一种自动控制轴心受力构件往复荷载加载装置及使用方法与流程

本发明属于钢结构建筑领域，具体涉及一种自动控制轴心受力构件往复荷载加载装置及使用方法。

背景技术：

在钢结构领域中，轴心受力构件广泛的应用于各种承重钢结构，如屋架，托架，塔架，网架，网壳等各种类型的平面或空间格构式体系以及支撑系统中。其静力和滞回性能的好坏对整体结构的抗震性能有很大影响，准确测试轴心受力构件的静力和滞回性能对反映结构的变形特征、刚度退化及能量消耗方面具有重要意义。

以往对轴心受力构件的静力和滞回性能方面的研究主要都是在高校的专业实验室进行，由于实验加载装置不便于移动和运输的特点，存在一定局限性，在施工现场和某些特定环境下无法对构件进行测试。目前，很少有一种专业的便携式轴心受力构件自动加载装置，同时又由于轴心受力构件存在初弯曲和初偏心等初始缺陷以及缺乏相应的侧向支撑，在加载过程中很容易使构件的局部破坏先发生在整体破坏之前，导致实验精度和结果受到很大影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种自动控制轴心受力构件往复荷载加载装置及使用方法。该装置构造简单，便于运输和安放，只需要局部的拆卸和组装，即可在施工现场或某些特定环境下使用，同时又可以有效的保证测试的精度。

一种自动控制轴心受力构件往复荷载加载装置，包括外部框架固定装置，外部框架固定装置上设有用于对待测试件加载的试件加载装置，试件加载装置上连接有数据采集系统；

外部框架固定装置上设有可拆卸且相互平行的第二横梁和第三横梁；

试件加载装置包括水平作动器、水平荷载传感器和连接杆，水平作动器和水平荷载传感器分别与数据采集系统连接，水平作动器的左端与第二横梁固定连接，右端通过第一连接铰与待测试件的左端连接，待测试件的右端与水平荷载传感器固定连接，水平荷载传感器与连接杆相对转动连接，连接杆通过第二连接铰与第三横梁铰接；

水平作动器、待测试件、水平荷载传感器和连接杆同轴且水平。

所述水平荷载传感器的右端设有内螺纹，连接杆的左端设有与该内螺纹配合的外螺纹，水平荷载传感器与连接杆通过内、外螺纹相对转动连接。

所述外部框架固定装置上设有第四横梁，第四横梁上设有试件固定装置，试件固定装置用于夹持待测试件，防止待测试件在加载过程中由于偏心等因素发生平面外失稳。

所述试件固定装置包括用于夹持待测试件的滑动夹具、双向丝杠和固定在第四横梁上的连接板，连接板上贯通开设燕尾形滑槽，燕尾形滑槽的开设方向与待测试件的轴线垂直；

滑动夹具包括对称的左滑动夹具和右滑动夹具，滑动夹具的下端为与燕尾形滑槽相适配的滑块且设置在燕尾形滑槽内，左滑动夹具和右滑动夹具上分别连接有左推杆和右推杆；

双向丝杠的两端分别配合设置有第一连接螺母和第二连接螺母，第一连接螺母和第二连接螺母分别与左推杆和右推杆连接，通过旋转双向丝杠，使左滑动夹具和右滑动夹具同步相向或相背移动。

所述滑动夹具设置在待测试件的中部，滑动夹具中心开设有与待测试件横截面相适配用于夹持待测试件的凹槽，凹槽的轴心与待测试件同轴。

所述外部框架固定装置包括并排设置的工字型钢梁承台，工字型钢梁承台左右两侧分别连接有梯形水平反力架和三角形反力架，第二横梁的两端分别与并排的梯形水平反力架连接，第三横梁的两端分别与并排的三角形反力架连接，工字型钢梁承台上在梯形水平反力架和三角形反力架之间设有立柱，同侧的立柱与梯形水平反力架之间通过第一横梁连接，第一横梁与工字型钢梁承台平行且设置在立柱的上端，并排的立柱之间连接有第四横梁。

所述第一横梁、第二横梁、第三横梁、第四横梁和立柱均为工字型横梁，工字型钢梁承台、第一横梁与第四横梁的翼板均上下设置，第二横梁、第三横梁和立柱的翼板均左右设置，第四横梁的两端与立柱的腹板连接，第二横梁的两端与梯形水平反力架上的第一立柱的腹板连接。

所述梯形水平反力架内设有对梯形水平反力架施加预应力的预应力钢索，预应力钢索的上端与梯形水平反力架的上横梁连接，下端与工字型钢梁承台连接。

所述数据采集系统包括电脑、液压油源、控制器和多通道应变采集仪，液压油源通过液压油管与水平作动器相连，控制器的输出端通过四芯导线分别与水平作动器的控制端及液压油源的控制端相连接，水平荷载传感器的输出端与多通道应变采集仪的输入端相连接，多通道应变采集仪的输出端与电脑相连接。

一种自动控制轴心受力构件往复荷载加载装置的使用方法，在使用时，包括如下步骤，

步骤一，先将外部框架固定装置放置在水平地面上，并将第二横梁安装在外部框架固定装置上；

步骤二：再将水平作动器的左端与第二横梁固定连接，右端通过第一连接铰与待测试件的左端连接，待测试件的右端与水平荷载传感器固定连接，水平荷载传感器与连接杆相对转动连接，连接杆通过第二连接铰与第三横梁铰接，再将第三横梁安装在外部框架固定装置上，使水平作动器、待测试件、水平荷载传感器和连接杆同轴；

步骤三，再将水平作动器和水平荷载传感器分别与数据采集系统连接；

步骤四，方需要测试时，通过数据采集系统控制水平作动器施加水平荷载至试件破坏，并采集过程中的水平力和位移；根据所记录的水平力与水平力作用点处的水平位移，绘出待测试件的荷载-位移曲线。

本发明具有如下有益效果：

本发明的自动控制轴心受力构件往复荷载加载装置通过设置外部框架固定装置，将试件加载装置安装在外部框架固定装置上，由于外部框架固定装置属于整体可移动的装置，因此使得本发明便于运输和安放，通过在外部框架固定装置上可拆卸设置第二横梁和第三横梁，水平作动器的左端与第二横梁固定连接，右端通过第一连接铰与待测试件的左端连接，待测试件的右端与水平荷载传感器固定连接，水平荷载传感器与连接杆相对转动连接，连接杆通过第二连接铰与第三横梁铰接，水平作动器、待测试件、水平荷载传感器和连接杆同轴，水平作动器和水平荷载传感器分别与数据采集系统连接；通过将第二横梁和第三横梁与外部框架固定装置设置为可拆卸式的，因此便于本发明的拆卸和重新组装，通过上述两处铰连接，保证了水平作动器、待测试件、水平荷载传感器连接后的同轴度，使得待测试件保持为二力杆件，只承受水平轴向力，通过将水平荷载传感器与连接杆相对转动连接，当在加载过程中发生轻微扭转时，由于该转动连接能够有效的将产生的扭矩卸载掉，避免了在加载过程中待测试件受到剪应力，干扰实验结果；在使用时，通过数据采集系统准确控制水平作动器施加水平荷载。因此，解决了轴心受力构件的静力和滞回性能只能在高校的专业实验室进行的缺陷，使得在施工现场在和某些特定环境下能够对构件进行测试，而且又能够有效的保证测试的精度。

进一步的，本发明通过将水平荷载传感器的右端设为内螺纹，连接杆的左端设置与该内螺纹配合的外螺纹，水平荷载传感器与连接杆通过内、外螺纹相对转动连接，通过内、外螺纹结构不仅保证了待测试件避免受到扭矩的干扰，而且，当待测试件的长度有变化时，还能够通过该内、外螺纹结构消除待测试件的长度差对安装的影响。

进一步的，本发明通过在外部框架固定装置上设置第四横梁，第四横梁上设置试件固定装置，在加载过程中通过试件固定装置夹持待测试件，能够防止待测试件在加载过程中由于偏心等因素发生平面外失稳。

进一步的，本发明的试件固定装置通过设置与待测试件的轴线垂直的燕尾形滑槽，燕尾形滑槽上设置用于夹持待测试件的滑动夹具，再通过设置双向丝杠来使得左滑动夹具和右滑动夹具同步相向或相背移动来夹持待测试件，保证了滑动夹具在夹持待测试件时不会对待测试件产生外力从而干扰影响实验结果，同时，在加载过程中，可防止待测试件在加载过程中由于偏心等因素发生平面外失稳。

进一步的，本发明的外部框架固定装置的工字型钢梁承台的两端分别设置梯形水平反力架和三角形反力架，保证了整体结构的强度和刚度。

进一步的，本发明通过将第一横梁、第二横梁、第三横梁、第四横梁和立柱均为工字型横梁，工字型钢梁承台、第一横梁与第四横梁的翼板均上下设置，第二横梁、第三横梁和立柱的翼板均左右设置，第四横梁的两端与立柱的腹板连接，第二横梁的两端与梯形水平反力架上的第一立柱的腹板连接，这种设计充分利用了工字钢的受力特点，保证了本发明整体结构受力的合理性。

进一步的，本发明通过在梯形水平反力架内设置对梯形水平反力架施加预应力的预应力钢索，以消除钢索初始阶段的非弹性变形，提高了梯形水平反力架的抗弯能力和刚度，增加其耐久性。

【附图说明】

图1为本发明的整体结构示意图；

图1(a)本发明的俯视图；

图1(b)为本发明中梯形水平反力架的结构示意图；

图1(c)为本发明中三角形反力架的结构示意图；

图2为本发明中试件加载装置的结构示意图；

图3为本发明中试件固定装置的结构示意图；

图4为本发明中数据采集系统的结构示意图；

其中，1-梯形水平反力架，1-1-第一立柱，1-2-上横梁，2-预应力钢索，3-立柱，4-第一地锚螺栓，5-工字型钢梁承台，6-第一横梁，7-第二地锚螺栓，8-三角形反力架，9-第一端板，10-高强螺栓，11-第二横梁，11-1-第三横梁，11-2-第四横梁，12-水平作动器，13-待测试件，14-水平荷载传感器，15-连接杆，16-第一连接铰，16-1-第二连接铰，17-第二端板，18-底板，19-连接板，19-1-燕尾形滑槽，20-1-左滑动夹具，20-2-右滑动夹具，21-左推杆，21-1-右推杆，22-双向丝杠，23-第一连接螺母，23-1-第二连接螺母，24-固定螺母，25-电脑，26-液压油源，27-液压油管，28-四芯导线，29-控制器，30-多通道应变采集仪。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1至图4所示，本发明的自动控制轴心受力构件往复荷载加载装置，包括外部框架固定装置，外部框架固定装置上设有用于对待测试件13加载的试件加载装置，试件加载装置上连接有数据采集系统；

外部框架固定装置包括并排设置的工字型钢梁承台5，工字型钢梁承台5左右两侧分别连接有梯形水平反力架1和三角形反力架8，梯形水平反力架1内设有对梯形水平反力架1施加预应力的预应力钢索2，预应力钢索2的上端与梯形水平反力架1的上横梁1-2连接，下端与工字型钢梁承台5连接，第二横梁11的两端分别与并排的梯形水平反力架1连接，第三横梁11-1的两端分别与并排的三角形反力架8连接，工字型钢梁承台5上在梯形水平反力架1和三角形反力架8之间设有立柱3，同侧的立柱3与梯形水平反力架1之间通过第一横梁6连接，第一横梁6与工字型钢梁承台5平行且设置在立柱3的上端，并排的立柱3之间连接有第四横梁11-2；

第一横梁6、第二横梁11、第三横梁11-1、第四横梁11-2和立柱3均为工字型横梁，工字型钢梁承台5、第一横梁6与第四横梁11-2的翼板均上下设置，第二横梁11、第三横梁11-1和立柱3的翼板均左右设置，第四横梁11-2的两端与立柱3的腹板连接，第二横梁11的两端与梯形水平反力架1上的第一立柱1-1的腹板连接；

试件加载装置包括水平作动器12、水平荷载传感器14和连接杆15，水平作动器12和水平荷载传感器14分别与数据采集系统连接，水平作动器的左端与第二横梁11固定连接，右端通过第一连接铰16与待测试件13的左端连接，待测试件13的右端与水平荷载传感器14固定连接，水平荷载传感器14的右端设有内螺纹，连接杆15的左端设有与该内螺纹配合的外螺纹，水平荷载传感器14与连接杆15通过内、外螺纹相对转动连接，连接杆通过第二连接铰16-1与第三横梁11-1铰接；

第四横梁11-2设置在上设有试件固定装置，试件固定装置用于夹持待测试件13，防止待测试件在加载过程中由于偏心等因素发生平面外失稳；

试件固定装置包括用于夹持待测试件13的滑动夹具、双向丝杠22和固定在第四横梁上的连接板19，连接板19上贯通开设燕尾形滑槽19-1，燕尾形滑槽19-1的开设方向与待测试件13的轴线垂直，滑动夹具设置在待测试件13的中部，滑动夹具中心开设有与待测试件13横截面相适配用于夹持待测试件的凹槽，凹槽的轴心与待测试件13同轴；

滑动夹具包括对称的左滑动夹具20-1和右滑动夹具20-2，滑动夹具的下端为与燕尾形滑槽19-1相适配的滑块且设置在燕尾形滑槽19-1内，左滑动夹具20-1和右滑动夹具20-2上分别连接有左推杆21和右推杆21-1；

双向丝杠22的两端分别配合设置有第一连接螺母23和第二连接螺母23-1，第一连接螺母23和第二连接螺母23-1分别与左推杆21和右推杆21-1连接，通过旋转双向丝杠22，使左滑动夹具20-1和右滑动夹具20-2同步相向或相背移动；

水平作动器12、待测试件13、水平荷载传感器14和连接杆15同轴且水平；

数据采集系统包括电脑25、液压油源26、控制器29和多通道应变采集仪30，液压油源26通过液压油管27与水平作动器相连12，控制器29的输出端通过四芯导线28分别与水平作动器12的控制端及液压油源26的控制端相连接，水平荷载传感器14的输出端与多通道应变采集仪30的输入端相连接，多通道应变采集仪30的输出端与电脑25相连接。

本发明的梯形水平反力架1的下端通过第一地锚螺栓4与工字型横梁承台5连接，梯形水平反力架1上端和第一横梁6的左端固定连接，在第一横梁6的右端和立柱3通过高强螺栓10连接并一起通过第一地锚螺栓4固定连接在工字型钢梁承台5上，所述的三角形反力架8通过第二地锚螺栓7与工字型钢梁承台5固定连接。

本发明的第四横梁11-2通过端板与立柱3固定连接，底板18下表面与第四横梁11-2焊接形成整体，底板18上表面焊接有连接板19，连接板19上贯通开设燕尾形滑槽19-1，滑动夹具在左右两端(即左滑动夹具20-1，右滑动夹具20-2)分别开设半圆形凹槽，组成圆形凹槽以便夹持待测试件13，固定螺母24旋转连接在双向丝杠的两端，待滑动夹具夹持好待测试件13后，将固定螺母24与连接螺母相接触并对其施加预紧力，从而使滑动夹具稳定夹持待测试件13。

本发明的第二横梁11通过高强螺栓10和第一端板9与梯形水平反力架1的第一立柱1-1相连，水平作动器12的左端通过第二端板17和第二横梁11相连接，水平作动器12的右端通过端板及第一连接铰16和待测试件13相连接，水平荷载传感器14的左端通过端板和待测试件13相连接，连接杆右端通过端板与第二连接铰16-1连接，第二连接铰16-1通过端板与第三横梁11-1相连。

需要说明的是：本发明以圆钢管构件举例，并不局限于对圆钢管的性能测试上，通过对试件固定装置中滑动夹具的凹槽按照相应的构件截面形式进行加工，即可满足各种截面形式轴心受力构件静力和滞回性能的测试。

本发明具有以下几点有益效果：

1、本发明自动控制轴心受力构件往复荷载加载装置在具体操作时，采用水平作动器12及连接杆15来加载水平荷载，通过电脑25及控制器29灵活调节水平作动器12，在加载过程中通过电脑25对水平作动器12的行程进行高精度控制。

2、通过滑动夹具可以有效夹持待测试件13，防止待测试件13在加载过程中由于偏心等因素发生平面外失稳；可以根据待测试件13的实际尺寸调节立柱13以及第一横梁6的位置，同时待测试件13与加载装置连接方便，只需通过移动连接铰的位置即可满足对不同类型的轴心受力构件的试验。

3、所有的加载构件都可以拆卸及组装，运输便利，而且构造简单，占地面积小，既满足了施工现场或某些特定环境的使用要求，同时又可以有效保证实验的精度。

本发明的操作过程分为五步，具体为：

第一步：把两个工字型钢梁承台5水平对齐放置在地面上，并将梯形水平反力架1放置在工字型钢梁承台5左侧上，通过第一地锚螺栓4连接固定，再将三角反力架8放置在工字型钢梁承台5的右侧，通过第二地锚螺栓7连接固定；通过高强螺栓10将第一横梁6的左端和梯形水平反力架1的第一立柱1-1的上端相连，再通过高强螺栓10将第一横梁6的右端和立柱3的上端连接，并通过第一地锚螺栓4一起固定在工字型钢梁承台5上，通过预应力钢索2对梯形水平反力架1施加预应力；

第二步：在两个立柱3中间通过高强螺栓10和端板9将第四横梁11-2固定连接在立柱3的腹板上，并保持两端处于同一水平面上；并在第四横梁11-2的翼缘上表面中间处焊有一块底板18形成一个整体，将连接板19焊接在底板18上表面，使连接板19上的燕尾形滑槽1-1与待测试件13的轴线垂直，将滑动夹具20对称布置在燕尾形滑槽里，当需要夹持钢管时，通过旋转固定螺母与连接螺母相接触并对其施加预紧力从而使滑动夹具来夹持待测试件；

第三步：将第二横梁11的两端通过高强螺栓10和端板与梯形水平反力架1的第一立柱1-1相连，水平作动器12的左端通过长锚杆穿过端板和第二横梁11的两个翼缘来固定连接，水平作动器12的右端通过端板及第一连接铰16与待测试件13的左端相连接，待测试件13的右端通过端板和高强螺栓与水平荷载传感器14的左端连接，水平荷载传感器14的右端通过带有丝扣的连接杆15旋入连接，连接杆15的右端通过第二连接铰16-1和端板连接，第二连接铰16-1上连接的端板通过长锚杆穿过该端板和第三横梁11-1的两个翼缘来固定连接，最后将第二工字型横梁11通过高强螺栓10及端板和三角形反力架8中间两端相连；

第四步：液压油源26通过液压油管27和水平作动器12相连，控制器29的输出端与水平作动器12的控制端及液压油源26的控制端通过四芯导线28相连接，水平荷载传感器14的输出端与多通道应变采集仪30的输入端相连接，多通道应变采集仪30的输出端与电脑25相连接来采集数据；

第五步：当需要测试时，通过电脑25和控制器29控制水平作动器12施加水平荷载至设计值，按照实验方案的水平加载制度控制作动器施加往复荷载直至试件破坏，并通过电脑和多通道应变采集仪采集试验过程中的水平力P(t)和位移S(t)；根据试验过程中所记录的水平力P(t)与水平力作用点处的水平位移S(t)，绘出待测试件的荷载-位移曲线。