一种用于混合动力试验的变刚度柱构件的制作方法

本实用新型属于土木工程领域，尤其是涉及一种用于混合动力试验的变刚度柱构件。

背景技术：

混合动力试验结合了数值模拟方法和物理试验方法，研究整体系统的动力响应与关键构件的抗震性能。以按位移为控制条件的混合试验方法为例，在每一个计算步后，由数值子结构计算出的位移作为指令传送到作动器，作动器以该位移为命令位移，作用到物理子结构上，通过传感器测量的力反馈信号，数值子结构完成下一个分析步的计算。然而，在混合试验过程中，由于通讯条件限制与数值模型不稳定，经常会发生试验发散等情况。同时，混合试验具有不同重复性，当构件发生破坏后，就不可用于下一工况的试验研究。

在以往的混合试验中，经常采用足尺的原型构件作为试验模型。一旦构件失效，试验就不可继续，这样就不可避免地带来试验资源的浪费。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于混合动力试验的变刚度柱构件。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于混合动力试验的变刚度柱构件，包括箱型柱、柱脚螺杆和支座，所述箱型柱两端分别设有柱顶铰支座和柱底铰支座，所述柱顶铰支座通过第一连接件与作动器铰接，所述柱底铰支座通过第二连接件和支座铰接，所述柱脚螺杆有多个，分布连接于柱底铰支座和第二连接件之间。

进一步地，所述箱型柱为箱型钢柱。

进一步地，所述箱型柱、柱顶铰支座和柱底铰支座一体成型。

进一步地，多个所述柱脚螺杆分两侧对称设置。

进一步地，所述柱脚螺杆的根数、间距与直径使得整个变刚度柱构件的侧向刚度与数值模型获得的侧向刚度相匹配。

进一步地，所述柱脚螺杆的两端通过螺母分别与柱顶铰支座和柱底铰支座可拆卸式连接。

进一步地，所述柱脚螺杆垂直于水平面。

进一步地，所述支座为反力基座。

进一步地，所述反力基座底部与地面固定连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以如下有益效果：

1)本实用新型试件设计有箱型柱，箱型柱具有较大的弯曲刚度，可方便使整个试件的侧向刚度等效为柱脚螺杆轴向刚度，从而只需要改变柱脚处螺杆的数目、间距与直径等参数，即可改变构件的侧向刚度，易于整个试件的循环利用。

2)本实用新型试件能大幅提高混合试验的效率，降低试件制作的成本。

3)本实用新型柱脚螺杆两端通过螺母实现可拆卸式连接，方便进行不同尺寸螺栓的更换，从而适应不同的试验要求。

4)本实用新型柱脚螺杆的根数、间距与直径使得整个变刚度柱构件的侧向刚度与数值模型获得的侧向刚度相匹配，能准确的表征不同刚度数值子结构模型，保证试验中物理子结构与数值子结构刚度的匹配性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型一侧面示意图；

图3为本实用新型另一侧面示意图；

图4为实施例中两跨车站模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-图3所示，本实用新型提供一种用于混合动力试验的变刚度柱构件，为一钢结构试件，包括箱型柱3、柱脚螺杆5和支座7，所述箱型柱3两端分别设有柱顶铰支座2和柱底铰支座4，柱顶铰支座2通过第一连接件1与作动器铰接，保证柱顶边界条件为铰接，柱底铰支座4通过第二连接件6和支座7铰接，可以令箱型柱发生自由转动。柱脚螺杆5有多个，对称设置两排，分布连接于柱底铰支座4和第二连接件6之间，且两端通过螺母可拆卸式连接，方便更换的同时保证各部分协调工作。该试件中，柱脚螺杆5的根数、间距与直径由上述设计方法获得。支座7为反力基座，用来连接试验室反力地平与可变刚度柱构件装置，在试验过程中，保证该构件的底部边界条件为固接。箱型柱3为箱型钢柱，箱型钢柱的抗弯刚度较大，在试验过程中的变形模式为刚体转动，变形主要集中在柱底铰支座处螺杆位置。

柱脚螺杆的根数、间距与直径使得整个变刚度柱构件的侧向刚度与数值模型获得的侧向刚度相匹配。整个试件具体参数的设计过程如下：

1)建立数值模型，获得数值模型对应的侧向刚度，并其将作为试验模型的侧向刚度。

在OpenFresco中设置数值模型的刚度矩阵，该刚度矩阵确定方法如下式：

式中，Kexp＝试验单元的刚度矩阵；E＝弹性模量；A＝截面尺寸；I＝截面惯性矩；l＝单元长度。

2)选择箱型柱的结构尺寸。箱型柱的结构尺寸包括箱型柱高度、箱型柱外表面截面宽度、箱型柱外表面截面高度、箱型柱内表面截面宽度和箱型柱内表面截面高度。

箱型柱的抗弯刚度远大于整体试件的抗弯刚度。在混合试验过程中，箱型柱不发生弯曲变形，变形模式为刚体转动。同时，箱型柱应与作动器的连接方式为铰接触，箱型柱应与底部支座的连接方式为铰接触。

3)将步骤1)获得的侧向刚度等效为柱脚螺杆轴向刚度，基于箱型柱的结构尺寸，确定柱脚螺杆的数目、间距和直径。通过调整柱脚螺杆的直径、间距与根数，令变形集中于可更换螺杆上，该试件破坏模式为螺杆压弯破坏，从而达到更换螺杆，即可改变试件侧向刚度的目的。

确定柱脚螺杆的数目、间距和直径的计算公式为：

式中，K为数值模型中构件的侧向刚度，l1为箱型柱高度，E1为箱型柱弹性模量，I1为箱型柱惯性矩，km为支座转动刚度，b1为箱型柱外表面截面宽度，h1为箱型柱外表面截面高度，b2为箱型柱内表面截面宽度，h2为箱型柱内表面截面高度，n为单侧柱脚螺杆数量，d为柱脚螺杆直径，a为柱脚螺杆间距。

在试验过程中，作动器在水平方向上对可变刚度柱构件进行加载，在该构件受力时，螺杆发生轴向变形，由两侧螺杆轴向变形产生的轴力，形成反力弯矩，平衡作动器水平作用时产生的柱底弯矩。

本实施例以一层两跨车站模型为例，如图4所示。其中，车站中柱下半柱作为试验子结构，其余部分当作数值子结构。在数值子结构中，混凝土28天抗压峰值强度为39.8MPa，混凝土峰值强度对应下的峰值应变为0.002；混凝土的受压破坏强度为20MPa，混凝土极限强度对应下的极限应变为0.004。钢筋的屈服强度定义为400MPa，应变强化率定义为0.01，弹性模量定义为200000MPa。在OpenSees中，混凝土材料选为Concrete01，钢筋材料选为Steel02。Concrete 01材料是一种单轴Kent-Scott-Park混凝土材料模型。根据Karsan-Jirsa的研究成果所示：Concrete01材料是一种可以表征加卸载刚度退化的混凝土材料。同时，该材料并未考虑混凝土材料的抗拉性能。车站结构的剖面尺寸为17m×7.2m。车站结构的埋深深度为4.8米，车站结构的柱距为3.5m。顶板的厚度为0.8米，底板的厚度为0.85米，侧墙的厚度为0.7米。中柱截面的尺寸为0.3m×0.3m。由于中柱的抗弯刚度远远小于结构底板、结构顶板的抗弯刚度，可以近似认为中柱柱端的边界条件为固定接触。

在单榀框架模型与一层两跨车站模型中，数值模拟的结果显示结构破坏是由柱子失效引起的。在车站地层模型中，选择车站中柱半柱作为试验单元，即需要设计的柱试件。通过更换柱脚处不同直径、不同数量的螺杆，可以改变钢结构试件的侧向刚度。在本例中，在柱脚处设置四个直径为15mm的螺杆。根据静力试验结果，测得试验的水平刚度为2.10kN/mm。同时，根据数值模拟结果，计算得数值模型中的构件侧向刚度为2.06kN/mm。综上，对于研究构件而言，物理子结构的侧向刚度与数值子结构的侧向刚度匹配，可以进行物理混合试验。

采用本设计方法得到的可变刚度钢试件，易于循环利用，且能准确的表征不同刚度数值子结构模型，保证试验中物理子结构与数值子结构刚度的匹配性，同时还能大幅提高混合试验的效率，降低试件制作的成本。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。