一種構件純扭實驗裝置及純扭實驗方法
【專利摘要】本發明公開了一種構件純扭實驗裝置及純扭實驗方法，本裝置包括固定在基礎地坪上的兩榀支架、兩端固定在支架上端的反力梁。構件兩端部固定在與基礎地坪固定連接的扭轉支座上，構件兩端部固定連接一扭轉臂，兩扭轉臂端部之間布置一分配梁，豎向力千斤頂下端布置在分配梁跨中處，上端與連接在反力梁上的豎向支撐接觸。實驗時，通過豎向力千斤頂對分配梁跨中處施加豎向軸向壓力，分配梁梁端部對扭轉臂產生軸向力，從而形成對構件的扭矩。本發明實驗裝置簡單，組裝方便，可循環使用。
【專利說明】一種構件純扭實驗裝置及純扭實驗方法

【技術領域】
[0001]本發明屬于建筑結構試驗【技術領域】，具體而言涉及一種進行混凝土構件在純扭作用下受扭轉的純扭實驗裝置及方法。

【背景技術】
[0002]受扭是結構構件的基本受力形式之一，若荷載、構件和支座反力不在同一平面內，構件截面上將產生扭矩。因此，在土木工程結構中，承受扭矩作用的構建普遍存在，但處于扭矩單獨作用的情況并不多，大多處于復合受扭狀態。例如水平曲梁、框架邊梁、不對稱截面的L形截面梁大多處于彎矩、剪力和扭矩共同作用下的復合受扭狀態。特別是風荷載下超高層建筑裝換層大梁以及地震作用下不規則結構中豎向構件復合受扭作用十分明顯，在強風和地震作用下容易破壞并引起倒塌。隨著我國綜合國力的增長、現代建筑業的蓬勃發展，建筑結構形式越來越趨向于復雜化、高聳化、大跨化。同時我國位于世界兩大地震帶(環太平洋地震帶和歐亞地震帶)之間，東南沿海地區每年受臺風影響顯著，這就對結構形式復雜的建筑提出了更高要求。因此，對結構構件在純扭下的受扭性能進行試驗研究和理論分析有著重要的實際意義和廣闊的工程應用前景。
[0003]目前，單獨研究構件的受純扭試驗比較多，但大多試驗方法較復雜，而且對實驗裝置的要求也很高。因此，發明了一種研究結構構件在純扭作用下的簡單有效的實驗裝置及簡單可行的實驗方法，有利于更好研究及發展建筑結構中受扭構件的受力機理和破壞特征，有利于科學合理、經濟可靠的設計受扭構件，確保結構安全。


【發明內容】

[0004]本發明的目的在于提供一種簡單易實現的科學進行矩形截面混凝土構件受純扭作用的實驗裝置和方法，可以應用于建筑結構試驗中，準確的觀測構件在荷載作用下的受力性能。了解構件破壞的特征，很方便的測量構件各部分的應變及構件變形。
[0005]為了實現上述目的，本發明采取了如下技術方案:提供了一種構件純扭實驗裝置，包括兩端部裹碳纖維布18的構件1、扭轉支座2、扭轉臂與構件之間墊板4、扭轉臂6、分配梁與扭轉臂端之間墊板7、分配梁8、加載墊板9、豎向力千斤頂10、豎向支撐部件11、夾板12、反力梁14、支架15、第一位移計16、第二位移計17和數據采集設備，其中，
所述支架15和扭轉支座2分別固定在基礎地坪上，所述反力梁14的兩端固定在所述支架15的上端；所述扭轉支座2分別相互平行地安裝在所述構件I的兩端部下方，所述扭轉臂6分別相互平行地安裝在所述構件I的兩端部上方，所述構件I的兩端部分別位于所述扭轉支座2和扭轉臂6的跨中位置處并分別垂直于所述扭轉支座2和扭轉臂6，所述扭轉臂與構件之間墊板4分別設置在所述扭轉臂6和構件I之間；
所述分配梁8的兩端分別設置在所述兩個扭轉臂6斜對的兩個端部的上方，所述分配梁與扭轉臂端之間墊板7設置在所述扭轉臂6和分配梁8之間，所述分配梁8的跨中位置處從下至上依次豎直地設置所述加載墊板9、豎向力千斤頂10和豎向支撐部件11 ;所述豎向支撐部件11的上端通過夾板12固定于所述反力梁14跨中位置處；
所述第一位移計16和第二位移計17分別設置在所述扭轉臂6的另外兩個斜對的端部上，并與所述數據采集設備相連。
[0006]進一步地，所述扭轉支座2包括扭轉支座上部分和扭轉支座下部分，所述扭轉支座上部分包括一塊矩形鋼板和一塊弧形鋼板，所述弧形鋼板固定在所述矩形鋼板的下方；所述扭轉支座下部分的上端面開設一內置有滾輪的弧形凹槽，所述扭轉支座上部分的弧形鋼板能轉動地設置在所述弧形凹槽上部，;所述扭轉臂(6)沿長度方向中心軸線與扭轉支座
(2)上部分的中心軸線在同一豎直面上。
[0007]進一步地，所述扭轉臂6由兩端短矩形鋼管和中間長矩形鋼管組成，所述兩端短矩形鋼管垂直地焊接在所述中間長矩形鋼管的兩端，所述扭轉臂6斜對的兩個端部處的短矩形鋼管的上端部布置有所述分配梁與扭轉臂端之間墊板7。
[0008]進一步地，所述分配梁8是工字梁，所述分配梁8的端部水平布置于所述扭轉臂6端部的分配梁與扭轉臂端之間墊板7上，其跨中位置與所述構件(I)的跨中位置在同一豎直線上；所述扭轉臂6和分配梁8均水平設置。
[0009]進一步地，所述豎向支撐部件11由四個鋼板首尾順次焊接形成的矩形鋼筒，所述矩形鋼筒的上端焊接一固定在所述反力梁14上的鋼板，所述矩形鋼筒的下端焊接一與所述豎向力千斤頂10均勻接觸的方形鋼板。
[0010]進一步地，所述扭轉支座2、構件1、扭轉臂與構件之間墊板4和扭轉臂6通過螺栓5固定連接在一起。
[0011]進一步地，所述豎向支撐部件11上端用夾板12和豎向支撐固定螺栓13固定于反力梁14跨中位置處。
[0012]本發明還提供了采用上述構件純扭實驗裝置進行純扭實驗的方法，包括以下步驟:
1)通過所述豎直千斤頂10向分配梁8跨中處施加軸向壓力，進而所述分配梁8兩端對扭轉臂6產生等值軸向力，所述等值軸向力傳遞到所述構件I兩端，使構件I處于純扭作用下；
2)采用分級加載方式，不斷采集實驗數據，直至構件I被破壞；
3)將所述第一位移計16的讀數與第二位移計位移計17的讀數的差值除以所述第一位移計(16)和第二位移計(17)分別到所述構件(I)沿長度方向的對稱面的垂直距離之和，從而測量出構件I的扭轉角。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為試驗加載裝置前視圖。
[0014]圖2為試驗加載裝置平面圖，從圖1的A-A方向剖切位置與透射方向得到正投影圖。
[0015]圖3為圖1的B-B方向剖切位置與透射方向得到正投影圖。
[0016]圖4為扭轉支座上部分的正立面圖；
圖5為扭轉支座上部分的側立面圖；
圖6為扭轉支座上部分的俯視圖； 圖7為扭轉支座下部分的正立面圖；
圖8為扭轉支座下部分的側立面圖；
圖9為扭轉支座下部分的俯視圖；
圖10為扭轉臂的正立面圖；
圖11為扭轉臂的側立面圖；
圖12為扭轉臂的俯視圖；
圖13為分配梁俯視圖；
圖14為分配梁截面圖；
圖15為分配梁側視圖；
圖16為豎向支撐的正立面圖；
圖17為豎向支撐的俯視圖；
其中:1、構件，2、扭轉支座，3、地錨螺栓，4、扭轉臂與構件之間墊板，5、固定構件螺栓，
6、扭轉臂，7、分配梁與扭轉臂端之間墊板，8、分配梁，9、加載墊板，10、豎直千斤頂，11、豎向支撐部件，12、夾板，13、固定豎向支撐螺栓，14、反力梁，15、支架，16、第一位移計，17、第二位移計，18、碳纖維布。

【具體實施方式】
[0017]為使本發明實施例的目的和技術方案更加清楚，下面將結合本發明實施例的附圖，對本發明實施例的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于所描述的本發明的實施例，本領域普通技術人員在無需創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0018]本【技術領域】技術人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0019]本發明中所述的“和/或”的含義指的是各自單獨存在或兩者同時存在的情況均包括在內。
[0020]本發明中所述的“內、外”的含義指的是相對于設備本身而言，指向設備內部的方向為內，反之為外，而非對本發明的裝置機構的特定限定。
[0021]本發明中所述的“左、右”的含義指的是閱讀者正對附圖時，閱讀者的左邊即為左，閱讀者的右邊即為右，而非對本發明的裝置機構的特定限定。
[0022]本發明中所述的“連接”的含義可以是部件之間的直接連接也可以是部件間通過其它部件的間接連接。
[0023]本實施例提供了一種進行該類純扭作用的實驗裝置，其中結構如圖1所示，包括構件1、扭轉支座2、地錨螺栓3、扭轉臂與構件之間墊板4、固定構件螺栓5、扭轉臂6、分配梁與扭轉臂端之間墊板7、分配梁8、加載墊板9、豎向力千斤頂10、豎向支撐部件11、夾板12、固定豎向支撐螺栓13、反力梁14、支架15、第一位移計16和第二位移計17、碳纖維布18、以及進行結構試驗必備的數據采集設備等。
[0024]如圖1?3所示，兩榀支架15固定在基礎地坪上，反力梁14兩端固定在支架上。兩個扭轉支座2下部分通過地錨螺栓3固定在基礎地坪上，兩端部裹碳纖維布18的構件1、扭轉支座2上部分、墊板4以及扭轉臂6通過螺栓5固定連接在一起。在兩扭轉臂6端部布置墊板7，并將分配梁8兩端放置于墊板7上。分配梁8跨中位置處依次放置加載墊板
9、豎向力千斤頂10、豎向支撐部件11。其中豎向支撐部件11上端用夾板12和豎向支撐固定螺栓13固定于反力梁14跨中位置處。
[0025]扭轉支座2上部分的結構如圖4?6所示，它由一塊矩形鋼板和一塊弧形鋼板加工而成。矩形鋼板面上有四個螺栓孔，上面的螺栓孔與扭轉支座2下部分的螺栓孔對應。
[0026]扭轉支座2下部分的結構如圖7?9所示，I其上端面開有淺弧形凹槽，內填滾輪，并與扭轉支座2上部分弧形面相對應。扭轉支座2下部分下端有四個地錨螺栓孔，用于固定于基礎地坪上。這樣，在構件扭轉時，支座以滾輪的形式提供豎向支撐并可轉動，而在兩個水平方向無約束，從而解決了試件穩定問題并近似實現了構件的無摩擦自由轉動。
[0027]扭轉臂6的結構如圖10?12所示，它是由兩端矩形鋼管相互垂直焊接，其中較長鋼管上加工有兩個螺栓孔，與扭轉支座2上部分螺栓孔相對應。較短鋼管端部上布置墊塊7，使得加載時從分配梁8傳遞過來的豎向力均勻傳遞給扭轉臂6。
[0028]分配梁8的結構如圖13?15所示，它是一根工字梁。在布置實驗裝置時，要保證分配梁端部水平布置于兩扭轉臂6端的墊板7上，其跨中位置與構件I跨中位置相對應。
[0029]豎向支撐部件11的結構如圖16?17所示，主體是四個鋼板焊接在一起的矩形鋼筒，鋼筒上端焊接一個有四個螺栓孔的鋼板，用螺栓15固定于反力梁14上。鋼筒下端焊接一方形鋼板，從而與豎向力千斤頂10均勻接觸。
[0030]采用本實施例中的裝置進行實驗，其實驗方法如下:
O首先根據和設備的尺寸計算好支架15、反力梁14、扭轉支座2的安裝位置。并根據計算好的位置安裝反力梁14和扭轉支座2。
[0031]2)將端部裹有碳纖維18的構件2放置于扭轉支座2上部分平臺上，調整好位置，在構件端部上布置墊板5，用兩螺栓5將扭轉臂6、墊板4、構件I和扭轉支座2上部分固定在一起。應該注意的是，在固定過程中要不斷調整使扭轉臂6軸線、扭轉支座2上部分平臺軸線在構件端部2的同一橫截面上，并要使構件I其處于水平位置，從而保證扭轉臂6處于水平位置。
[0032]3)在兩扭轉臂6端部先放置墊板7，在墊板之間布置分配梁8，調整位置使分配梁跨中位置與構件跨中位置相對應。同時在扭轉臂另一端部下表面布置位移引伸計16、17，分別測得兩點位移。
[0033]4)在分配梁8跨中位置上表面依次布置加載墊板9、豎向力千斤頂10、豎向支撐，其中豎向支撐上端部通過螺栓13固定在反力梁14跨中位置。
[0034]5)通過豎向力千斤頂10向分配梁9跨中施加軸向壓力，再傳遞到分配梁9兩端，在兩扭轉臂6端形成等值、同向的軸向壓力，兩軸向壓力通過扭轉臂6傳遞到構件兩端，等效的軸向壓力與扭轉支座的支座反力平衡，即構件I內部不存在剪力，而只受純扭矩作用。位移計16的讀數與位移計17的讀數的差值除以兩位移計沿B-B剖切位置透射方向的距離，即準確測量出構件的變形(扭轉角)。通過導線將構件I上的各種根據不同實驗所需的應變計與數據采集系統相連。
[0035]6)在加載過程中，可按荷載控制，分級加載，加載至構件I破壞，通過數據采集系統得到所要數據，進行試驗結果分析，最終完成構件的純扭性能實驗。
[0036]本發明實驗裝置在進行安裝時，須將扭轉臂8軸線與扭轉支座2軸線處于構件同一橫截面上，使扭轉臂8傳遞到構件I的軸向壓力完全與扭轉支座2的支座反力相平衡，從而構件內部無剪力。值得注意的是，構件I兩端部都裹有一層碳纖維布18，并且扭轉臂與構件之間有一塊墊板4，防止產生局部受壓破壞。
[0037]以上僅為本發明的實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些均屬于本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種構件純扭實驗裝置，其特征在于，包括兩端部裹碳纖維布(18)的構件(I)、扭轉支座(2)、扭轉臂與構件之間墊板(4)、扭轉臂(6)、分配梁與扭轉臂端之間墊板(7)、分配梁(8)、加載墊板(9)、豎向力千斤頂(10)、豎向支撐部件(11)、夾板(12)、反力梁(14)、支架(15)、第一位移計(16)、第二位移計(17)和數據采集設備，其中， 所述支架(15)和扭轉支座(2)分別固定在基礎地坪上，所述反力梁(14)的兩端固定在所述支架(15)的上端；所述扭轉支座(2)分別相互平行地安裝在所述構件(I)的兩端部下方，所述扭轉臂(6)分別相互平行地安裝在所述構件(I)的兩端部上方，所述構件(I)的兩端部分別位于所述扭轉支座(2)和扭轉臂(6)的跨中位置處并分別垂直于所述扭轉支座(2)和扭轉臂(6)，所述扭轉臂與構件之間墊板(4)分別設置在所述扭轉臂(6)和構件(I)之間； 所述分配梁(8)的兩端分別設置在所述兩個扭轉臂(6)斜對的兩個端部的上方，所述分配梁與扭轉臂端之間墊板(7)設置在所述扭轉臂(6)和分配梁(8)之間，所述分配梁(8)的跨中位置處從下至上依次豎直地設置所述加載墊板(9)、豎向力千斤頂(10)和豎向支撐部件(11);所述豎向支撐部件(11)的上端通過夾板(12)固定于所述反力梁(I) (4)跨中位置處； 所述第一位移計(16)和第二位移計(17)分別設置在所述扭轉臂(6)的另外兩個斜對的端部上，并與所述數據采集設備相連。
2.根據權利要求(I)所述的一種構件純扭實驗裝置，其特征在于，所述扭轉支座(2)包括扭轉支座上部分和扭轉支座下部分，所述扭轉支座上部分包括一塊矩形鋼板和一塊弧形鋼板，所述弧形鋼板固定在所述矩形鋼板的下方；所述扭轉支座下部分的上端面開設一內置有滾輪的弧形凹槽，所述扭轉支座上部分的弧形鋼板能轉動地設置在所述弧形凹槽上部；所述扭轉臂(6)沿長度方向中心軸線與扭轉支座(2)上部分的中心軸線在同一豎直面上。
3.根據權利要求(2)所述的一種構件純扭實驗裝置，其特征在于，所述扭轉臂(6)由兩端短矩形鋼管和中間長矩形鋼管組成，所述兩端短矩形鋼管垂直地焊接在所述中間長矩形鋼管的兩端，所述扭轉臂(6)斜對的兩個端部處的短矩形鋼管的上端部布置有所述分配梁與扭轉臂端之間墊板(7 )。
4.根據權利要求(3)所述的一種構件純扭實驗裝置，其特征在于，所述分配梁(8)是工字梁，所述分配梁(8)的端部水平布置于所述扭轉臂(6)端部的分配梁與扭轉臂端之間墊板(7)上，其跨中位置與所述構件(I)的跨中位置在同一豎直線上；所述扭轉臂(6)和分配梁(8)均水平設置。
5.根據權利要求(3)所述的一種構件純扭實驗裝置，其特征在于，所述豎向支撐部件(11)由四個鋼板首尾順次焊接形成的矩形鋼筒，所述矩形鋼筒的上端焊接一固定在所述反力梁(14)上的鋼板，所述矩形鋼筒的下端焊接一與所述豎向力千斤頂(10)均勻接觸的方形鋼板。
6.根據權利要求(5)所述的一種構件純扭實驗裝置，其特征在于，所述扭轉支座(2)、構件(I)、扭轉臂與構件之間墊板(4)和扭轉臂(6)通過螺栓(5)固定連接在一起。
7.根據權利要求1-6中任一項所述的一種構件純扭實驗裝置，其特征在于，所述豎向支撐部件(11)上端用夾板(12)和豎向支撐固定螺栓(13)固定于反力梁(14)跨中位置處。
8.一種應用如權利要求1-7中任一項所述的一種構件純扭實驗裝置進行的純扭實驗方法，其特征在于，包括以下步驟: 通過所述豎直千斤頂(10 )向分配梁(8 )跨中處施加軸向壓力，進而所述分配梁(8 )兩端對扭轉臂(6)產生等值軸向力，所述等值軸向力傳遞到所述構件(I)兩端，使構件(I)處于純扭作用下； 采用分級加載方式，不斷采集實驗數據，直至構件(I)被破壞； 將所述第一位移計(16)的讀數與第二位移計位移計(17)的讀數的差值除以所述第一位移計(16)和第二位移計(17)分別到所述構件(I)沿長度方向的對稱面的垂直距離之和，從而算出構件(I)的扭轉角。
【文檔編號】G01N3/22GK104132854SQ201410361387
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】周繼凱, 王石付, 陳徐東, 趙夕瑤, 汪志強, 錢萍萍 申請人:河海大學