一种预加轴力、弯矩的冲击实验方法与流程

本发明属于一种实验用试件固定和预加载装置及其实验方法，具体为涉及一种配合冲击实验的预加轴力、弯矩的试件固定装置及其实验方法。

背景技术：

随着社会进步和日益严峻的防恐形势，人们对于大型公共建筑和防护结构的安全设计有了更高要求。自上个世纪以来，各国学者加强了结构构件在冲击载荷下的力学分析和实验研究，推动了材料和能量吸收装置的巨大发展，被大量应用于汽车、航天和军事工业等领域。柱子作为建筑结构的主要承重和抗侧构件，在冲击类强动载荷作用下引发的失效将导致大规模的人员和财产损失，针对其开展实验研究日益受到重视。然而，鉴于问题的复杂性，传统的实验方法仅适用于简单的加载和边界条件，如仅考虑固支或简支边界，或只考虑初始轴力对结构响应的影响，而忽视轴力在整体变形过程的渐弱效应以及对结构响应有巨大影响的弯矩作用。因此，准确结构安全性评价和设计理论的完善需要一种可以同时考虑渐变轴力和弯矩的实验装置，并以此为依托开展实验研究。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的之一在于提供一种结构简单、紧凑且易于操作的预加轴力和弯矩的试件固定装置，本装置不仅可以提供多种内力组合形式完成不同工况的预加载及试件加载后的冲击，还可精确测量并实时记录冲击实验过程中试件所承受的渐弱的轴力和弯矩。

本发明公开了一种配合冲击实验的预加轴力、弯矩的试件固定装置。该装置包括刚性底座、滑动端荷载施加组件、固定端荷载施加组件、摆锤、试件、数据采集系统和计算机终端。

所述刚性底座包括滑动端刚性底座和固定端刚性底座，均通过地锚固定于刚性底板的指定位置。

所述数据采集系统包括压力传感器、位移传感器、动态采集仪、非接触式应变位移测量仪和计算机终端。所述压力传感器及位移传感器通过数据传输线和动态采集仪连接；所述动态采集仪及非接触式应变位移测量仪通过数据传输线和所述计算机终端通讯连接。

所述滑动端荷载施加组件包括滑动轴力施加组件、滑动弯矩施加组件、气体充压系统和气动加载组件。所述气动加载组件通过高强螺栓固定于所述滑动端刚性底座上端。所述气动加载组件正前端通过高强螺栓顺次固定所述滑动轴力施加组件和滑动弯矩施加组件。所述滑动弯矩施加组件的转动夹具夹紧试件一端，防止拔出。

所述滑动轴力加载组件进一步包括滑筒、隔板、压力传感器和保护罩。所述滑筒可保证刀形加载压头的运动方向保持不变，进而保证所施加轴力方向不变。

所述滑动弯矩施加组件进一步包括弧形轨道、刀形加载压头、转动夹具、齿形滑道。所述刀形加载压头的刀形头卡入所述齿形滑道的齿形槽内，且刀形加载压头的刀形头厚度小于齿形槽的开口宽度，其目的为加载过程中齿形滑道以齿形槽内刀形加载压头刀形头顶部为支点转动。

所述气动加载组件进一步包括垫板、气缸、固定卡具。所述垫板和滑动端刚性底座连接，所述气缸通过固定卡具固定于所述垫板上。所述气缸活塞杆的端部通过所述隔板和压力传感器连接。所述气动加载组件中的气缸可以在不装配弯矩施加组件下单独工作，实现试件在单纯轴力加载下的实验研究。

所述气体充压系统通过高压气管和所述气缸连接。所述导管上连有止回阀，用于控制气缸和气体充压系统的连通与阻断。所述气体充压系统可设定对气缸的目标充压水平，气缸内压力达到目标压力值时气体充压系统自动停止充压并维持气缸内压力值保持不变。

所述固定端荷载施加组件固定在所述固定端刚性底座上，包括弧形轨道、刀形加载压头、转动夹具、齿形滑道和可调节固定板。所述转动夹具夹紧试件另一端，刀型加载压头的末端通过所述可调节固定板固定于固定端刚性底座。

在施加轴力和弯矩时，根据所需施加的轴力及弯矩通过气体充压系统设定对气缸的目标充压水平，气缸内压力达到目标压力值时空气充压系统自动停止充压并维持气缸内压力值保持不变，关闭止回阀。在充压的过程中，气缸内的活塞杆随气缸内气压的升高而向外伸出，并驱动压力传感器、滑动弯矩施加组件的刀形加载压头和齿形滑道向前滑动，齿形滑道以齿形槽内刀形加载压头刀形头顶部为支点发生转动并使试件在一端受到轴向压力和弯矩的作用，同时固定端荷载施加组件会在试件另一端给试件提供相应的反作用力(包括轴向压力和弯矩)，试件发生弯曲变形，以此实现对试件预加轴力和弯矩。

所述弯矩施加组件可灵活调整轴向输出压力的水平以及刀形加载压头嵌入齿形轨道不同位置的偏心距，实现多种初始轴力和弯矩工况组合。

在对气缸充压的过程中，动态采集仪分别通过压力传感器和位移传感器实时测量、记录气缸活塞杆对压力传感器的压力(亦即试件两端部受到的轴向压力值)和试件两端部轴向位移并实时显示于计算机终端；

所述非接触式应变位移测量仪实时测量、记录试件中部的挠度并实时显示于计算机终端。

所述气动加载组件的气缸活塞杆可跟随因初始加载及冲击作用产生轴向变形的试件滑移，并因所述气缸内压力变小导致轴向压力和弯矩减小，从而真实模拟实际工程倒塌过程中轴力、弯矩的渐弱效应。

本发明的目的之二是，提供一种上述的配合冲击实验的预加轴力、弯矩的试件固定装置的实验方法，其具有操作简便、多构件易替换等特点。

上述的配合冲击实验的预加轴力、弯矩的试件固定装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，根据试件长度调整滑动端荷载施加组件及固定端荷载施加组件的位置，将试件两端分别固定于两端加载组件的夹具上；

第二步，调节两端荷载施加组件的刀形加载压头在齿形滑道上的位置；

第三步，开启动态采集仪、压力传感器、位移计和计算机终端，计算机终端开始实时记录并显示试件端部所受压力及端部轴向位移；打开止回阀，根据试验所需轴力及弯矩设定气体充压系统的目标充压水平并启动设备开始充压，气缸内压强达到目标压强时气体充压系统自动停止充压并维持气缸内压力值保持不变，关闭止回阀，充压结束，即完成试件的预加载；

第四步，开启非接触式应变位移测量仪及计算机终端，计算机终端开始实时记录并显示试件中部挠度，调节摆锤至目标高度，释放摆锤，摆锤完成对试件的冲击，同时数据采集系统将整个冲击过程中试件所受外部压力、轴向位移和试件中部挠度实时记录、显示于计算机终端，并根据轴力及弯矩公式将试件轴线方向任意位置的轴力及端部弯矩同步实时显示于计算机终端；

第五步，打印输出试验数据，关闭设备，拆卸冲击后的试件。

综上所述，本发明与现有试验装置相比，有以下有益效果：

1、本发明的实验固定装置，可以通过调节气动装置的充压水平，实现不同轴力水平的施加。

2、本发明的实验固定装置，可以通过调整弧形轨道的方位以及加载压头在齿形轨道的位置实现多种轴力、弯矩组合工况。

3、本发明的实验固定装置，可在试件承受瞬态侧向冲击后持续施加幅值渐弱的轴力和弯矩，符合工程倒塌过程的实际情况。

附图说明

图1为本发明装置施加轴力和弯矩时的整体结构示意图；

图2为本发明装置施加轴力和弯矩时的分解结构示意图；

图3为本发明装置的试件在4种不同状态下的受力图；

图4为本发明装置的试件在4种不同状态下的弯矩图。

附图标记说明：

1、地锚；2、滑动端刚性底座；3、固定端刚性底座；4、气动加载组件(4a、垫板；4b、固定卡具；4c、气缸)；5、滑动轴力施加组件(5a、滑筒；5b、隔板；5c、压力传感器；5d、保护罩)；6、滑动弯矩施加组件(6a、弧形轨道；6b、刀形加载压头；6c、转动夹具；6d、齿形滑道)；7、固定端弯矩施加组件(7a、刀形加载压头；7b、可调节固定板)；8、止回阀；9、位移传感器；10、动态采集仪；11、计算机终端；12、气体充压系统；13、试件；14、非接触式应变位移测量仪；15、摆锤；16-18、高强螺栓。

具体实施方式

为使本发明的技术手段易于理解，以下结合附图说明本发明的具体实施过程。在下列说明中，不详尽说明公知的结构和功能。

如图1及图2所示，本发明为一种配合冲击实验的预加轴力、弯矩的试件固定装置，该装置包括刚性底座、滑动端荷载施加组件、固定端荷载施加组件、摆锤、试件、数据采集系统和计算机终端。

所述刚性底座包括滑动端刚性底座2和固定端刚性底座3，均通过地锚1固定于刚性底板的指定位置。

所述数据采集系统包括压力传感器5c、位移传感器9、动态采集仪10、非接触式应变位移测量仪14和计算机终端11。所述压力传感器5c及位移传感器9通过数据传输线和动态采集仪连接；所述动态采集仪及非接触式应变位移测量仪通过数据传输线和所述计算机终端通讯连接。

所述滑动端荷载施加组件包括滑动轴力施加组件5、滑动弯矩施加组件6、气体充压系统12和气动加载组件4。所述气动加载组件通过高强螺栓固定于所述滑动端刚性底座2上端。所述气动加载组件正前端通过高强螺栓顺次固定所述滑动轴力施加组件和滑动弯矩施加组件。所述滑动弯矩施加组件的转动夹具6c夹紧试件13一端，防止拔出。

所述滑动轴力加载组件5进一步包括滑筒5a、隔板5b、压力传感器5c和保护罩5d。所述滑筒可保证刀形加载压头6b的运动方向保持不变，进而保证所施加轴力方向不变。

所述滑动弯矩施加组件6进一步包括弧形轨道6a、刀形加载压头6b、转动夹具6c、齿形滑道6d。所述刀形加载压头的刀形头卡入所述齿形滑道的齿形槽内，且刀形加载压头的刀形头厚度小于齿形槽的开口宽度，其目的为加载过程中齿形滑道以齿形槽内刀形加载压头刀形头顶部为支点转动。

所述气动加载组件4进一步包括垫板4a、固定卡具4b和气缸4c。所述垫板和滑动端刚性底座连接，所述气缸通过固定卡具固定于所述垫板上。所述气缸活塞杆的端部通过所述隔板和压力传感器连接。

所述气体充压系统通过高压气管和所述气缸4c连接。所述导管上连有止回阀8，用于控制气缸和气体充压系统的连通与阻断。所述气体充压系统可设定对气缸的目标充压水平，气缸内压力达到目标压力值时空气充压系统自动停止充压并维持气缸内压力值保持不变。

所述固定端荷载施加组件7固定在所述固定端刚性底座3上，包括弧形轨道6a、刀形加载压头6b、转动夹具6c、齿形滑道6d和可调节固定板7b。所述转动夹具夹紧试件另一端，刀型加载压头的末端通过所述可调节固定板固定于固定端刚性底座。

在施加轴力和弯矩时，根据所需施加的轴力及弯矩通过空气充压系统设定对气缸的目标充压水平，气缸内压力达到目标压力值时空气充压系统自动停止充压并维持气缸内压力保持不变，关闭止回阀。在充压的过程中，气缸内的活塞杆随气缸内气压的升高而向外伸出，并驱动压力传感器、滑动弯矩施加组件的刀形加载压头和齿形滑道向前滑动，齿形滑道以齿形槽内刀形加载压头刀形头顶部为支点发生转动并使试件在一端受到轴向压力和弯矩的作用，同时固定端荷载施加组件会在试件另一端给试件提供相应的反作用力(包括轴向压力和弯矩)，试件发生弯曲变形，以此实现对试件预加轴力和弯矩。

所述弯矩施加组件可灵活调整轴向输出压力的水平以及刀形加载压头嵌入齿形轨道不同位置的偏心距，实现多种初始轴力和弯矩工况组合。

在对气缸充压的过程中，动态采集仪分别通过压力传感器和位移计实时测量、记录气缸活塞杆对压力传感器的压力(也即试件两端部受到的轴向压力值)和试件两端部轴向位移并实时显示于计算机终端；

所述非接触式应变位移测量仪实时测量、记录试件中部的挠度并实时显示于计算机终端。

配合冲击实验的预加轴力、弯矩的试件固定装置的实验方法，包括以下步骤：

第一步，根据试件长度调整滑动端荷载施加组件及固定端荷载施加组件的位置，将试件两端分别固定于两端加载组件的夹具上；

第二步，调节两端荷载施加组件的刀形加载压头在齿形滑道上的位置；

第三步，开启动态采集仪、压力传感器、位移传感器和计算机终端，计算机终端开始实时记录并显示试件端部所受压力及端部轴向位移；打开止回阀，根据试验所需轴力及弯矩设定气体充压系统的目标充压水平并启动设备开始充压，气缸内压强达到目标压强时空气充压系统自动停止充压并维持气缸内压力值保持不变，关闭止回阀，充压结束，即完成试件的预加载；

第四步，开启非接触式应变位移测量仪及计算机终端，计算机终端开始实时记录并显示试件中部挠度。调节摆锤至目标高度，释放摆锤，摆锤完成对试件的冲击，同时数据采集系统将整个冲击过程中试件所受的外部压力、轴向位移和试件中部挠度变化实时记录并显示于计算机终端，并根据轴力及弯矩公式(1)将试件轴线方向任意位置的轴力及弯矩同步实时保存并显示于计算机终端；

式中的符号解释：

n：由所述荷载传感器和数据采集系统测得的轴力；

n1(t),n2(t)：试件上、下端由轴向荷载所引起的轴力；

e1,e2：试件上、下端对应偏心距；

m1(t),m2(t)：试件上、下端由轴向荷载所引起的弯矩。

第五步，打印输出试验数据，关闭设备，拆卸冲击后的试件。

以上所述仅为发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术，为了突出本发明的创新特点，上述技术特征在此不再赘述。