专利名称：支座水平剪力测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及剪力测量装置，具体的说是涉及一种能测量动力过程中固端支座或铰 接支座处支座水平剪力的测量装置，以及利用该装置进行支座水平剪力测量的方法。
背景技术：
近年来，实时耦联动力试验方法得到了快速发展。实时耦联动力试验方法是一种 新型结构动力试验方法，测量支座处水平剪力是这种实验方法常用的一项技术要求。目前，公知的测量支座水平剪力的方法是应变测量法。但该法仅适用于支座处局 部应变便于测得的弹性杆件结构，测量器材包括顶部荷载施加装置、应变片、导线、数据采 集终端。应变片贴在支座处杆件的两侧，用导线连接到数据采集终端。第一步，标定得到 应力应变曲线对结构施加水平已知力，通过应变片测出支座处应力。采集若干组数据，拟 合得出“水平力-应变”曲线。第二步，进行实际的动力试验，测出支座处应变，根据“水平 力_应变”曲线反求水平力，即为该方向上的水平支座剪力。另有一种单向支座剪力测量装置，利用滑轨解除水平单向约束，通过测金属棒的 轴力来测得水平单向的剪力，但是这种装置的局限性在于仅能测单向剪力，测量结果是一 个标量。
发明内容
为了克服现有的应变测量方法适用条件苛刻、标定过程繁琐，以及单向支座剪力 测量装置仅能测量单向剪力的不足，本专利提供一种支座水平剪力测量装置，该装置不仅 适用于任何结构，无需标定，而且能测量水平面上的支座剪力矢量。本发明采用的技术方案为双球形滚珠安装在顶板和框形底板之间，一端嵌于顶 板的球形凹槽内，另一端嵌于框形底板的球形凹槽内；所述双球形滚珠与所述两个球形凹 槽的间隙填满固态润滑油，双球形滚珠能使顶板在水平任意方向上小幅度自由平动，即去 掉水平面上的约束；金属棒水平悬臂安装，金属棒的一端固定于框形底板的边框上，另一端 磨平，和顶板侧面接触；加速度计置于顶板的侧面；金属棒的中部贴有应变片，应变信号通 过导线传入数据采集系统；顶板在水平任意方向上自由平动，压迫金属棒使之变形，通过测 量金属棒的应变，计算出金属棒的轴力并得到支座水平剪力。所述框形底板边框的每条边上均安装两根金属棒，分布在两个正交的X方向和Y 方向上。所述金属棒使用的材料包括铝合金、普通碳素钢、合金钢。所述双球形滚珠的数量为4个或4个以上。所述双球形滚珠的两个球体半径相同，两个球体的球心连线在两球体相交部分的 长度为球体半径的1/3-1/2。一种使用所述的支座水平剪力测量装置进行支座水平剪力测量的方法，包括以下 步骤
(1)将所述支座水平剪力测量装置安装在待测模型和原支座之间，待测模型固定 于顶板上，框形底板固定于原支座上；(2)通过应变片测出金属棒的形变量ε χ、ε y，通过加速度计测出顶板的加速度ax 和ay，测量金属棒的横截面积A和顶板的质量m ；(3)通过公式Fx = EA ε x+max和Fy = EA ε y+may,即得水平剪力的矢量，其中E为金 属棒的弹性模量。所述金属棒使用的材料包括铝合金、普通碳素钢、合金钢。本发明专利的有益效果是只需将该装置安装在模型和基础之间，就可以测出支 座处的水平剪力矢量，适用于任何结构，无需标定，使用方便，测量结果准确，成本低廉，市 场竞争力强。
图1为所述支座水平剪力测量装置的结构示意图。图2为双球形滚珠在平面上的投影图。图中标号1-顶板；2-框形底板；3-双球形滚珠；4-金属棒；5-应变片；6-加速度计。
具体实施例方式本发明提供了一种能测量动力过程中固端支座或铰接支座处支座水平剪力的测 量装置，以及利用该装置进行支座水平剪力测量的方法，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，4个双球形滚珠3安装在顶板1和框形底板2之间，双球形滚珠3的 一端嵌于顶板1的球形凹槽内，另一端嵌于框形底板2的球形凹槽内；球形凹槽半径比双球 形滚珠3的一个球体半径略大，两者间隙填满固态润滑油；双球形滚珠3不仅能使顶板1在 水平任意方向上小幅度自由平动，而且能够防止顶板1在振动的过程中掀起。底板边框2的每条边上均安装两根铝合金金属棒4，分布在两个正交的方向上，定 义其中一个方向为χ方向，另一个为Y方向；金属棒4水平悬臂安装，仅一端固定在底板边 框2上，另一端磨平，和顶板1的侧面良好接触以传递压力；金属棒4的中部贴有应变片5， 应变信号通过导线传入数据采集系统，加速度计6置于顶板1的侧面。顶板1平动时压迫 金属棒4使之变形，通过测量X向和Y向金属棒的形变，可计算金属棒轴力来得到水平面上 支座剪力矢量。如图2所示，所述双球形滚珠3的两个球体半径相同，两个球体的球心连线在两球 体相交部分的长度为球体半径的1/3。使用所述装置进行支座水平剪力测量时，将所述支座水平剪力测量装置安装在待 测模型和原支座之间，待测模型固定于顶板1上，框形底板2固定于原支座上，相当于去掉 模型在水平面上的约束，将原支座变为滑移支座，将测支座剪力转化成测金属棒4的轴力。 通过应变片5测出金属棒4的形变量ε χ、ε y，通过加速度计测出顶板1的加速度ax和ay， 测量金属棒4的横截面积A和顶板1质量m。用动力平衡法计算，易得FX = EA ε x+max和 Fy = EA ε y+may ；即得水平剪力的矢量，其中E为金属棒4的弹性模量。由于球面接触摩擦力计算复杂，且润滑油作用下摩擦力影响很小，可以忽略。
权利要求
一种支座水平剪力测量装置，其特征在于，双球形滚珠(3)安装在顶板(1)和框形底板(2)之间，一端嵌于顶板(1)的球形凹槽内，另一端嵌于框形底板(2)的球形凹槽内；所述双球形滚珠(3)与所述两个球形凹槽的间隙填满固态润滑油，双球形滚珠(3)能使顶板(1)在水平任意方向上小幅度自由平动，即去掉水平面上的约束；金属棒(4)水平悬臂安装，金属棒(4)的一端固定于框形底板(2)的边框上，另一端磨平，和顶板侧面接触；加速度计(6)置于顶板(1)的侧面；金属棒(4)的中部贴有应变片(5)，应变信号通过导线传入数据采集系统；顶板(1)在水平任意方向上自由平动，压迫金属棒(4)使之变形，通过测量金属棒(4)的应变，计算出金属棒(4)的轴力并得到支座水平剪力。
2.根据权利要求1所述的一种支座水平剪力测量装置，其特征在于，所述框形底板(2) 边框的每条边上均安装两根金属棒(4)，分布在两个正交的X方向和Y方向上。
3.根据权利要求1所述的一种支座水平剪力测量装置，其特征在于，所述金属棒(4)使 用的材料包括铝合金、普通碳素钢、合金钢。
4.根据权利要求1所述的一种支座水平剪力测量装置，其特征在于，所述双球形滚珠 (3)的数量为4个或4个以上。
5.根据权利要求1所述的一种支座水平剪力测量装置，其特征在于，所述双球形滚 珠(3)的两个球体半径相同，两个球体的球心连线在两球体相交部分的长度为球体半径的 1/3-1/2。
6.一种使用权利要求1所述的支座水平剪力测量装置进行支座水平剪力测量的方法， 其特征在于，包括以下步骤将所述支座水平剪力测量装置安装在待测模型和原支座之间，待测模型固定于顶板 (1)上，框形底板(2)固定于原支座上；通过应变片(5)测出金属棒⑷的形变量￡ x、e y，通过加速度计(6)测出顶板的加速 度ax和ay，测量金属棒的横截面积A和顶板的质量m ；通过公式Fx = EA e x+max和Fy = EA ￡ y+may,即得水平剪力的矢量，其中E为金属棒⑷ 的弹性模量。
7.根据权利要求6所述的一种支座水平剪力测量的方法，其特征在于，所述金属棒(4) 使用的材料包括铝合金、普通碳素钢、合金钢。
全文摘要
一种支座水平剪力测量装置及测量方法涉及剪力测量装置。双球形滚珠安装在顶板和框形底板之间，一端嵌于顶板的球形凹槽内，另一端嵌于框形底板的球形凹槽内，双球形滚珠能使顶板在水平任意方向上小幅度自由平动；金属棒水平悬臂安装，金属棒的一端固定于框形底板的边框上，另一端和顶板侧面接触，其中部贴有应变片；加速度计置于顶板的侧面；顶板在水平任意方向上自由平动，压迫金属棒使之变形，通过测量金属棒的应变，计算出金属棒的轴力并得到支座水平剪力。本发明能克服现有测量方法中标定繁琐、仅能测单向水平剪力的不足，只需将该装置安装在模型和基础之间，就可以测出支座处水平剪力矢量，适用于任何结构，无需标定，成本低廉。
文档编号G01L1/04GK101881675SQ20101019530
公开日2010年11月10日 申请日期2010年5月31日 优先权日2010年5月31日
发明者彭晓兰, 汪强, 王进廷, 金峰 申请人:清华大学