模拟框架梁柱中节点承受水平地震作用的试验装置的制作方法

本发明涉及土木工程技术领域，具体地，涉及一种模拟框架梁柱中节点承受水平地震作用的试验装置。

背景技术：

框架结构不仅具有布置灵活、结构整体性好及刚度较好等优点，且拥有良好的抗震性能，同时还具有自重轻，耗材少，工期短等优点。

梁柱节点是指框架结构中节点核心区域、靠近节点核心区梁端及靠近节点核心区柱端。它是框架结构中重要传力枢纽，能传递和分配内力，一般比梁、柱、板构件受力复杂，其所承受的剪力约为柱子承受剪力的4～6倍。框架节点是框架结构中最为薄弱部位，框架节点破坏会危及到结构的整体安全，引起整个房屋的倒塌，从而带来人员伤亡和重大财产损失，所以针对梁柱节点滞回性能（p-δ）的检测尤为重要，可以充分反映整个结构的抗震性能。

现有技术中，对于梁柱节点滞回性能的研究主要采用结构拟静载试验，拟静载试验可以模拟地震作用下节点试件的抗震性能，但是，大多数的拟静力试验所采用的加载方式是柱端加载，柱端加载的拟静力试验主要研究的是柱端的塑性铰，从单一方面的柱端不能完整的表现出节点在地震作用下的抗震性能。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种结构简单、操作简便、可更真实地反映梁柱节点实际受力状况和p-δ效应的模拟框架梁柱中节点承受水平地震作用的试验装置。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种模拟框架梁柱中节点承受水平地震作用的试验装置，包括固接于地面的反力刚架，反力刚架为由竖支撑架和横支撑架形成的稳定框架结构，梁柱节点试件柱顶设有可在柱顶处施压的轴压加载装置、柱底通过两个对称设置的柱铰支座与地面相接，轴压加载装置第一端连接至横支撑架上、第二端与梁柱节点试件柱顶通过铰支座铰接；还包括可向梁柱节点试件在梁以上的柱端侧面施加水平力的往复加载装置；梁柱节点试件的梁端与地面之间设有竖直布置的连杆，连杆两端分别与梁端及地面通过铰接座铰接；柱铰支座呈垂直折弯型结构，柱铰支座的第一折弯部与地面连接、第二折弯部朝柱端侧面设置，第二折弯部与柱端侧面之间夹设有圆柱杆，两个柱铰支座之间通过连接件固定。

进一步地，梁柱节点试件柱底与地面之间设有长方体形的底座，柱铰支座的第一折弯部贴合底座上表面，连杆与地面铰接的铰接座位于底座上表面。

更进一步地，底座为砼梁底座。

进一步地，柱铰支座的第一折弯部和第二折弯部之间设有至少一道加强筋。

进一步地，轴压加载装置第一端设有两块呈间距平行叠放的钢夹板，两块钢夹板的间距中安放有多根直径与间距等大的滚轴，两块钢夹板通过钢片连接件连接，轴压加载装置与一块钢夹板固定相接，另一块钢夹板通过挂钩连接至横支撑架。

进一步地，往复加载装置施力处设有安装于柱端的受力钢板架，受力钢板架包括依次平行设置的第一钢板、第二钢板和第三钢板，第一钢板贴合远离往复加载装置的柱端侧面，第三钢板朝向往复加载装置的加载端且与加载端相连，第二钢板与第三钢板螺栓连接且具有间距，第二钢板与朝向往复加载装置的柱端侧面之间设有间距，第一钢板与第二钢板螺栓连接。

进一步地，柱顶稳固套设有柱端钢套，柱端钢套与铰支座固定连接。

进一步地，铰接座包括相互独立的底板和铰接部，铰接部包括铰接块和与铰接块垂直的安装板，底板设有与铰接块结构适配并能供铰接块穿过的通孔，底板第一表面在通孔周围设有沉台槽，安装板与沉台槽结构适配；铰接块上设有铰接孔，连杆与铰接孔通过铰接件实现铰接。

更进一步地，梁端的铰接座底板与梁端采用贯穿梁端内部结构的锚固螺栓相接。

进一步地，还包括可供往复加载装置安装高度灵活调节的升降装置。

进一步地，往复加载装置为电液伺服作动器，轴压加载装置为千斤顶。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）本试验装置充分模拟框架结构梁柱节点在地震作用下的受力状况，在柱底的柱端侧面和柱铰支座之间设置圆柱杆这一活动铰接装置，柱端受力带动圆柱杆转动，可有效释放柱端能量，起到实现柱底能自由转动的铰接作用；而柱顶与轴压加载装置活动铰接，轴压加载装置施加竖向轴力能实现试验规定轴压比，且轴压加载装置相接的活动铰可实现柱顶自由转动，此外轴压加载装置加载端始终位于梁柱节点试件形心轴上，以防止试验过程中梁柱节点试件发生平面外失稳；

2）垂直折弯型结构的柱铰支座上设置加强筋，增加了该支座的整体刚度，增强了受力和抵抗变形的能力；

3）在地面和柱底之间再设置砼梁底座，砼梁底座与混凝土地面摩擦系数大，且底座通过多个地锚螺栓紧紧锚固，使得底座摩擦力大大增加，可有效减少了柱底滑移现象；

4）往复加载装置将集中推力施加至第三钢板，再传递至第二块钢板，第二钢板将力分散到该侧柱端侧面，同样还可传递传至第三块钢板，第三钢板将力反方向分散到该侧柱端侧面，往复加载装置的加载端不直接与柱端侧面接触，不会产生应力集中，本发明的三块钢板设计有助于应力分散，往复加载装置作低周期循环往复运动类似于地震运动，如此即实现了水平地震力模拟；

5）轴压加载装置将竖向集中力下传到柱端钢套，柱端钢套将集中力均匀分散到节点试件柱顶，从而给柱顶施加轴力，该轴力对柱产生应力类似于实际框架结构柱轴力将均匀分布到柱截面的实际应力；

6）轴压加载装置与横支撑架之间的钢夹板、滚轴等设置，可确保轴压加载装置的加载力始终竖直向下，充分模拟节点试件顶端的竖向加载力；

7）铰接座由两个部分组装进行工作，其可拆卸，单体部件重量轻，利于组装和搬运，且单体构件后期互换性强；

8）铰接座安装至梁端和通过砼梁底座与地面固定时，其安装螺栓需分别贯穿梁端和砼梁底座内部，使梁端铰接处与铰接座成为一个整体，固定效果好，铰接座不会沿梁端发生移动，同时也避免这些外部因素影响试验效果；

9）连杆采用两块钢板形成，两块钢板刚好形成对称结构，可使得受力沿着连杆方向，减小偏心方向力。

附图说明

图1为实施例1所述的模拟框架梁柱中节点承受水平地震作用的试验装置在试验过程中的结构示意图；

图2为实施例1所述的底板的俯视图；

图3为实施例1所述的底板的剖视图；

图4为实施例1所述的铰接部的主视图；

图5为实施例1所述的铰接部的俯视图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示，提供一种模拟框架梁柱中节点承受水平地震作用的试验装置，包括固接于地面的反力刚架，反力刚架为由两根竖支撑架11和一根横支撑架12形成的稳定框架结构，梁柱节点试件位于反力刚架内，横支撑架12上通过连接结构连接一千斤顶31，本实施例的轴压加载装置即为千斤顶31，千斤顶31与梁柱节点试件柱顶通过铰支座9铰接并可向梁柱节点试件柱顶a1处施加压力（在对梁柱节点试件进行初始施压时，该压力是朝柱轴方向施加的）；试验装置还包括可向梁柱节点试件在梁以上的柱端侧面施加水平力的电液伺服作动器32，电液伺服作动器32端部可拆卸安装在竖支撑架11上；梁柱节点试件柱底a2与地面之间设有长方体形的砼梁底座4，梁柱节点试件的梁端a3与砼梁底座4之间设有竖直布置的连杆5，连杆5两端分别与梁端反弯点处及地面通过铰接座6铰接，其中，连杆5与地面铰接的铰接座6位于砼梁底座4上表面；柱底a2与地面的铰接是通过两个对称设置在柱底两侧的柱铰支座7来实现的。

具体来说，柱铰支座7呈垂直折弯型结构，其第一折弯部71贴合砼梁底座4上表面并与地面连接、第二折弯部72朝柱端侧面设置，第二折弯部72与柱端侧面之间夹设有一根与柱轴方向呈垂直布置的圆柱杆73，圆柱杆73的外周面与第二折弯部72和柱端侧面接触，两个柱铰支座7通过在两个第二折弯部72之间设置连接螺栓来固定。

柱端受力将会带动圆柱杆73转动，两根圆柱杆的转动可释放柱端能量，起到优良的铰接效果，充分模拟地震情况下框架结构柱端的实际状态。

圆柱杆73为壁厚较厚的钢管，以保持整个试验过程中其表面圆柱面不发生挤压变形。

第一折弯部71与地面之间通过锚固螺栓进行固定，为防止砼梁底座4与地面发生较大相对滑移影响试验效果，宜将这些锚固螺栓贯穿砼梁底座4，如此一来，砼梁底座相当于被定住在该位置，此外，砼梁底座与混凝土地面摩擦系数大，锚固螺栓进一步使得砼梁底座与地面摩擦力大大增加，柱底端与地面为铰接关系，柱底端存在轴力，虽柱底端水平力有所增加的同时竖向力也越大，但竖向力越大时柱底与砼梁底座的摩擦力也就越大，因此相比不设置底座或设置钢梁材质的底座来说，砼梁底座可有效减少柱底的滑移现象。

因柱底a2受力状况复杂，为防止柱铰支座7在柱底动作时发生形变，可在柱铰支座的第一折弯部71和第二折弯部72之间增设两道均匀分布的三角形加强筋74，以增加柱铰支座7的整体刚度，增强其受力和抵抗变形的能力。

千斤顶31与横支撑架12之间的连接结构为在千斤顶朝向横支撑架的端部（即千斤顶第一端）设置两块呈间距平行叠放的钢夹板21，两块钢夹板21的间距中安放有多根直径与间距等大的滚轴22，两块钢夹板21通过钢片连接件23连接，千斤顶31与靠近其的一块钢夹板21固定相接，另一块钢夹板21通过挂钩24连接至横支撑架12。

本实施例采用千斤顶配合这种带有滚轴的连接结构来共同作用，在梁柱节点试件受水平往复载荷时，柱顶的竖向轴力始终保持竖向恒定轴力，可精确模拟可动铰支座，达到试验需求。

电液伺服作动器32施力处设有安装于柱端的受力钢板架，受力钢板架包括依次平行设置的第一钢板81、第二钢板82和第三钢板83，第一钢板81贴合远离该电液伺服作动器32的柱端侧面，第三钢板83朝向电液伺服作动器的加载端且与加载端相连，第二钢板82与第三钢板83螺栓连接且通过螺栓与多个螺母的配合使第二钢板和第三钢板之间具有间距，第一钢板81与第二钢板82通过螺栓螺母配合连接，此后，为提升受力钢板架的整体结构稳定性，上述的三块钢板之间还通过四根均匀分布的连接螺栓统一连接固定。

具体地，电液伺服作动器32将集中力作用于第三钢板83，集中力将传递至第二钢板82和第一钢板81，第二钢板82可将力分散到相应柱端侧面，第一钢板81则将力反方向分散到相应柱端侧面，电液伺服作动器32的加载端不直接与柱端侧面接触，不会产生应力集中，三块钢板的设计有助于应力分散，电液伺服作动器作低周期循环往复运动，类似于地震运动，实现水平地震力的模拟。

梁柱节点试件的柱顶a1稳固套设有柱端钢套（柱端钢套如柱顶的帽子，图1中未详细示出），柱端钢套与铰支座固定连接，千斤顶与铰支座也为固定连接，铰支座铰接点与柱顶顶面中心严格对中，以防止试验过程中梁柱节点试件发生平面外失稳，柱端钢套可将集中力均匀分散到梁柱节点试件柱顶，从而给柱顶施加轴力，该轴力对柱产生的应力类似于实际框架结构柱轴力将均匀分布到柱截面的实际应力。

本实施例的铰接座颠覆以往的一体化设计理念，转而设计成由相互独立的底板61和铰接部配合形成，如图2至图5所示，铰接部包括铰接块62和与铰接块垂直的安装板63，底板61设有与铰接块结构适配并能供铰接块穿过的通孔611，底板第一表面在通孔周围设有沉台槽612，安装板63与沉台槽612结构适配；铰接块62上设有铰接孔，连杆5与铰接孔通过铰接件实现铰接。

这种分体配合使铰接座6加工简单、耗材较少、安装和拆卸方便，分体件重量轻，利于组装和搬运，且分体件在后期使用过程中发生损坏时易替换。如同样的材料加工成整体式铰接座，一来加工困难、加工时间长，二来尺寸精度也难以得到控制，再者浪费大量材料，且整体重量大，不便于安装和拆卸。从受力方面考虑，这种分体式的铰接座同样能达到整体支座的效果。

连杆5一端的铰接座6安装至梁端a3时，其底板61贴合梁端下表面，梁端上表面安置一块钢垫板64，采用锚固螺栓将钢垫板64和底板61连接即可，为进一步确保铰接座6与梁端a3的固定效果，本实施例选择将锚固螺栓贯穿梁端a3内部结构，如此即可使铰接座安装至梁端后与梁端结合成一个整体，可有效防止铰接座相对梁端发生沿梁端方向的移动。

连杆另一端的铰接座6与地面连接时，其底板贴合砼梁底座4上表面，同样的，该底板61与地面连接的锚固螺栓也贯穿砼梁底座4内部结构，此时，该铰接座、砼梁底座和地面形成一个整体，三者保持相对固定。

连杆5为两块平行于铰接块62设置的钢板，两块钢板将铰接块62夹在中间，钢板在铰接块的铰接孔对应位置也设有铰接孔，铰接孔内的铰接件可为销轴，连杆的这种设计可保证梁端a3受力在传递至砼梁底座4相应铰接处时力的传递方向是沿着连杆方向的，能有效减小偏心方向力。

为更好地模拟水平地震力的施加，本试验装置还考虑了电液伺服作动器32的高度安装问题，地面上竖直固定一滑轨b，滑轨b上安装了一辆可沿滑轨上下滑移的升降车c，电液伺服作动器32的中段部分位于升降车c上，将电液伺服作动器端部从竖支撑架11上拆下，同时将其加载端从与第三钢板83的连接处分离，即可通过升降车c的滑移来灵活调节其安装高度，此后将受力钢板架调节至相应高度后再与加载端连接，然后将电液伺服作动器32端部连接至竖支撑架11即可，实现水平地震力在柱端作用位置不同情况下的模拟。

本试验装置进行加载时，梁柱节点试件柱端受到竖向应力与水平方向往复应力，使得柱端应力不断地往梁柱节点传播，根据节点受力平衡，将受力传给梁端与柱底端，梁端受力将传给梁端处铰接座，梁端处铰接座再通过连杆传给砼梁底座处铰接座。

本试验装置的具体试验方法如下：通过千斤顶分级对柱顶施加竖向轴力，当荷载达到试验预定轴压比（n=0.3）时停止加载，并保持竖向轴力恒定不变，千斤顶上安装有相应的荷载传感器来采集竖向荷载参数。

水平低周期循环往复加载制度采用力-位移（p-δ）混合加载制度（先荷载加载，后位移加载），具体加载过程为：

1.荷载加载阶段：电液伺服作动器通过分级施加循环荷载，每级荷载循环一次。荷载加载至发现梁柱节点试件的节点区域有明显裂缝时，停止加载，将试件出现第一条裂缝对应的荷载作为开裂荷载，电液伺服作动器上也设有荷载传感器采集相应水平荷载参数。

2.位移加载阶段：在试件荷载加载停止后采用位移加载，荷载加载停止时对应梁柱节点试件柱顶部水平位移△作为位移加载基数，按位移基数△的倍数进行逐级加载，每级位移循环两次，直至梁柱节点试件达到极限位移时，停止加载。极限位移为梁柱节点试件经历峰值后的破坏荷载对应的位移，破坏荷载取值为峰值荷载的85%。

安装在电液伺服作动器上的位移传感器和其自定刻度尺采集电液伺服作动器加载端的位移，梁柱节点试件沿加载方向的位移通过布置在柱顶部、节点区柱上端部、节点区柱下端部处的三个百分表（量程为50mm）和自定刻度尺进行测量，而梁的侧向扭转位移则通过布置在梁外端部至节点区梁端部的中间位置梁侧面的两个量程为50mm百分表进行数据测量的。

根据以上采集的数据即可制作出相应的滞回曲线等能反应梁柱节点试件抗震能力的相关曲线。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。