用于T形梁的装配式防失稳试验加载装置及其实验方法与流程

本发明涉及一种桥梁工程模型试验技术领域，尤其涉及一种用于t形梁的装配式防失稳试验加载装置及其实验方法。

背景技术：

在桥梁工程中，主梁作为一种主要的受力构件，在复杂多变的自然环境中长期服役，直接承受铺装层传递下来的车辆荷载，其可靠性、耐久性及安全性是桥梁设计及运营阶段关注的焦点。t形梁作为主梁形式的一种，具有经济性好，制作、运输方便，施工快速等优点，常常用于中小跨径桥梁工程中，桥梁施工时常需要按比例抽检部分t梁测量其在车辆荷载作用下的承载力及变形性能，同时，应用新材料、新工艺时也要求对其进行力学性能实验。对于此问题的解决，就需要对其进行承载力及变形性能试验，探究其在设计荷载作用下的变形性能、承载能力等。但对于t形梁这类构件而言，由于其下翼缘宽度明显小于上翼缘宽度，且腹板较薄，试验时，在加载位置附近常常产生偏位或腹板局部失稳，导致在梁体中产生额外的扭矩等内力，与桥梁实际受力情况有较大差异，且外荷载较大时，可能引起梁体失稳破坏或失稳倾覆，导致试验的失败并威胁试验人员的人身安全。而既有加载装置及加载实施方法中，加载装置与防失稳装置往往是独立的装置，对试验场地的要求较高。综上所述，提供一种加载能力大，拆装便捷、试验效率高，能同时防止t形梁失稳的装配式试验加载装置，对防侧倾能力较差的单根t形梁加载试验具有重要意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种用于t形梁的装配式防失稳试验加载装置，以解决现有试验技术中t形梁加载易失稳的问题。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种用于t形梁的装配式防失稳试验加载装置的实验方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明提供的用于t形梁的装配式防失稳试验加载装置，包括加载反力架，所述的加载反力架包括水平的上横梁、竖直的竖梁及水平的下横梁，所述的上横梁和竖梁相互固定连接，竖梁底部通过第一开孔节点板与下横梁固定连接；所述的下横梁固定在地锚系统上；

还包括一对防失稳支架，所述的防失稳支架包括斜杆、竖杆，斜杆、竖杆固定连接组成平面三角形，一对防失稳支架的竖杆相对设置，所述的斜杆底部与第二开孔节点板固定连接，竖杆底部与第三开孔节点板固定连接，第二开孔节点板和第三开孔节点板分别与下横梁的长孔装配连接；

还包括夹持机构，所述的夹持机构安装在所述的竖杆上；所述的夹持机构与t形梁试件的腹板相接触；

还包括施压机构，所述的施压机构对t形梁试件施加测试压力。

进一步地，所述的夹持机构包括一对橡胶垫块、一对位置调节垫块模组和一对半圆柱体限位装置；位置调节垫块模组可以为一块位置调节垫块，也可以有多块组合。每个橡胶垫块分别固定在竖杆的相对面上，所述的位置调节垫块模组安装在橡胶垫块上，所述的半圆柱体限位装置固定在位置调节垫块模组上，一对限位半圆柱体分别与t形梁试件的腹板两侧相接触。

优选的，所述的位置调节垫块模组与竖梁之间装有位移传感器，以测量橡胶垫块的压缩量。

进一步的，所述的施压机构包括第一千斤顶，所述的第一千斤顶安装在t形梁试件与下横梁之间，对t形梁试件下端施加压力。

所述的施压机构，还包括第二千斤顶，第二千斤顶下端连接分载钢梁，所述的第二千斤顶和分载钢梁依次安装在t形梁试件翼缘与上横梁之间。

上横梁端部及竖梁上端设置有螺栓孔，二者之间通过抗剪螺栓连接，可以根据试验需要锚固在不同高度的螺栓孔中，以调节上横梁的高度。上横梁顶底板端部开有矩形孔，供竖梁穿过，侧面开有螺栓孔。竖梁下端焊接有第一开孔节点板，第一节点板通过螺栓与下横梁装配在一起。下横梁顶板开有长孔，供螺栓通过，且允许螺栓沿下横梁长度方向微调位置。下横梁两侧开有孔洞，方便安装螺栓。

防失稳支架为三角形形式，且斜杆及竖杆为箱形截面，具有足够大的刚度。竖杆及斜杆下端均焊接有开孔节点板，节点板通过螺栓与下横梁装配在一起。下横梁螺栓孔为长孔，竖梁、竖杆、斜杆可以沿下横梁长度方向微调位置。橡胶垫块具有足够的刚度，并且弹性模量为已知。竖杆与位置调节垫板上安装有位移传感器，可以测量橡胶垫块的压缩量，并可反算出防倾斜装置提供的反力，以对t形梁试件(11)变形状态进行监测。位置调节垫块模组可根据垫块数量及厚度调节到与模型接触所需要的厚度。下横梁两端的锚固位置间距与试验室地锚系统保持一致。

用于t形梁的装配式防失稳试验加载装置具有加载和防失稳两方面的功能。可实现正负弯矩与剪力的单点或多点加载。

为解决第二个问题，本发明提供一种用于t形梁的装配式防失稳试验加载实验方法，使用上述的用于t形梁的装配式防失稳试验加载装置，包括以下步骤：

调节上横梁的高度，并用抗剪螺栓固定，其中，当考察t形梁试件在负弯矩工况下的力学性能时，仅需安装第一千斤顶；当考察t形梁试件在正弯矩工况下的力学性能时，仅需安装第二千斤顶；

多点进行加载时，沿模型纵向安装多个所述的用于t形梁的装配式防失稳试验加载装置；

启动千斤顶为t形梁试件施加荷载，使t形梁试件在竖平面内发生挠曲，同时所述的用于t形梁的装配式防失稳试验加载装置为t形梁试件提供防倾斜力以维持t形梁试件的变形状态，通过位移传感器，测量橡胶垫块的压缩量，进而反算橡胶垫块提供的防失稳反力，以对t形梁试件(11)变形状态进行监测。

采用上述技术方案的用于t形梁的装配式防失稳试验加载装置及其实验方法，与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明提供的一种用于t形梁的装配式防失稳试验加载装置，通过将斜杆和竖杆焊接在一起，组成一个防失稳支架，并且将防失稳支架通过螺栓装配在由上横梁、竖梁、下横梁组成的反力架内，实现了将防失稳装置和加载装置合二为一；试验时，防失稳支架通过半圆柱体限位装置为t形梁试件腹板提供支撑反力，防止试件发生倾覆或局部失稳；同时，由于t形梁试件腹板上涂覆有滑移层，梁体在竖向能够自由变形，整个过程中不会对t形梁试件的测试结果产生影响。

(2)本发明的装配式防失稳试验加载装置，采用螺栓进行连接，装配式程度高，安装方便，可重复利用；

(3)本发明的主要组件均采用箱形截面，承载力高，刚度大；

(4)本发明反力架的高度可调整，两侧半圆柱体限位装置间的距离也可通过位置调节装置进行调节，因此可适用于不同尺寸及不同种类的t形梁试件，适用性广；不同种类的t形梁试件包含混凝土材料的、纯钢材料的，钢-混组合等。

(5)本发明的加载装置既可对t形梁试件在正弯矩工况下的力学性能进行考察，又可对t形梁试件在负弯矩工况下的力学性能进行考察，功能性强。

(6)当需要对t形梁试件进行多点加载时，只需要沿试件纵向多布设几套本发明所述的装置，占用试验场地空间较小。

(7)当拆除本发明中的防失稳装置时，本发明所述的反力架亦可用于对其他稳定性较高的试件进行加载。

附图说明

图1为本发明的用于t形梁的装配式防失稳试验加载装置应用案例的主视图；

图2为上横梁与竖梁连接处c-c剖视图；

图3为上横梁侧面开孔示意图；

图4为图1中a-a剖视图；

图5为竖梁上部螺栓孔构造图；

图6为第一开孔节点板大样图；

图7为第二开孔节点板大样图；

图8为第三开孔节点板大样图；

图9为图1中b-b剖视图；

图10为竖梁、斜杆与下横梁连接位置大样图；

图11为竖杆与下横梁连接位置大样图；

图12为防失稳支架的竖杆上部高度调节螺栓孔构造图；

图13为下横梁横截面图；

图14为下横梁顶板长孔分布图；

图15为下横梁侧面开孔示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实际试验案例对本发明进一步说明，而不是限制本发明的保护范围。

如图1所示，用于t形梁的装配式防失稳试验加载装置，水平的上横梁1、竖直的竖梁2及水平的下横梁3组成加载反力架，所述的上横梁1和竖梁2通过位置可调的抗剪螺栓17进行连接，竖梁2底部与第一开孔节点板18焊接，第一开孔节点板18与下横梁3通过螺栓群21进行连接；所述的下横梁3通过地锚螺栓15锚固于地锚系统4上；地锚螺栓15中心与地锚系统4的槽道16中心对应；

还包括一对防失稳支架，所述的防失稳支架包括斜杆5、竖杆6固定连接组成平面三角形，一对防失稳支架的竖杆6相对设置，所述的斜杆5底部与第二开孔节点板19焊接，竖杆6底部与第三开孔节点板20焊接，第二开孔节点板19和第三开孔节点板20均通过螺栓群21与下横梁3的长孔装配；每个竖杆6通过连接位置可调的螺栓10安装有橡胶垫块7及位置调节垫块模组8，调节垫块模组8可以由多块调节垫块组成，本实施例只选一块。半圆柱体限位装置9焊接在位置调节垫块模组8上，一对限位半圆柱体9与t形梁试件11的腹板相接触，第一千斤顶12安装在t形梁试件11与下横梁3之间，第二千斤顶13与分载钢梁14依次安装在t形梁试件11翼缘与上横梁1之间。第一千斤顶12安装在下横梁3上，用于为t形梁试件11提供负弯矩和剪力，第二千斤顶13安装在上横梁1上，用于为t形梁试件11提供正弯矩和剪力。

参见图1所示，位置调节垫块模组8与防失稳支架竖杆之间安装有位移传感器22，用于测量橡胶垫块7的压缩量；在试验中，可以实时根据压缩量计算侧向压力的大小，用于预警t梁的失稳状态。

参见图2、图3、图4、图5，上横梁1为箱形截面，上横梁1两端侧面开有等间距上横梁螺栓圆孔17-2供抗剪螺栓17通过，上横梁1顶底面两端开有矩形孔1-1供竖梁2通过，竖梁2顶端开有等间距竖梁螺栓圆孔17-1供抗剪螺栓17通过，上横梁1及竖梁2通过抗剪螺栓17装配连接。

参见图6，竖梁2底部与第一开孔节点板18焊接在一起，第一开孔节点板18上开有节点板地锚螺栓圆孔15-1供地锚螺栓15通过，并开有节点板螺栓圆孔21-1供螺栓群21通过。

上横梁1与竖梁2之间通过抗剪螺栓17进行连接，上横梁1所处的高度可以根据螺栓孔进行调节。

下横梁3为截面箱形的箱梁，箱梁顶板及底板两端设置有长孔供地锚螺栓15通过，箱梁顶板在竖梁2、斜杆5及竖杆6连接部位开有长孔供螺栓群21的螺栓通过。

下横梁3顶底板上的长孔可供竖梁2、斜杆5及竖杆6在下横梁3长度方向微调位置。

参见图13、图14，下横梁3为箱形截面，其外侧板上开有孔洞3-1，便于安装地锚螺栓15及及螺栓群21。参见图15，下横梁3两端的开下横梁地锚螺栓孔15-2中心与地锚系统4的槽道16中心对齐，并通过地锚螺栓15将下横梁锚固在地锚系统4上。参见图15，下横梁3两端的开有下横梁地锚螺栓孔15-2供地锚螺栓15通过，同时，下横梁3顶板上开有下横梁顶板孔21-2，螺栓群21依次穿过节点板螺栓圆孔21-1、下横梁顶板孔21-2将第一开孔节点板18、第二开孔节点板19、第三开孔节点板20锚固在下横梁3上，下横梁顶板孔21-2允许第一开孔节点板18、第二开孔节点板19、第三开孔节点板20沿长度方向微调位置。

参见图7，防失稳支架的斜杆5底部与第二开孔节点板19焊接在一起，第二开孔节点板19上开有螺栓孔21-1供螺栓群21通过。

斜杆5下端的第二开孔节点板19位于第一开孔节点板18上，螺栓群21依次穿过第二开孔节点板19、第一开孔节点板18、下横梁3顶板进行锚固，且第二开孔节点板19端部与竖梁2抵紧。

参见图8，防失稳支架的竖杆6底部与第三开孔节点板20焊接在一起，第三开孔节点板20上开有螺栓孔21-1供螺栓群21通过。

参见图9，图11，竖杆6上的第三节点板12通过螺栓群21与下横梁3装配在一起。

竖杆6与t形梁试件11腹板平行的两个侧面内开有高度调节孔10-1，供螺栓10穿过，孔长度方向为竖直方向，螺栓10可通过高度调节孔固定在任意高度。

参见图9，图10，竖梁2上的第一节点板18通过螺栓群21与下横梁3装配在一起，斜杆5上的第二节点板19通过螺栓群21与下横梁3装配在一起。

斜杆5、竖杆6焊接在一起，组成平面三角形形式，刚度大，承载力高。

参见图1及图12，竖杆6两侧沿高度方向设置有长孔10-1，可根据试验设计要求调整橡胶垫块7和位置调节垫块模组8的高度，并通过螺栓10将限位装置和防失稳支架竖杆固定。

橡胶垫块7宽度与竖杆6保持一致，厚度为30～50mm，其抗压弹性模量为350～492mpa。

位置调节垫块模组8形状与橡胶垫块7一致，由一块或多块矩形钢板组成，其总厚度根据t形梁试件11腹板厚度确定。

橡胶垫块7与位置调节垫块模组8中心均开设有螺栓孔，供螺栓10穿过，橡胶垫块7及位置调节垫块模组8的高度可根据螺栓10的位置进行调整。

位置调节垫块模组8与竖梁6之间装有位移传感器22，以测量橡胶垫块7的压缩量，进而反算橡胶垫块7提供的防失稳反力，以对t形梁试件(11)变形状态进行监测。

限位半圆柱体9焊接在位置调节垫块模组8的顶、底部。

限位半圆柱体9半径为50mm，且与t形梁试件11腹板外表面相切，接触形式为线接触，接触但无作用力。

t形梁试件11腹板与限位半圆柱体9接触位置涂覆润滑剂，便于两者间发生相对滑动。

t形梁试件11可以是t形钢梁、t形混凝土梁、t形钢-混组合梁等形式。

第一千斤顶12通过集中力的形式在t形梁试件11中产生负弯矩及剪力。

第二千斤顶13通过集中力的形式在t形梁试件11中产生正弯矩及剪力。

试验过程中需要根据考察目的选择千斤顶，当考察t形梁试件11在负弯矩工况下的力学性能时，仅需安装第一千斤顶12；当考察t形梁试件11在正弯矩工况下的力学性能时，仅需安装第二千斤顶13。

第二千斤顶13施加的集中力通过分载梁14均匀分布在整个翼缘宽度范围内。

沿t形梁试件11纵向可布置多个用于t形梁的装配式防失稳试验加载装置，对t形梁试件11实现多点加载。

用于t形梁的装配式防失稳试验加载装置的实验方法，包括如下步骤：

(1)将下横梁3两端开孔分别与地锚系统4的槽道16对准，并通过锚固螺栓15将下横梁3固定在试验设计的加载位置；

(2)装配t形梁试件11到预定位置，t形梁试件11截面中心线需与下横梁3中心线对齐，并在加载位置附近的腹板表面涂覆润滑层；

(3)将橡胶垫块7、位置调节垫块模组8依次装配到竖杆6上，调整好高度后拧紧螺栓10；

(4)将竖梁2、斜杆5和竖杆6组成的防失稳支架依次吊装到下横梁3上，并微调位置，使限位半圆柱体9与t形梁试件11腹板接触，然后通过螺栓群21将竖梁2及斜杆5和竖杆6装配到下横梁1上；

(5)按照设计要求调节上横梁1的高度，并用抗剪螺栓17固定，其中，当考察t形梁试件11在负弯矩工况下的力学性能时，仅需安装第一千斤顶12；当考察t形梁试件11在正弯矩工况下的力学性能时，仅需安装第二千斤顶13。多点进行加载时，沿模型纵向安装多个用于t形梁的装配式防失稳试验加载装置即可。

(6)安装位移传感器22，调试仪器，启动千斤顶为模型施加荷载，使模型在竖平面内发生挠曲，同时所述用于t形梁的装配式防失稳试验加载装置为模型提供防倾斜力以维持模型的变形状态。