一种适合于型钢混凝土异形柱的复合受力试验装置及方法与流程

本发明涉及一种试验加载装置，特别是一种针对型钢混凝土异形柱能够提供复合受力状态的试验加载装置及方法。

背景技术：

异形柱结构因其具有室内柱楞不凸出及便于家具布置的优点得以快速地发展，特别是在住宅建筑中应用较为广泛，深受地产开发商的青睐。该类结构最初应用较为广泛的是混凝土异形柱结构，但随着人们对土地空间利用及建筑结构要求的提高，高层及超高层建筑如雨后春笋般在中国大地拔地而起。此时，混凝土异形柱结构的缺点，如承载能力低、轴压比限值小、延性差等，就显现出来了。针对其缺点，有学者提出在异形柱截面中配置型钢，从而来提高其承载能力及延性性能，故型钢混凝土异形柱结构就此诞生。

型钢混凝土异形柱结构自出现后，广大研究人员对其抗震性能进行了大量的试验研究及理论分析，研究结果均表明：相较于钢筋混凝土异形柱，其具有较高的承载能力及良好的延性性能。因此，型钢混凝土异形柱结构备受国家青睐。必须指出的是，异形柱截面的特殊性虽然为建筑美观带来了便利，但同时也为其在地震作用下的受力性能带来了安全隐患。随机地震作用下，正是由于其截面的不规则特性，截面的受力性能变得非常复杂，特别是一般作为角柱使用的l形柱。因此，为更好地推广型钢混凝土异形柱结构在高设防烈度区及高层建筑结构中的应用，对其在复杂受力状态下的性能进行研究是十分有必要的。

异形柱由于截面不对称，传统的悬臂式加载方式已经不适合异形柱的抗震性能试验研究。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种能够对src异形柱进行复合受力研究的试验加载装置及方法。目的在于通过这种加载装置能够模拟异形柱在框架结构中两端固定端连接的理想边界条件，并同时能够对异形柱在复合受力状态下的性能进行研究。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明给出了一种适合于型钢混凝土异形柱的复合受力试验装置，包括l形反力墙、试验台、竖向电液伺服作动器、水平电液伺服作动器、箱型十字钢梁和竖直钢梁；所述试验台设在l形反力墙下方，试件底部固定于试验台上，顶部与十字箱型钢梁连接，在试验台与十字箱型钢梁之间架设有竖向电液伺服作动器；在试件的侧部设有一对连接到l形反力墙上的水平电液伺服作动器；竖向电液伺服作动器通过十字箱型钢梁对试件施加竖向荷载；水平电液伺服作动器通过设在十字箱型钢梁的侧部的竖直钢梁对试件施加剪力、弯矩和扭矩。

进一步，所述试件底部通过地脚螺栓固定于试验台上，顶部通过高强螺栓与十字箱型钢梁连接；十字箱型钢梁上垫有刚性垫板。

进一步，所述试件为一根异形柱，即截面为l形、t形或十字形的结构柱；异形柱顶部为悬臂梁，十字箱型钢梁通过高强螺栓与悬臂梁连接；异形柱底部为十字形基座，十字形基座通过地脚螺栓与试验台固定连接。

进一步，四个竖向电液伺服作动器分别设于十字箱型钢梁的四个臂与试验台之间。

进一步，所述十字箱型钢梁侧部的竖直钢梁为两个，上部侧壁与十字箱型钢梁相接，水平电液伺服作动器为两个，其分别一端顶在l形反力墙上，一端顶在竖直钢梁上。

进一步，通过调节两个水平电液伺服作动器的长度对试件施加剪力、弯矩和扭矩。

进一步，所述十字箱型钢梁侧部的竖直钢梁为多层平行布置的钢板通过连接两侧板构成，侧板与水平电液伺服作动器对接。

本发明进而给出了利用所述装置进行适合于型钢混凝土异形柱的复合受力试验方法，包括如下步骤：

1)试验加载前，调整所有竖直向电液伺服作动器，使其顶部在同一个平面内；

2)试件分别与十字箱型钢梁及试验台固定；将竖直钢梁与十字箱型钢梁固定；调整水平向电液伺服作动器的作用面高度，使其与位于试件高度中点的反弯点等高，并与侧部竖直钢梁连接固定；

3)试验加载时，可通过调节两个水平向电液伺服作动器的位移大小对试件施加剪力、弯矩及扭矩，以研究构件在不同受力状态下的性能；

4)纯扭状态下加载时，水平向电液伺服作动器的一个作动器伸长使其产生推力，另一个作动器缩短使其产生拉力，使推力与拉力相等，而试件由于与十字箱型钢梁固结，受力时试件沿其形心轴发生转动，试件自身受到十字箱型钢梁传来的扭矩效应；

5)压弯剪状态下加载时，将四个竖向电液伺服作动器的拉力调整至试件的设计轴压力；然后根据试验加载制度调整两个水平向电液伺服作动器，使其同时产生推力或拉力，且产生的推力或拉力时刻相等，即可完成压弯剪状态下的加载；

6)拉弯剪状态下加载时，将四个竖向电液伺服作动器的推力调整至试件的设计轴拉力；然后根据试验加载制度调整两个水平向电液伺服作动器，使其同时产生推力或拉力，且产生的推力或拉力时刻相等，即可完成拉弯剪状态下的加载；

7)压弯剪扭复合受力时，根据设计轴压力，调整四个竖向电液伺服作动器使其拉力达到设计值；调整两个水平向电液伺服作动器的长度，使其产生推力或拉力，两个作动器的推力或拉力不相等，即两个水平作动器的水平位移不相等，即可完成压弯剪扭状态下的加载；

8)拉弯剪扭复合受力时，根据设计轴拉力，调整四个竖向电液伺服作动器使其推力达到设计值；调整两个水平向电液伺服作动器的长度，使其产生推力或拉力，两个作动器的推力或拉力不相等，即两个水平向电液伺服作动器的水平位移不相等，即可完成拉弯剪扭状态下的加载。

进一步，四个竖向电液伺服作动器均可产生拉力或推力，两个水平向电液伺服作动器均可产生推力或拉力，且大小可以相等或不相等。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

所提出的发明装置在试件上部、下部分别对试件形成固定端约束的边界条件，能够约束其在水平面内位移变形及竖直面内的转动，较为理想地模拟了框架柱在框架结构中的真实受力情况。纯扭受力状态下，通过水平作动器伸长和缩短使其产生围绕试件形心轴的扭矩；压(拉)弯剪状态下，调整竖向作动器的拉(推)力至设计轴压(拉)力，再调整水平向作动器使其同时产生拉力或推力，从而形成压(拉)弯剪受力状态；压(拉)弯剪扭复合状态下，调整竖向作动器的拉(推)力至设计轴压(拉)力，再调整水平向作动器使其产生拉力或推力，两个作动器的拉力或推力不相等，从而形成压(拉)弯剪扭复合受力状态。上述几种受力状态均可通过控制作动器的位移来产生不同的作用效果，具有较高的精确度及较好的可操作性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为复合受力试验加载装置的三维示意图。

图中：1、l形反力墙，2、试验台，3、试件，4、竖直钢梁，5、十字箱型钢梁，6、竖向电液伺服作动器，7、水平电液伺服作动器；8、地脚螺栓，9、高强螺栓，10、刚性垫板。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明的一种适用于型钢混凝土异形柱的受力试验加载装置，包括l形反力墙1、试验台2、竖向电液伺服作动器6、水平电液伺服作动器7、十字箱型钢梁5、竖直钢梁4、刚性垫板10、地脚螺栓8和高强螺栓9。

其中，试验台2设在l形反力墙1下方，试验加载装置本体设在试验台2上，试验加载装置本体包括置于试验台2上的试件3，试件3通过地脚螺栓8固定在试验台2上，试件3顶部通过高强螺栓9连接十字箱型钢梁5；在试验台2与十字箱型钢梁5之间架设有四个竖向电液伺服作动器6；在十字箱型钢梁5的侧部设有一对竖直钢梁4，一对竖直钢梁4的外端部分别设有一对连接到l形反力墙1上的水平电液伺服作动器7。

其中，试件3为一根异形柱，即截面为l形、t形或十字形的结构柱，异形柱顶部为悬臂梁，通过高强螺栓9与十字箱型钢梁5连接，十字箱型钢梁5上垫有刚性垫板10，异形柱底部为十字形基座，十字形基座通过地脚螺栓8与试验台2固定连接。四个竖向电液伺服作动器6分别设于试验台2与十字箱型钢梁5的四个臂之间。

其中，竖直钢梁4上部侧壁与十字箱型钢梁5的侧壁相接，两个水平电液伺服作动器7分别一端顶在l形反力墙1上，另一端分别顶在两个竖直钢梁4上。

本装置工作时，试验加载前，调整所有竖直向电液伺服作动器，使其顶部在同一个平面内；试件通过自身预留的螺栓孔分别采用高强螺栓和地脚螺栓与十字箱型钢梁及试验台固定；将竖直钢梁与十字箱型钢梁固定；调整水平向电液伺服作动器的作用面高度，使其与试件的反弯点等高(即水平向电液伺服作动器的作用面高度在试件高度的二分之一处)，并与竖直钢梁采用螺栓连接进行固定。试验加载时，可通过调节两个水平向电液伺服作动器的位移大小对试件施加剪力、弯矩及扭矩，以研究构件在不同受力状态下的性能。

本加载装置试验过程如下：

1、试件3制作完成并经养护后，放置于试验台2上；

2、调整十字箱型钢梁5的位置，使其与试件3顶部完全接触，通过刚性垫板10和高强螺栓9固定十字箱型钢梁5与试件3，使其形成刚性连接；

3、调整四个竖向电液伺服作动器6的高度，使其顶部的作用面与十字箱型钢梁5的底部平面紧密接触；并通过十字箱型钢梁5上预留的螺栓孔与四个竖向电液伺服作动器连接，再次微调四个竖向电液伺服作动器的高度使其轴向荷载趋于0；

4、将两个竖直钢梁4通过螺栓固定于十字箱型钢梁5侧面，具体位置可通过试验需要施加的扭矩及两个水平电液伺服作动器7所能提供的荷载大小来确定；

5、将调节水平电液伺服作动器7的高度，使其与试件3的反弯点等高，并分别与竖直钢梁4连接，并调整两个水平电液伺服作动器7的荷载，使其归于0，至此试验装置已经完全调试成功；

6、试验加载时，分五种情况：

(1)纯扭状态下加载时，一个水平电液伺服作动器7伸长使其产生推力，另一个水平电液伺服作动器7缩短使其产生拉力，使得推力与拉力相等，而试件3由于与十字箱型钢梁5固结，受力时试件沿其形心轴发生转动，试件3自身受到十字箱型钢梁5传来的扭矩效应。

(2)压弯剪状态下加载时，将四个竖向电液伺服作动器6的拉力调整至设计轴压力；然后根据试验加载制度调整两个水平电液伺服作动器7，使其同时受拉或受压，且产生的拉力或压力时刻相等，即可完成压弯剪状态下的加载。

(3)拉弯剪状态下加载时，将四个竖向电液伺服作动器6的推力调整至设计轴拉力；然后根据试验加载制度调整两个水平电液伺服作动器7，使其同时受拉或受压，且产生的拉力或压力时刻相等，即可完成压弯剪状态下的加载。

(4)压弯剪扭状态下加载时，根据设计轴压力，调整四个竖向电液伺服作动器6使其拉力达到设计值；调整两个水平电液伺服作动器7的长度，使其分别产生推力或拉力，两个作动器的推力或拉力不相等，即两个水平作动器的水平位移不相等，即可完成压弯剪扭状态下的加载。

例如四个竖向电液伺服作动器6施加拉力使试件受压，一个水平电液伺服作动器7伸出位移10mm，另一个水平电液伺服作动器7伸出位移5mm，两个水平电液伺服作动器7同时伸长使试件受到剪力和弯矩作用，同时又因伸出位移不等使得试件发生扭转效应，从而试件处于压弯剪扭复合受力状态。

(5)拉弯剪扭状态下加载时，根据设计轴拉力，调整四个竖向电液伺服作动器6使其推力达到设计值；调整两个水平电液伺服作动器7的长度，使其分别产生推力或拉力，两个作动器的推力或拉力不相等，即两个水平作动器的水平位移不相等，即可完成拉弯剪扭状态下的加载。

例如四个竖向电液伺服作动器6施加推力使试件受拉，一个水平电液伺服作动器7伸出位移10mm，另一个水平电液伺服作动器7伸出位移5mm，两个新水平电液伺服作动器7同时伸长使试件受到剪力和弯矩作用，同时又因伸出位移不等使得试件发生扭转效应，从而试件处于拉弯剪扭复合受力状态。

本发明根据型钢混凝土异形柱结构其截面的不规则特性，通过复合受力试验方法，能够有效测试型钢混凝土异形柱在地震作用下的不同受力性能(纯扭、压弯剪、拉弯剪、压弯剪扭、拉弯剪扭)、承载能力及延性性能，从而为推广型钢混凝土异形柱结构在高设防烈度区及高层建筑结构中的应用提供一种受力性能试验方法。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。