台1和卧式四柱液压机，工作平台1设有滑轨2；所述的四柱液压机包括依次设置的左横梁3、中横梁4、右横梁5，所述的中横梁4与工作平台1固定连接，左横梁3和右横梁5通过滚轮安装在滑轨2上；左横梁3和右横梁5通过连杆连接，所述的连杆活动穿过中横梁4对应的通孔；

所述的左横梁3、中横梁4上对应的设有一定规格和数量的带有刻度标记的安装孔6，安装孔6的刻度标记与工作平台1的刻度标记相互配套；还包括钢柱7，所述的钢轮一端安装在安装孔6内，另一端安装有钢轮。

还包括双向偏心定位装置；所述的双向偏心定位装置包括水平的方形导轨框架13，方形导轨框架13的一个边框通过双向偏心位置调节结构安装在中横梁4上；

方形导轨框架13的另外三个边框均为边框导轨，设有刻度；

所述的双向偏心位置调节结构，包括立柱8和辅助立柱10，立柱8和辅助立柱10固定在中横梁4上，还包括上下移动部件9，上下移动部件9与立柱8滑动连接，上下移动部件9沿着立柱8上下移动；

辅助立柱10上安装有限位器11，限位器11的位置可沿着辅助立柱10调节，限位器11用于将上下移动部件9调节固定于立柱8的某一个高度上；

上下移动部件9安装在可伸缩水平杆件12上，可伸缩水平杆件12通过杆件19与水平的方形导轨框架13连接。

还包括压力冲头14，压力冲头14下部带有半圆钢球16，压力冲头14侧面安装有三根螺杆17，三根螺杆17分别垂直于方形导轨框架13的三个边框导轨；每个螺杆17上活动安装有滑轮18，滑轮18与螺杆17紧密贴合并可在螺杆17上滚动和滑动；滑轮18安装在方形导轨框架13的边框导轨上，沿着边框导轨滚动；

具体的压力冲头14侧面设有三个螺孔15，三个螺孔15在同一水平高度且两孔轴向在一条直线上，另一孔轴向与该直线垂直，螺杆17端部安装在螺孔15内。

还包括竖向加载装置22，竖向加载装置22位于压力冲头14上方，并对压力冲头14施加作用力。

实验的过程为：

参照图2将试件23摆放就位后，启动液压机24，使得左横梁3、中横梁4通过钢柱7将侧向力施加于试件23上，钢柱7的钢轮与试件23直接接触，当试件23阴阳齿发生错动时，钢轮随之转动，从而不会限制试件23键齿的错动。

参照图2、图3，侧向力施加完成后，则开始调节在中横梁4顶部正中央安装的如图3所示的双向偏心位置调节结构。与立柱8配套安装的上下移动部件9与立柱8紧密贴合并可自由上下滑动。辅助立柱10上安装有可固结且可滑动的限位器11，可将上下移动部件9调节固定于立柱8的一定高度上。

通过调节上下移动部件9沿立柱8上下滑动并配合辅助立柱10及限位器11，能调节方形导轨框架13的高度；通过调节可伸缩水平杆件12则可调节方形导轨框架13的水平距离。

参照图3、图4、图5，滑轮18的尺寸是与带刻度可拆卸方形导轨框架13配套的，可以紧密卡在方形导轨框架13上并在其上走行。压力冲头14通过可拆卸螺杆17及配套滑轮18架在可拆卸的方形导轨框架13上。通过滑轮18在方形导轨框架13上的走行以及螺杆17延滑轮18轴向的穿梭，压力冲头14可实现水平面上纵横两个方向的位置调节。

参照图2、图3、图5，调节伸缩杆12使得方形导轨框架13大致位于试件上方，然后通过调节上下移动部件9，使得压力冲头14下部的半圆钢球16与试件23顶面刚好接触，然后固结限位器11，使钢套9固定于当前高度。试件23顶面须标记中心位置，然后使带刻度方形导轨框架13上的滑轮18走行，并使安装在压力冲头14上的螺杆17延滑轮18轴向穿梭，使压力冲头14的半圆钢球16与试件23的接触点位于试件的标记位置，分别记下三个滑轮18碾压在带刻度导轨框架13上的刻度值，然后按照实验所定的偏心距离，计算出调节偏心后滑轮18所碾压在导轨框架13上的刻度值。然后通过滑轮18走行并配合螺杆17延滑轮18轴向穿梭，使三个滑轮18碾压到所计算的导轨框架13上对应的刻度值。此时压力冲头14下部半圆球16与试件23的接触点即为试验所定的偏心加载位置。

参照图4、图5、图6、图7、图8，偏心加载位置调节确定后，则将外部的竖向加载装置22启动，作用在压力冲头14上，当竖向加载装置22与压力冲头14接触后，可拆掉双向偏心定位装置。拆卸顺序为先拆卸掉方形轨框架13，然后拆掉滑轮18和螺杆17，最后将连接为一体的可伸缩水平杆件12、杆件19，通过上下移动部件9在立柱8上滑动取下。

参照图6、图7，方形导轨框架13是由四根边框通过连接装置20配合插入销钉21拼装为方形框架的。

参照图8，双向偏心定位装置完成定位并拆除后，试件23开始进行试验加载。

本发明构造简单，操作使用简便，能满足键齿试验中对试件施加侧向力的同时对阴阳齿的错动无约束的试验需求，提高了剪力键齿试验结果的准确性，有利于对剪力键齿力学机理的深入研究。本发明能够准确调节偏心加载的偏心距离，利于探究不同受力模式下键齿的抗剪机理。该装置也能运用于其他类似的偏心加载试验中。

以上所述只是用图解说明本发明一种侧向压力大小和竖向剪切偏心均可调节的加载装置的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。