一种平动转动试验连接装置的制作方法

本发明涉及建筑结构力学试验技术领域，特别涉及一种平动转动试验连接装置。

背景技术：

建筑物在设计使用年限内，不仅承受设备、人群、土压力等静载作用，经受风、雪、冰、雨、日照等自然环境作用，而且可能遭受地震、波浪、水流和爆炸等动载作用。它们的安全可靠与否，不但影响工农业生产，还常常关系到人身安危。在上述动态荷载中，地震荷载是较常见的动态荷载，对人类社会的危害较大，受地震动的多维性、随机性及建筑物结构自身不规则性的影响，地震荷载反映到结构构件上通常是轴-弯-剪-扭复合的动力荷载。目前，国内外多通过加载装置进行多向往复加载试验，以研究建筑物的抗震性能，试验的成功与否，取决于多向荷载的有效施加。为实现地震动的有效模拟，往往需对试件施加平动和转动位移，或三个方向(两互相垂直的水平方向及竖直方向)施加位移。

随着试验设备的不断发展，加载装置由以往的油压千斤顶逐渐更换为电液伺服控制作动器。常用电液伺服控制作动器，由加载系统施加荷载或位移加载的信号源，电液伺服控制作动器按照加载谱有效实施相应命令。相对于传统的油压千斤顶，电液伺服控制作动器具有更高的适应性、便捷性与准确性。在单一方向加载或独立加载的情况下，电液伺服控制作动器取得了良好的试验效果。然而，当多个作动器同时对试件同一端部加载时，却难以保证不同方向作动器的协调加载。目前，为方便固定和安装，已有作动器两端部均采用单向铰设计，从而防止作动器随意转动，造成作动器固定不稳定等问题。上述设计，对于固定作动器，单一方向调节作动器较为有利，但无法实现任意方向的转动。在模拟地震动时，通过电液伺服控制作动器对试件的同一端于三个方向(两互相垂直的水平方向及一个竖直方向)施加位移，垂直方向作动器与试件顶部连接，水平向作动器加载产生位移后，试件由初始垂直位置产生偏移，则上部垂直方向作动器跟随发生偏移，从而造成垂直作动器发生倾斜，无法实现轴心方向垂直加载。目前并没有装置能解决上述试验中水平和垂直三个加载方向的作动器协调加载的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题而提出的一种平动转动试验连接装置，该连接装置放置于垂直作动器与试件顶部之间，可保证三个方向作动器的协调加载，达到水平作动器能自由移动，垂直作动器始终保持竖向加载，试件三个加载方向的受力互不影响的效果。

本发明解决的技术问题采用的技术方案为：包括上圆盘、中圆盘、滚珠、下圆盘、钢框架、球形铰和立柱，所述钢框架顶部设置有下圆盘，所述下圆盘顶部设置有中圆盘，所述中圆盘板面上开设有若干通孔，所述通孔内设置有直径小于通孔的滚珠，所述滚珠凸出于中圆盘的顶部，所述滚珠上方设置有上圆盘，所述上圆盘外围通过若干立柱与下方的钢框架固定连接，所述下圆盘底部中间固定连接于球形铰的顶部，所述球形铰的底部位于钢框架的正下方且为平面，所述上圆盘的直径大于下圆盘的直径，所述下圆盘的直径大于中圆盘的直径。

所述下圆盘、中圆盘和滚珠位于上圆盘、钢框架和立柱组成的空间内部，且下圆盘的底部周边受到钢框架顶部的支撑，滚珠的顶部距离上圆盘的底部有一定的距离，所以当球形铰受到向上的力并给予下圆盘一个向上的力时，下圆盘可向上移动并脱离钢框架，滚珠的顶部与上圆盘的底部接触，因为下圆盘的直径比上圆盘小、立柱位于上圆盘的四周，所以下圆盘可以通过滚珠与上圆盘接触并且在水平方向上相对于上圆盘有一定的移动空间，该移动的范围大小取决于试验侧移的最大值。

滚珠在中圆盘中的排布方式是随意的，数量也可以根据试验需要调整。

球形铰的结构形式不定，可以有多种选择，但球形铰的底部因为放置于试件的顶部，必须为平面，且球形铰的底部可绕球头任意方向旋转，球形铰的顶部位于钢框架的框架中部，当试件顶部因受力发生倾斜时，球形铰的底部可跟随发生倾斜但其顶部依旧水平，以此保证轴心方向加载不受影响。

其中，优选方式为：

所述上圆盘的顶部开设有若干带螺纹的孔洞。所述孔洞为非贯通洞，以保证上圆盘底部为平整底面，为了试验需要，垂直作动器的底部设置有若干高强螺杆，上圆盘上的孔洞与垂直作动器底部的螺杆配合，将本发明固定于垂直作动器的底部。

所述上圆盘上方设置有周边带通孔的连接板，所述上圆盘与连接板之间通过支柱固定连接。为了试验需要，垂直作动器的底部设置有若干高强螺杆，所述螺杆穿过并凸出于连接板相对位置的通孔下方与螺帽相配合。

所述球形铰包括顶座、球头、顶部开设有球窝的底座和板面开设有球面孔的盖板，所述顶座的顶部固定连接于下圆盘的底部中央，所述顶座底部固定连接于球头的顶部，所述球头的顶部下方由盖板的球面孔扣于底座的球窝内，所述盖板通过螺栓固定于底座的顶部，所述底座的底部为平面结构。所述球形铰的球头的顶部下方被盖板的球面孔扣于底座的球窝内，底座可以绕着球头在任意方向转动，在试件顶部与球形铰脱离时，底座不会脱离球头，该球形铰始终保持一个整体。

所述钢框架为钢柱焊接而成的位于同一平面内的多边形。

所述钢框架的优选形状为矩形。下圆盘的底部四周搭载于钢框架的框架上，球形铰位于钢框架的镂空区域。

所述上圆盘、下圆盘和滚珠为高强度钢材质制作，所述中圆盘为普通钢材或者高强度钢材质制作。

本发明的有益效果是：在进行模拟地震试验时，将本装置放置于作动器与试件之间，给试件的同一端于三个方向(两互相垂直的水平方向及一个竖直方向)施加位移，试件因水平方向受力发生位移时，试件带动下圆盘相对于上圆盘发生水平方向的位移，当试件顶部发生倾斜时，试件带动球铰底座发生倾斜，但球铰的顶座保持水平，试件发生这两种情况的移动，均不影响垂直作动器的轴心方向的垂直加载，所以水平方向作动器自由移动，并不影响垂直作动器向下施加垂直轴向力，实现了垂直方向作动器与水平方向作动器的协调加载。

附图说明

图1为本发明实施例1的立体示意图；

图2为本发明实施例1的正视图；

图3为本发明实施例2的立体示意图；

图4为本发明实施例2的正视图；

图5为本发明结构中球形铰的放大示意图；

图中：1、上圆盘2、中圆盘3、滚珠4、下圆盘5、钢框架6、球形铰61、顶座62、球头63、底座64、盖板65、螺栓7、立柱8、孔洞9、通孔10、连接板11、支柱。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步描述。

实施例1：

如图1～2和图5所示，本发明所述的一种平动转动试验连接装置，包括上圆盘1、中圆盘2、滚珠3、下圆盘4、钢框架5、球形铰6和立柱7，所述钢框架5顶部设置有下圆盘4，所述下圆盘4顶部设置有中圆盘2，所述中圆盘2板面上开设有若干通孔，所述通孔内设置有直径小于通孔的滚珠3，所述滚珠3凸出于中圆盘2的顶部，所述滚珠3上方设置有上圆盘1，所述上圆盘1外围通过若干立柱7与下方的钢框架5固定连接，所述下圆盘4底部中间固定连接于球形铰6的顶部，所述球形铰6的底部位于钢框架5的正下方且底部为平面，所述上圆盘1的直径大于下圆盘4的直径，所述下圆盘4的直径大于中圆盘2的直径。

所述下圆盘4、中圆盘2和滚珠3位于上圆盘1、钢框架5和立柱7组成的空间内部，且下圆盘4的底部受到钢框架5顶部的支撑，滚珠3的顶部距离上圆盘1的底部有一定的距离，所以当球形铰6受到向上的力并给予下圆盘4一个向上的力时，下圆盘4可向上移动并脱离钢框架5，滚珠3的顶部与上圆盘1的底部接触，因为下圆盘4的直径比上圆盘1小、立柱7位于上圆盘1的四周，所以下圆盘4可以通过滚珠3与上圆盘1接触并且在水平方向上相对于上圆盘1有一定的移动空间，该移动的范围大小取决于试验侧移的最大值。

滚珠3在中圆盘2中的排布方式是随意的，数量也可以根据试验需要调整。

球形铰6的结构形式不定，可以有多种选择，但球形铰6的底部因为放置于试件的顶部，其底部必须为平面，且球形铰6的底部可绕球头任意方向旋转，球形铰6的顶部位于钢框架5的框架中部，当试件顶部因受力发生倾斜时，球形铰6的底部可跟随发生倾斜但其顶部依旧水平，以此保证轴心方向加载不受影响。

所述上圆盘1的顶部开设有若干带螺纹的孔洞8。所述孔洞8为非贯通洞，以保证上圆盘1底部为平整底面，为了试验需要，垂直作动器的底部设置有若干高强螺杆，上圆盘1上的孔洞8与垂直作动器底部的螺杆配合，将本发明固定于垂直作动器的底部。

所述球形铰6包括顶座61、球头62、顶部开设有球窝的底座63和板面开设有球面孔的盖板64，所述顶座61的顶部固定连接于下圆盘4的底部中央，所述顶座61底部固定连接于球头62的顶部，所述球头62的顶部下方由盖板64的球面孔扣于底座63的球窝内，所述盖板64通过螺栓65固定于底座63的顶部，所述底座63的底部为平面结构。所述球形铰6的球头62的顶部下方被盖板64的球面孔扣于底座63的球窝内，底座63可以绕着球头62在任意方向转动，在试件顶部与球形铰6脱离时，底座63不会脱离球头62，该球形铰6始终保持一个整体。

所述钢框架5为钢柱焊接而成的位于同一平面内的多边形。

所述钢框架5的优选形状为矩形。下圆盘4的底部四周搭载于钢框架5的框架上，球形铰6位于钢框架5的镂空区域。

所述上圆盘1、下圆盘4和滚珠3为高强度钢材质制作，所述中圆盘2为普通钢材或者高强度钢材质制作。

实施例2：

如图3～5所示，本实施例与实施例1中的结构基本相同，不同之处为所述上圆盘1顶部没有孔洞8，而是在上圆盘1上方设置有周边带通孔9的连接板10，所述上圆盘1与连接板10之间通过支柱11固定连接。为了试验需要，垂直作动器的底部设置有若干高强螺杆，所述螺杆穿过并凸出于连接板10相对位置的通孔9下方与螺帽相配合。

本发明的具体使用过程为：根据实施例1或者实施例2的结构，将该连接装置固定连接于垂直作动器的底部，垂直作动器被加力架固定，将试件顶部放置一合适大小的梁箱，并将球形铰6的底部放置到梁箱的顶部，另外，还需要在本连接装置立柱7的位置处设置两对放横梁(此对放横梁固定于外部的支撑柱上)，对连接装置整体的移动进行约束，防止在施加荷载的过程中，连接装置随试件出现意外过大位移，对垂直作动器造成不必要的破坏。

水平作动器对试件的水平方向施加相互垂直的往复荷载，垂直作动器对试件的顶部施加垂直向下的轴向力，试件因受水平方向荷载会于水平方向产生位移，带动球形铰6以及下圆盘4通过滚珠3相对于上圆盘1产生水平方向的移动，如此上圆盘1可保持不动，垂直作动器也保持原垂直加载，当试件顶部因受荷载出现倾斜时，球形铰6的底座63的底部随试件顶部发生倾斜，球头62在底座63的球窝内发生转动，此时顶座61仍然可以保持水平，垂直作动器仍然可以保持轴心方向的垂直加载。

本发明的使用，使得水平方向作动器可以自由移动，即使水平方向施加荷载导致试件顶部发生倾斜或者位移，垂直作动器的轴心方向的垂直加载不会受到影响，实现了垂直方向作动器与水平方向作动器的协调加载。