专利名称：水平和竖向荷载耦合作用下柱性能测试装置及方法
技术领域：
本发明涉及水平和竖向荷载耦合作用下柱性能测试装置及方法，属于混凝土建筑领域。
背景技术：
土木工程领域中，钢筋混凝土柱的水平和竖向荷载耦合作用性能是非常重要的。 在地震作用下，钢筋混凝土柱均处于水平和竖向荷载耦合作用状态。钢筋混凝土柱是混凝土框架主要的抗侧力构件，而钢筋混凝土柱的破坏是引起框架倒塌，并在震后难以修复的主要原因。目前在水平和竖向荷载耦合作用下的柱，竖向加载装置与反力架主要采用刚接， 试验水平加载时水平作动器的水平位移与柱竖向荷载作用点水平位移不能保持一致，这样顶部竖向荷载将产生偏心，滞回曲线将呈不对称分布。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供水平和竖向荷载耦合作用下柱性能测试装置及方法。为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案一种水平和竖向荷载耦合作用下柱性能测试装置，包括外框架以及设置在外框架内的加载装置，其特征在于所述的加载装置包括竖向动作器、主水平动作器以及辅助水平动作器，所述的竖向动作器可滑移的设置在外框架的上端，所述的辅助水平动作器与所述的主水平动作器同侧设置且同步运动，所述的辅助水平动作器的施力端连接在竖向动作器的侧面，所述的竖向动作器的施力端作用在柱的上端，所述的主水平动作器的施力端作用在柱的侧面，柱的下端固定在外框架的下端。所述的加载装置还包括一液压油泵，该液压油泵分别与所述的竖向作动器、主水平作动器以及辅助水平作动器连接，在所述的竖向作动器、主水平作动器以及辅助水平作动器内分别设置有载荷传感器以及位移传感器，在所述的柱的侧面还连接有位移计。在所述的主水平动作器与柱的连接端、竖向动作器与柱的连接端以及辅助水平动作器与竖向动作器的连接端分别设置有球形铰。所述的竖向动作器固定在一钢套上，该钢套设置在外框架的上端，在钢套的内部放置有平面轴承。水平和竖向荷载耦合作用下柱性能测试装置及方法，步骤如下
第一步竖向作动器回缩至最上面，竖向作动器通过钢套与外框架上端连接，底部工字型钢梁上端放置柱，用高强螺栓将柱底部固定在底部工字型钢梁上；
第二步水平作动器回缩至最右面，水平作动器通过高强螺栓与外框架右端连接，水平作动器顶部自带球铰的左端与柱右端相连；辅助作动器回缩至最右面，辅助作动器通过高强螺栓与外框架右端连接，辅助作动器顶部自带球铰左端与钢套右端相连；第三步竖向作动器顶部自带球铰的下端与柱上表面相连，确保试验过程中试件顶部既能产生水平位移，同时又能自由转动，保持相对均勻的轴压；
第四步在柱左侧布置位移计，将位移计通过信号线与动态信号测试分析系统相连； 第五步打开动态信号测试与分析系统，调零，通过计算机对控制器实施控制， 控制器对竖向作动器、水平作动器和辅助作动器进行控制，竖向作动器对柱施加竖向荷载，水平作动器对柱施加水平荷载，辅助作动器保持和水平作动器水平位移一致，使竖向荷载作用点始终保持在柱顶面中心处，并在试验过程中与柱的变形同步同向，动态信号测试与分析系统记录在竖向荷载保持恒定的加载过程中柱水平位移和水平荷载； 第六步根据糊和Pm可得荷载-位移滞回曲线。与现有技术相比，本发明的有益效果是
本发明测试装置的特点是组装简单，操作方便，试验所需仪器较少，可以在浇筑现场进行测量。辅助作动器保持和水平作动器水平位移一致，使竖向荷载作用点始终保持在柱顶面中心处，并在试验过程中与柱的变形同步同向，减少顶部竖向荷载可能产生的偏心，得到对称性良好的滞回曲线。
图1是本发明测试装置的整体装置图。图2是本发明测试装置的A-A剖面图
其中1 一顶部丄型钢梁，2—左侧工字型钢柱，3—右侧工字型钢柱，4一底部工字型钢梁，5—外框架，6 —竖向作动器，7—辅助水平作动器，8—主水平作动器，9一位移传感器，10 —荷载传感器，11 一球铰，12 —钢套，13—柱，14 一油管，15—液压油泵，16—控制器，17 —计算机，18—动态信号测试分析系统，19一信号线，20—位移计，21—钢丝， 22—螺栓。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明作详细说明
如图1所示，本发明水平和竖向荷载耦合作用下柱性能测试装置，包括外框架5以及设置在外框架内的加载装置，外框架5的上端通过钢套12与竖向作动器6连接，外框架5的下端通过高强螺栓22与柱13相连，竖向作动器6顶部自带球铰11的下端与柱13相连，外框架5的右端通过高强螺栓22与主水平作动器8和辅助水平作动器7相连，主水平作动器 8顶部自带的球铰11的左端与柱13的右端相连，辅助水平作动器7顶部自带球铰11的左端与钢套12的右端相连。竖向加载装置采用竖向作动器6、荷载传感器10、球铰11、控制器16、钢套12以及液压油泵15，水平加载装置采用主水平作动器8、荷载传感器10、球铰11、控制器16、高强螺栓22以及液压油泵15，辅助加载装置采用辅助作动器7、荷载传感器10、球铰11、控制器 16、高强螺栓22以及液压油泵15。将位移计20用信号线19连接到动态信号测试与分析系统18。打开动态信号测试与分析系统18，调零，通过计算机17对控制器16实施控制，通过控制器16同时控制竖向作动器6、主水平作动器8、辅助水平作动器7，通过液压油泵15同时驱动竖向作动器6、主水平作动器8、辅助水平作动器7。竖向作动器6对柱13施加竖向荷载，水平作动器8对柱13施加水平荷载，辅助水平作动器7保持和水平作动器13水平位移一致，使竖向荷载作用点始终保持在柱13顶面中心处，并在试验过程中与柱13的变形同步同向。动态信号测试与分析系统18记录在竖向荷载保持恒定的加载过程中柱水平位移和水平荷载Pm，根据灣和Ρ( )可得荷载-位移滞回曲线。本发明的测定方法是
第一步竖向作动器回缩至最上面，竖向作动器通过钢套与外框架上端连接，底部工字型钢梁上端放置柱，用高强螺栓将柱底部固定在底部工字型钢梁上；
第二步主水平作动器回缩至最右面，主水平作动器通过高强螺栓与外框架右端连接， 主水平作动器顶部自带球铰的左端与柱右端相连；辅助水平作动器回缩至最右面，辅助水平作动器通过高强螺栓与外框架右端连接，辅助水平作动器顶部自带球铰左端与钢套右端相连；
第三步竖向作动器顶部自带球铰的下端与柱上表面相连，确保试验过程中试件顶部既能产生水平位移，同时又能自由转动，保持相对均勻的轴压；
第四步在柱左侧布置位移计，将位移计通过信号线与动态信号测试分析系统相连； 第五步打开动态信号测试与分析系统，调零，通过计算机对控制器实施控制，控制器对竖向作动器、主水平作动器和辅助水平作动器进行控制，竖向作动器对柱施加竖向荷载， 主水平作动器对柱施加水平荷载，辅助水平作动器保持和主水平作动器水平位移一致，使竖向荷载作用点始终保持在柱顶面中心处，并在试验过程中与柱的变形同步同向，动态信号测试与分析系统记录在竖向荷载保持恒定的加载过程中柱水平位移和水平荷载 P ,加载初期，所述的水平作动器采用力控制，混凝土开裂后平滑切换至位移控制。第六步根据和P 可得荷载-位移滞回曲线。
权利要求
1.一种水平和竖向荷载耦合作用下柱性能测试装置，包括外框架(5)以及设置在外框架内的加载装置，其特征在于所述的加载装置包括竖向动作器(6)、主水平动作器(8)以及辅助水平动作器(7)，所述的竖向动作器(6)可滑移的设置在外框架(5)的上端，所述的辅助水平动作器(7)与所述的主水平动作器(8)同侧设置且同步运动，所述的辅助水平动作器(7)的施力端连接在竖向动作器(6)的侧面，所述的竖向动作器(6)的施力端作用在柱的上端，所述的主水平动作器(8)的施力端作用在柱的侧面，柱的下端固定在外框架(5)的下端。
2.根据权利要求1所述的水平和竖向荷载耦合作用下柱性能测试装置，其特征在于 所述的加载装置还包括一液压油泵(15)，该液压油泵分别与所述的竖向作动器(6)、主水平作动器(8)以及辅助水平作动器(7)连接，在所述的竖向作动器(6)、主水平作动器(8)以及辅助水平作动器(7)内分别设置有载荷传感器(10)以及位移传感器(9)，在所述的柱的侧面还连接有位移计(20)。
3.根据权利要求1或2所述的水平和竖向荷载耦合作用下柱性能测试装置，其特征在于在所述的主水平动作器(8)与柱的连接端、竖向动作器(6)与柱的连接端以及辅助水平动作器(7)与竖向动作器(6)的连接端分别设置有球形铰(11)。
4.根据权利要求3所述的水平和竖向荷载耦合作用下柱性能测试装置，其特征在于 所述的竖向动作器(6)固定在一钢套(12)上，该钢套(12)设置在外框架(5)的上端，在钢套(12)的内部放置有平面轴承(23)。
5.一种采用权利要求1所述的水平和竖向荷载耦合作用下柱性能测试装置的测试方法，其特征在于测试步骤如下第一步竖向作动器(6)回缩至最上面，竖向作动器(6)通过钢套(12)与外框架(5)的上端连接，底部工字型钢梁(4)的上端放置柱(13)，用螺栓将柱(13)底部固定在底部工字型钢梁上(4)；第二步主水平作动器(8)回缩至最右面，主水平作动器(8)通过螺栓与外框架(5)的右端连接，主水平作动器(8)顶部自带的球铰的左端与柱(13)的右端相连；辅助水平作动器(7)回缩至最右面，辅助水平作动器(7)通过螺栓与外框架(5)的右端连接，辅助水平作动器(7)顶部自带球铰的左端与钢套(12)的右端相连；第三步竖向作动器(6)顶部自带球铰的下端与柱(13)相连，确保试验过程中试件顶部既能产生水平位移，同时又能自由转动，保持相对均勻的轴压；第四步在柱(13)左侧布置位移计(20)，将位移计(20)通过一信号线(19)与一动态信号测试分析系统(18)相连；第五步打开动态信号测试与分析系统(18)，调零，通过一计算机(17)对控制器 (16)实施控制，控制器(16)对竖向作动器(6)、主水平作动器(8)和辅助水平作动器 (7)进行控制，竖向作动器(6)对柱(13)施加竖向荷载，主水平作动器(8)对柱(13) 施加水平荷载，辅助水平作动器(7)保持和主水平作动器(8)水平位移一致，使竖向荷载作用点始终保持在柱(13)顶面中心处，并在试验过程中与柱(13)的变形同步同向，动态信号测试与分析系统(18)记录在竖向荷载保持恒定的加载过程中柱水平位移 Δ 'ω和水平荷载PCW ；第六步根据糊和m可得荷载-位移滞回曲线。
6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于加载初期，所述的水平作动器(8)采用力控制，混凝土开裂后平滑切换至位移控制。
全文摘要
本发明公开了一种水平和竖向荷载耦合作用下柱性能测试装置及方法，测试装置包括外框架以及设置在外框架内的加载装置，其特征在于所述的加载装置包括竖向动作器、主水平动作器以及辅助水平动作器，所述的竖向动作器可滑移的设置在外框架的上端，所述的辅助水平动作器与所述的主水平动作器同侧设置且同步运动，所述的辅助水平动作器的施力端连接在竖向动作器的侧面，所述的竖向动作器的施力端作用在柱的上端，所述的主水平动作器的施力端作用在柱的侧面，柱的下端固定在外框架的下端。本发明装置结构简单，拆卸方便，所需材料及仪器少，不仅适用于科研，而且适用于施工现场对水平和竖向荷载耦合作用下柱力学性能的测试。
文档编号G01N3/10GK102539240SQ20111043732
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者张今阳, 段小芳, 沈德建, 袁娇娇, 陆培娟, 黄从斌 申请人:安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院, 河海大学