专利名称：一种用于螺栓力学特性试验的螺栓夹具结构及试验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及建筑工程领域，尤其是一种用于研究螺栓力学特性的装置。
背景技术：
钢结构与其他材料结构相比，具有强度高、质量轻、工业化程度高、工期短等众多优点，在房屋建筑、地下建筑、桥梁塔桅、海洋平台、港口建筑、水工建筑等领域都有着广泛的应用。因为用螺栓连接，装拆方便，利于检修，可以增加预紧力防止松动，且不会引起连接处材料相变，故螺栓连接广泛地使用在钢结构中，甚至是出现在其他结构的构件连接中，例如盾构隧道的管片连接。由于螺栓在结构中起到非常重要的作用，所以螺栓设计也是结构设计的要点。目前技术人员对螺栓的设计主要包括，对螺帽的自锁设计和对螺杆的强度设计。一般而言，通过选取适当的螺纹间距、升角、线数等关键技术参数均可以实现螺帽的自锁设计，因此，普遍认为螺栓均能满足螺帽自锁，螺栓的拉拔破坏主要由螺杆的抗拉破坏引起，因此目前对螺栓的强度测试也仅限于对螺杆的抗拉强度测试。事实上，螺栓除了螺杆的抗拉破坏外，还有螺帽与螺杆的之间的滑丝破坏，现有的试验装置和测试技术只能针对前一种破坏模式，第二种破坏模式是目前学术界和工程界关注的盲区，也没有相关的测试装置和技术对其进行试验研究。然而，在实际工程中，存在相当的螺栓滑丝破坏的相关报道。所以，螺栓的滑丝破坏也不容忽视，工程需要对螺栓拉拔的力学特性进行综合、全面的评定。
发明内容
针对上述的技术缺陷和应用时的不利影响，本发明的目的是提供一种用于螺栓拉拔力学特性试验的装置，能定性地检查不同规格的螺栓的滑丝现象，亦可研究螺杆的抗拉本构模型。本发明的技术方案如下一种用于螺栓力学特性试验装置的螺栓夹具结构，包括通过多根立柱平行固定的底板和顶板，螺栓夹具装置还包括一组垫片，每个垫片分别与不同规格的被测螺杆相匹配；顶板上固定有用于和试验机夹头连接的夹持装置，底板开有中央孔，与被测螺杆相匹配的垫片置于中央孔上，被测螺杆通过中央孔和垫片，与被测螺帽固定于垫片之上。夹持装置为拉杆，拉杆垂直固定在顶板上进一步，顶板与拉杆之间通过加劲肋板焊接连接。再进一步，顶板与拉杆之间通过四块加劲肋板焊接连接。更进一步，立柱分布在底板和顶板的四角，在每个角上，立柱与底板和顶板通过内外多个螺帽固定。本发明还公开了一种采用上述螺栓夹具结构的螺栓力学特性试验装置，包括螺杆伸长量测试装置、相对滑移量测试装置，相对滑移量测试装置包括位移引出器、夹式引伸计和数据采集装置，位移引出器一端固定于被测螺杆端部，夹式引伸计一端固定于被测螺帽侧面，另一端固定于位移引出器的相应位置上，数据采集装置与夹式引伸计连接并采集滑动位移数据。螺杆伸长量测试装置包括夹式引伸计和数据采集装置，夹式引伸计的两端固定于被测螺杆表面，数据采集装置与夹式引伸计连接以采集荷载数据。进一步，位移引出器为两级级套筒结构，直径较小端的直径小于被测螺杆的内径，直径较大端的直径等于被测螺帽的内切圆直径，夹式引伸计固定在直径较大端。进一步，位移引出器为多级套筒结构，直径由小至大顺序变大，直径最小端的直径小于被测螺杆的内径，夹式引伸计固定在直径较大端且该处直径等于被测螺帽的内切圆直径。本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果 本发明的螺栓螺杆拉拔力学特性试验装置，能定性地检查不同规格的普通螺栓以及高强螺栓，在螺杆未拉断前是否发生滑丝现象，也能够定量地研究发生滑丝现象的螺栓，其螺杆与螺帽之间的滑移本构模型，亦可研究螺杆断裂时的抗拉本构模型。本发明对螺栓拉拔力学特性的研究较为全面，具有通用性广、准确性高的特点，创造良好的经济效益和科研价值。
图I为本发明试验装置立面结构示意图；图2为本发明试验装置的顶板俯视结构示意图；图3为本发明试验装置的底板俯视结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图，对本发明的实施例作进一步描述。如图I、图2和图3所示，本发明的试验装置包括螺栓夹具结构、螺杆伸长量测试装置、螺杆与螺帽相对滑移量测试装置。螺栓夹具结构包括一块中心开有中央孔的底板I、一块顶板4、四根立柱3、十二个螺帽2、一个拉杆6、四块加劲肋板5和一系列垫片8。底板I和顶板4通过四根立柱3平行固定，顶板4上垂直固定有用于和试验机夹头连接的拉杆6。顶板4与拉杆6之间通过加劲肋板5采用焊缝连接，立柱3分布在底板I和顶板4的四角，在每个角上，通过内外三个螺帽2固定。根据被测螺栓的尺寸规格，选择相应的垫片8。这里的拉杆6主要起到供试验机夹头夹持并固定的作用，也可以为其它夹持装置，譬如固定环、固定孔等等。螺杆伸长量采集装置包括夹式引伸计11和配套的数据采集装置(图中未示出)。夹式引伸计的两端用橡皮筋固定于被测螺杆7表面。相对滑移量测试装置包括位移引出器10和夹式引伸计11，以及相应的的数据采集装置(图中未示出)，用于测试被测螺杆7与被测螺帽9是否发生了相对位移。位移引出器10为二级套筒结构，直径较小端的直径小于被测螺杆7的内径，直径较大端的直径等于被测螺帽9的内切圆直径。直径较小端由胶水固定于被测螺杆7端部，夹式引伸计11的一端由橡皮筋固定于位移引出器10的直径较大段，夹式引伸计11的另一端由橡皮筋固定于被测螺帽9侧面。因为当前螺栓型号较多，故需要通过多个不同的大小规格的位移引出器10，即可对各种型号的的螺栓进行试验。上述位移引出器10也可以是直径逐步增大的多级套筒结构，如此一个位移引出器10即可对应多种规格的螺栓，此时位移引出器10的直径最小端小于被测螺杆7的内径。测试时，只需将夹式引伸计11的一端固定在位移引出器10上相应的位置，保证这个位置所对应的直径等于被测螺帽9的内切圆直径，若被测螺帽9为六角螺帽，则该内切圆为六边形的内切圆。如图1-3所示，本实施例试验步骤如下首先，被测螺杆7通过底板I的中央孔，再穿过与被测螺栓规格相匹配的垫片8，最后用被测螺帽9固定于垫片8之上。试验加载开始前，将拉杆6与万能试验机的一夹头固定，被测螺栓的螺杆7与试验机的另一夹头固定。然后选择与被测螺栓规格匹配的位移引出器10，将直径较小的一端与被测螺杆7顶部固定，再将夹式引伸计11的一端夹在被测螺帽9侧面，另一端夹在位移引出器10的直径较大的一段，并将夹式引伸计11与配套的数据采集装置连接。同时，将另一夹式引伸计11固定在被测螺杆7表面。 加载时，将万能试验机的荷载传感器与夹式引伸计11的数据采集装置同步，以5kN/s-10kN/s的速率匀速加载，同步采集荷载和滑动位移数据，直到被测螺杆7拉断或者被测螺帽9滑出，然后停止试验。试验结束后，观察被测螺杆7端部的螺纹，结合采集到的被测螺杆7滑动位移数据，定性的判断螺栓在加载过程中是否发生了滑丝现象。如果被测螺杆7存在明显划痕，并且采集到的被测螺杆7滑动位移较大，那么显然螺栓已经发生了滑丝破坏，可通过同步采集的荷载和滑动位移建立螺栓滑丝破坏过程中螺杆与螺帽之间的滑移本构模型。如果被测螺杆7螺纹段内没有滑丝痕迹而且采集到的被测螺杆7滑动位移几乎为零，那么定性的认为螺栓没有滑丝破坏现象，根据被测螺杆7伸长量测试数据和荷载数据，即可获取螺杆的抗拉本构模型。本发明提出了一种全面研究螺栓拉拔破坏模式及其各种破坏模式下的力学本构模型试验装置，主要包括螺栓夹具结构、螺杆伸长量测试装置、螺杆与螺帽相对滑移量测试装置。本发明通过螺栓夹具结构，将螺栓连接到拉伸试验机进行拉拔试验；通过螺杆与螺帽的相对滑移量以及试验现象，定性判断螺栓的拉拔破坏模式；通过螺杆伸长量和相对滑移量以及拉伸荷载数据，分别定量确定螺杆断裂破坏模式和滑丝破坏模式下的力学本构模型。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。目前工程界常见的M16-M39的普通螺栓以及高强螺栓均可在本发明装置上进行试验，通过扩大试验装置的截面尺寸和材料强度亦可适尺寸更大、强度更高的螺栓测试试验。夹式引伸计11与被测螺杆7、位移引出器10之间用橡皮筋固定，仅是举例，亦可采用其他方式固定，譬如胶粘、固定带等。立柱3与顶班4、底板I之间，亦可以采用其它数目的螺帽连接，不限制为12个。熟悉本领域技术的人员可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种用于螺栓力学特性试验装置的螺栓夹具结构，包括通过多根立柱(3)平行固定的底板(I)和顶板(4)，其特征在于 所述螺栓夹具装置还包括一组垫片(8)，每个垫片(8)分别与不同规格的被测螺杆(7)相匹配； 所述顶板(4)上有用于和试验机夹头连接的夹持装置，所述底板(I)开有中央孔，与被测螺杆(7)相匹配的垫片(8)置于中央孔上，被测螺杆(7)通过所述中央孔和垫片(8)，与被测螺帽(9)固定于所述垫片(8)之上。
2.如权利要求I所述的螺栓夹具结构，其特征在于所述夹持装置为拉杆(6)，所述拉杆(6)垂直固定在所述顶板(4)上。
3.如权利要求2所述的螺栓夹具结构，其特征在于所述顶板(4)与拉杆(6)之间通过加劲肋板(5)焊接连接。
4.如权利要求2所述的螺栓夹具结构，其特征在于所述顶板(4)与拉杆(6)之间通过四块加劲肋板(5)焊接连接。
5.如权利要求I所述的螺栓夹具结构，其特征在于所述立柱(3)分布在所述底板(I)和顶板(4)的四角，在每个角上，立柱(3)与所述底板(I)和顶板(4)之间通过内外多个螺帽(2)固定。
6.一种采用权利要求I所述的螺栓夹具结构的螺栓力学特性试验装置，包括螺杆伸长量测试装置，其特征在于 所述试验装置还包括相对滑移量测试装置，所述相对滑移量测试装置包括位移引出器(10)、夹式引伸计(11)和数据采集装置， 所述位移引出器(10)—端固定于被测螺杆(7)端部，所述夹式引伸计(11) 一端固定于所述被测螺帽(9)侧面，另一端固定于所述位移引出器(10)的相应位置上，所述数据采集装置与夹式引伸计(11)连接并采集滑动位移数据。
7.如权利要求6所述的试验装置，其特征在于所述螺杆伸长量测试装置包括夹式引伸计(11)和数据采集装置，所述夹式引伸计(11)的两端固定于被测螺杆(7)表面，所述数据采集装置与所述夹式弓I伸计(11)连接以采集荷载数据。
8.如权利要求6所述的试验装置，其特征在于所述位移引出器(10)为两级级套筒结构，直径较小端的直径小于被测螺杆(7)的内径，直径较大端的直径等于被测螺帽(9)的内切圆直径，所述夹式引伸计(11)固定在直径较大端且该处直径等于被测螺帽(9)的内切圆直径。
9.如权利要求6所述的试验装置，其特征在于所述位移引出器(10)为多级套筒结构，直径由小至大顺序变大，直径最小端的直径小于被测螺杆(7)的内径，所述夹式引伸计(11)固定在直径较大端且该处直径等于被测螺帽(9)的内切圆直径。
全文摘要
本发明公开了一种螺栓力学特性试验装置，包括螺杆伸长量测试装置、螺栓夹具结构、相对滑移量测试装置，其中相对滑移量测试装置包括位移引出器、夹式引伸计和数据采集装置，位移引出器一端固定于被测螺杆端部，夹式引伸计一端固定于被测螺帽侧面，另一端固定于位移引出器的相应位置上，数据采集装置与夹式引伸计连接并采集滑动位移数据。本发明能定性地检查不同规格的螺栓在螺杆未拉断前是否发生滑丝现象，也能够定量地研究发生滑丝现象的螺栓，其螺杆与螺帽之间的滑移本构模型，亦可研究螺杆的抗拉本构模型。本发明对螺栓拉拔力学特性的研究较为全面，具有通用性广、准确性高的特点，创造良好的经济效益和科研价值。
文档编号G01N3/08GK102928291SQ20121041384
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者柳献, 张姣龙, 唐敏, 张浩立, 陆仁超, 刘书 申请人:同济大学