本發(fā)明涉及結構工程試驗裝置及其試驗方法，尤其涉及一種梁構件純扭轉試驗加載裝置及其試驗方法。

背景技術：

在結構工程中，橋梁、混凝土梁等都可簡化為梁構件，在風載荷和地震等復雜受力作用下，除了受到軸向力和彎矩外，還有扭矩的作用。因此，有必要對梁構件在扭矩作用下的結構性能、破壞機理進行深入研究。目前在梁構件的純扭轉試驗中，當采用電液伺服作動器作為加載設備時，造價高昂。當沒有電液伺服作動器作為加載設備時，一般采用普通液壓千斤頂作為加載設備。而在這種情況下，加載裝置較難以獲得試驗梁的極限承載能力，主要是因為隨著試驗梁扭轉端的扭轉角的增大，千斤頂會發(fā)生傾斜，當傾斜角度達到一定程度時，千斤頂將發(fā)生掉落。若沒有設置特殊裝置時，試驗梁的邊界條件設置不合理，試驗梁的扭轉不是繞梁構件截面扭轉中心的純扭轉。

因此，亟待解決上述問題。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種可保障千斤頂在加載過程中不發(fā)生傾斜且試驗梁的扭轉為繞截面扭轉中心的純扭轉的梁構件純扭轉試驗加載裝置。

本發(fā)明的第二目的是提供該加載裝置的試驗方法。

技術方案：為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明梁構件純扭轉試驗加載裝置，包括對置于試驗梁一端上下表面的扭轉上橫梁和扭轉下橫梁、以及對置于試驗梁另一端上下表面的夾持上橫梁和夾持下橫梁，所述扭轉下橫梁的一端穿設有用于提供反作用力的反力架，該反力架內(nèi)設有用于為扭轉下橫梁施加載荷的帶測力傳感器的千斤頂；所述扭轉上橫梁/扭轉下橫梁與試驗梁上下表面之間設有用于釋放試驗梁縱向約束的滾動支撐；所述扭轉下橫梁的下方可轉動連接有非對稱結構的扭轉支撐墩，且該轉動中心與試驗梁的扭轉中心相重合；所述夾持下橫梁下方固定連接有夾持支撐墩。本發(fā)明試驗梁的邊界條件設置合理，通過確保扭轉下橫梁的轉動中心為試驗梁的扭轉中心，以及采用滾動支撐釋放試驗梁的縱向約束來實現(xiàn)試驗梁的扭轉為繞截面扭轉中心的純扭轉。

其中，所述千斤頂外側圍設有位于反力架內(nèi)的千斤頂防偏裝置，該千斤頂防偏裝置包括自上而下依次設置的與千斤頂頂端固定連接的固定板、用于限制千斤頂移動的限位架、承載千斤頂?shù)撞康臒o蓋式防偏箱、單向鉸支座和置于扭轉下橫梁的上表面的圓柱滾子；所述防偏箱的一相對側面上還設有垂直于扭轉下橫梁的一對側向支撐鋼板。本發(fā)明通過反力架為裝置提供反作用力，同時在反力架內(nèi)設置千斤頂防偏裝置，通過該千斤頂防偏裝置保障千斤頂在隨著試驗梁扭轉端的扭轉角逐漸增大的過程中不發(fā)生傾斜，千斤頂不會發(fā)生掉落。

優(yōu)選的，所述防偏箱和側向支撐鋼板相接觸的表面均噴有潤滑劑。

進一步，所述反力架包括對稱設置的反力架立柱和用于連接反力架立柱的反力架橫梁、反力架底座，該反力架橫梁、反力架立柱和扭轉下橫梁圍成的空間內(nèi)置有千斤頂和千斤頂防偏裝置；其中，所述反力架橫梁與固定板相連接，所述反力架立柱的內(nèi)側與限位架和側向支撐鋼板相連接，該反力架立柱的外側與反力架斜撐相連接。本發(fā)明的反力架是由鋼板焊接而成，結構牢固，且在反力架的外側兩邊對稱設于反力架斜撐進一步增強反力架的支撐能力。

再者，所述扭轉支撐墩由鋼板焊接而成的非對稱式倒T型結構，該扭轉支撐墩的立柱上端通過轉動支座與扭轉下橫梁可轉動連接，且該轉動支座的轉動中心與試驗梁的扭轉中心相重合，所述扭轉支撐墩的橫梁與地面固接；其中所述轉動支座包括帶弧形凸起的上半支座和與其相卡合的帶弧形凹槽的下半支座，該下半支座的凹槽內(nèi)設有與凹槽弧度相一致的弧形保持架，該弧形保持架內(nèi)排布有若干個滾柱。本發(fā)明采用非對稱結構的扭轉支撐墩，通過調整扭轉支撐墩的位置可自由改變加載力臂的大小，可進行多組參數(shù)的試驗梁純扭轉試驗；同時本發(fā)明通過轉動支座實現(xiàn)扭轉下橫梁與扭轉支撐墩的可轉動連接，同時通過相互卡合的帶弧形凸起的上半支座與帶弧形凹槽的下半支座實現(xiàn)其轉動中心與試驗梁的扭轉中心相重合。

優(yōu)選的，所述扭轉上橫梁和扭轉下橫梁均由鋼板焊接而成，該扭轉上橫梁和扭轉下橫梁上設有L組上下一一對應且與試驗梁尺寸相匹配的螺栓孔，并穿設雙頭螺栓進行連接；所述扭轉下橫梁的下表面設有與轉動支座相匹配的M組螺栓孔；L和M均為不小于2的整數(shù)。

進一步，所述夾持上橫梁和夾持下橫梁均由鋼板焊接而成，該夾持上橫梁和夾持下橫梁上設有N組上下一一對應且與試驗梁尺寸相匹配的螺栓孔，并穿設雙頭螺栓與夾持支撐墩相連接，其中N為不小于2的整數(shù)。本發(fā)明的裝配式結構，可實現(xiàn)各部件的局部快速替換，且該裝置的扭轉上下橫梁和夾持上下橫梁上設置有多組螺栓孔，有利于針對不同尺寸的試驗梁展開試驗研究，通用性強。

再者，所述滾動支撐包括若干個由帶凹槽的鋼板和置于凹槽內(nèi)的圓棒組成的分段式支撐結構，該滾動支撐的總長度與試驗梁的寬度相一致。

優(yōu)選的，所述夾持支撐墩由鋼板焊接而成，該夾持支撐墩的兩端通過地錨與地面固接。

一種利用上述加載裝置進行梁構件純扭轉試驗的試驗方法，包括如下步驟：

(1)、備好試驗梁、扭轉上橫梁、扭轉下橫梁、夾持上橫梁、夾持下橫梁、反力架、反力架斜撐、千斤頂、滾動支撐、扭轉支撐墩、夾持支撐墩、千斤頂防偏裝置、限位架、防偏箱、單向鉸支座和轉動支座；

(2)、將反力架、反力架斜撐、扭轉支撐墩和夾持支撐墩的底部與底面相固接，反力架斜撐與反力架相連接；

(3)、將扭轉下橫梁、轉動支座依次和扭轉支撐墩相連接，調節(jié)扭轉下橫梁至水平；

(4)、將夾持下橫梁與夾持支撐墩相連接，并調節(jié)夾持下橫梁至水平；

(5)、安裝試驗梁，并在其與扭轉上橫梁和扭轉下橫梁之間放置滾動支撐，將扭轉上橫梁與扭轉下橫梁相連接，將夾持上橫梁、夾持下橫梁和夾持支撐墩相連接；

(6)、將帶測力傳感器的千斤頂與千斤頂防偏裝置相連接，并置于反力架內(nèi)；

(7)、千斤頂對扭轉下橫梁施加垂直向下的載荷，直至試驗梁發(fā)生破壞；

(8)、根據(jù)測力傳感器檢測出的數(shù)據(jù)計算試驗梁所承受的扭矩；

(9)、根據(jù)傾角儀檢測出的數(shù)據(jù)計算試驗梁所產(chǎn)生的扭轉角。

有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點：

(1)本發(fā)明試驗梁的邊界條件設置合理，通過確保扭轉下橫梁的轉動中心為試驗梁的扭轉中心，以及采用滾動支撐釋放試驗梁的縱向約束來實現(xiàn)試驗梁的扭轉為繞截面扭轉中心的純扭轉；

(2)本發(fā)明通過反力架為裝置提供反作用力，同時在反力架內(nèi)設置千斤頂防偏裝置，通過該千斤頂防偏裝置保障千斤頂在隨著試驗梁扭轉端的扭轉角逐漸增大的過程中不發(fā)生傾斜，千斤頂不會發(fā)生掉落；

(3)本發(fā)明采用非對稱結構的扭轉支撐墩，通過調整扭轉支撐墩的位置可自由改變加載力臂的大小，可進行多組參數(shù)的試驗梁純扭轉試驗；

(4)本發(fā)明通過轉動支座實現(xiàn)扭轉下橫梁與扭轉支撐墩的可轉動連接，同時通過相互卡合的帶弧形凸起的上半支座與帶弧形凹槽的下半支座實現(xiàn)其轉動中心與試驗梁的扭轉中心相重合；

(5)本發(fā)明的裝配式結構，可實現(xiàn)各部件的局部快速替換，且該裝置的扭轉上下橫梁和夾持上下橫梁上設置有多組螺栓孔，有利于針對不同尺寸的試驗梁展開試驗研究，通用性強，可用于各類矩形梁構件的純扭轉試驗，應用前景廣闊。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明中反力架的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明中千斤頂防偏裝置的爆炸圖；

圖4為本發(fā)明中轉動支座的爆炸圖；

圖5為本發(fā)明中滾動支撐的結構示意圖；

圖6(a)～6(d)為常見的試驗梁的結構示意圖；

圖7為本發(fā)明加載裝置施加的扭矩計算示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明一種梁構件純扭轉試驗加載裝置，包括扭轉上橫梁2、扭轉下橫梁3、夾持上橫梁4、夾持下橫梁5、反力架6、千斤頂7、滾動支撐8、扭轉支撐墩9、夾持支撐墩10、千斤頂防偏裝置11和轉動支座12。如圖3所示，千斤頂防偏裝置11包括固定板111、限位架112、防偏箱113、單向鉸支座114、圓柱滾子115和側向支撐鋼板116，其中固定板111、限位架112、防偏箱113、單向鉸支座114和圓柱滾子115自上而下依次設置。如圖2所示，反力架6由鋼板焊接而成，包括反力架立柱601、反力架橫梁602、反力架底座603和反力架斜撐604。

如圖3所示，本發(fā)明的千斤頂采用液壓分離式千斤頂，通過油泵進行控制，其型號可根據(jù)試驗需要施加的載荷最大值選用，該千斤頂通過螺栓倒立固定于固定板111上。其中，千斤頂7外側圍設有位于反力架6內(nèi)的千斤頂防偏裝置11，固定板111上開設相應的定位孔，通過螺栓與千斤頂?shù)撞康穆菁y孔相固定；固定板上還設有螺紋孔，并通過螺栓與反力架橫梁602底部相固接。限位架112為相對頂卡在千斤頂外壁的一對T型鋼板，該T型鋼板的立板上具有與千斤頂外壁弧度一致的弧形缺口，該T型鋼板的底板上設有螺栓孔，并通過螺栓與反力架6的反力架立柱601相連接。防偏箱113由鋼板焊接而成的無蓋式箱體結構，千斤頂7下放置測力傳感器701，該測力傳感器701與千斤頂7一同放置在防偏箱113內(nèi)，該防偏箱113的底部與單向鉸支座114頂部通過螺栓連接。同時防偏箱113的一相對側面上還設有垂直于扭轉下橫梁的一對側向支撐鋼板116，且防偏箱113和側向支撐鋼板116相接觸的表面均噴有室溫固化型二硫化鉬潤滑干膜。該側向支撐鋼板116插入反力架立柱601內(nèi)側面上的槽道605內(nèi)，以限制防偏箱113側向的位移。單向鉸支座114為一對相互鉸接且可相對轉動的半鉸支座，該單向鉸支座與扭轉下橫梁之間設置圓柱滾子115。本發(fā)明通過圓柱滾子115的滾動、單向鉸支座114的轉動以及側向支撐鋼板對防偏箱側向位移的限制來保障在加載過程中千斤頂7與測力傳感器701不發(fā)生傾斜和掉落。

如圖2所示，反力架立柱601對稱設置，并通過反力架橫梁602、反力架底座603連接反力架立柱601的上下兩端。反力架橫梁602、反力架立柱601和扭轉下橫梁3圍成的空間內(nèi)置有千斤頂7和千斤頂防偏裝置11；上述反力架橫梁602底面、反力架立柱601內(nèi)側面、反力架立柱601外側面上分別開設有螺栓孔。其中，反力架橫梁602底面通過螺栓與固定板111相連接，反力架立柱601內(nèi)側面通過螺栓與限位架112相固接，反力架立柱601外側面與反力架斜撐604相固接。其中，反力架立柱601的內(nèi)側還設有槽道605，該槽道605是用于設置側向支撐鋼板116。本發(fā)明通過反力架為裝置提供反作用力，同時在反力架內(nèi)設置千斤頂防偏裝置，通過該千斤頂防偏裝置保障千斤頂在隨著試驗梁扭轉端的扭轉角逐漸增大的過程中不發(fā)生傾斜，千斤頂不會發(fā)生掉落。

本發(fā)明加載裝置包括對置于試驗梁1一端上下表面的扭轉上橫梁2和扭轉下橫梁3、以及對置于試驗梁1另一端上下表面的夾持上橫梁4和夾持下橫梁5，所述扭轉下橫梁3的一端穿設有用于提供反作用力的反力架6，該反力架6內(nèi)設有用于為扭轉下橫梁3施加載荷的帶測力傳感器701的千斤頂7；所述扭轉上橫梁2/扭轉下橫梁3與試驗梁1上下表面之間設有用于釋放試驗梁縱向約束的滾動支撐8；所述扭轉下橫梁3的下方可轉動連接有非對稱結構的扭轉支撐墩9，且該轉動中心與試驗梁1的扭轉中心相重合；所述夾持下橫梁5下方固定連接有夾持支撐墩10。

本發(fā)明的扭轉支撐墩9由鋼板焊接而成的非對稱式倒T型結構，該扭轉支撐墩9的立柱上端通過轉動支座12與扭轉下橫梁3可轉動連接，且該轉動支座12的轉動中心與試驗梁1的扭轉中心相重合，扭轉支撐墩9的橫梁通過地錨螺栓與地面固接。夾持支撐墩10由鋼板焊接而成，該夾持支撐墩10的兩端通過地錨與地面固接。本發(fā)明采用非對稱結構的扭轉支撐墩，通過調整扭轉支撐墩的位置可自由改變加載力臂的大小，可進行多組參數(shù)的試驗梁純扭轉試驗。

如圖4所示，轉動支座12包括帶弧形凸起的上半支座121和與其相卡合的帶弧形凹槽的下半支座122，該下半支座122的凹槽內(nèi)設有與凹槽弧度相一致的弧形保持架123，該弧形保持架123內(nèi)排布有若干個滾柱124。帶弧形凸起的上半支座121由經(jīng)銑削成弧形的厚鋼板與方鋼板組合焊接而成，帶弧形凹槽的下半支座122由經(jīng)銑削成帶弧形凹槽的鋼塊與方鋼板焊接而成。轉動支座12的弧形半徑可根據(jù)試驗梁的尺寸進行設置，使其轉動中心為試驗梁1的扭轉中心相一致。本發(fā)明通過轉動支座實現(xiàn)扭轉下橫梁與扭轉支撐墩的可轉動連接，同時通過相互卡合的帶弧形凸起的上半支座與帶弧形凹槽的下半支座實現(xiàn)其轉動中心與試驗梁的扭轉中心相重合。

本發(fā)明扭轉上橫梁2和扭轉下橫梁3均由鋼板焊接而成，該扭轉上橫梁2和扭轉下橫梁3上設有L組上下一一對應且與試驗梁尺寸相匹配的螺栓孔，并穿設雙頭螺栓進行連接；扭轉下橫梁3的下表面設有與轉動支座12相匹配的M組螺栓孔；L和M均為不小于2的整數(shù)。夾持上橫梁4和夾持下橫梁5均由鋼板焊接而成，該夾持上橫梁4和夾持下橫梁5上設有N組上下一一對應且與試驗梁尺寸相匹配的螺栓孔，并穿設雙頭螺栓與夾持支撐墩10相連接，其中N為不小于2的整數(shù)。上述裝配式結構，可實現(xiàn)各部件的局部快速替換，且該裝置的扭轉上下橫梁和夾持上下橫梁上設置有多組螺栓孔，有利于針對不同尺寸的試驗梁展開試驗研究，通用性強。

如圖5所示，上述滾動支撐8包括若干個由帶凹槽的鋼板801和置于凹槽內(nèi)的圓棒802組成的分段式支撐結構，該滾動支撐8的總長度與試驗梁1的寬度相一致。扭轉上橫梁與試驗梁的上表面之間和扭轉下橫梁與試驗梁的下表面之間分別放置了滾動支撐8。

一種利用加載裝置進行梁構件純扭轉試驗的試驗方法，包括如下步驟：

(1)、備好試驗梁1、扭轉上橫梁2、扭轉下橫梁3、夾持上橫梁4、夾持下橫梁5、反力架6、反力架斜撐604、千斤頂7、滾動支撐8、扭轉支撐墩9、夾持支撐墩10、千斤頂防偏裝置11、限位架112、防偏箱113、單向鉸支座114和轉動支座12；

(2)、將反力架6、反力架斜撐604、扭轉支撐墩9和夾持支撐墩10的底部與地面通過地錨螺栓相固接，反力架斜撐604與反力架6通過螺栓相連接；

(3)、將扭轉下橫梁3、轉動支座12依次和扭轉支撐墩9通過螺栓相連接，可用臨時支撐調節(jié)扭轉下橫梁3至水平；

(4)、將夾持下橫梁5與夾持支撐墩10通過螺栓相連接，并調節(jié)夾持下橫梁5至水平；

(5)、安裝試驗梁1，并在其與扭轉上橫梁2和扭轉下橫梁3之間放置滾動支撐8，將扭轉上橫梁2與扭轉下橫梁3相連接，將夾持上橫梁4、夾持下橫梁5和夾持支撐墩10通過螺栓相連接；

(6)、將帶測力傳感器701的千斤頂7與千斤頂防偏裝置11中的固定板111通過螺栓相連接，將固定板用螺栓固定在反力架橫梁602的底部，將限位架112用螺栓固定在反力架立柱601上；單向鉸支座114與防偏箱113用螺栓相連接，并設置在千斤頂7的正下方，在千斤頂7和防偏箱113之間放置測力傳感器701，在單向鉸支座114和扭轉下橫梁3之間放置若干個圓柱滾子115；

(7)、采用液壓分離式千斤頂7對扭轉下橫梁3施加垂直向下的載荷，加載過程采用按力控制加載的分級加載方式，直至試驗梁1發(fā)生破壞；

(8)、根據(jù)測力傳感器701檢測出的數(shù)據(jù)計算試驗梁1所承受的扭矩；

(9)、根據(jù)傾角儀13檢測出的數(shù)據(jù)計算試驗梁1所產(chǎn)生的扭轉角。

完成一種參數(shù)的試驗梁1純扭轉試驗后，可替換試驗梁1(必要時可替換轉動支座12，以使轉動支座12的轉動中心與試驗梁1橫截面的扭轉中心相吻合)并保留其余裝置，進行下一種參數(shù)的試驗梁1的純扭轉試驗。

如圖7所示，千斤頂7施加的垂直力為F，可由測力傳感器701測得，扭轉下橫梁3實際受到的荷載為垂直于扭轉下橫梁3的力F′，其產(chǎn)生的扭轉角為θ，可由傾角儀13測得。圖7中∠CBD＝∠CAD＝θ，BC＝l，AD＝h，AC＝h′，力F′可分解為千斤頂施加的垂直力為F和側向支撐鋼板116提供的水平力H。因此試驗梁1受到的扭矩T＝Fl+Hh′＝Fl+Ftanθ(ltanθ+h/cosθ)，當θ和h較小時，可以近似認為T＝Fl；在扭矩T作用下，試驗梁1產(chǎn)生的扭轉角為θ。

本發(fā)明試驗梁的邊界條件設置合理，通過確保扭轉下橫梁的轉動中心為試驗梁的扭轉中心，以及采用滾動支撐釋放試驗梁的縱向約束來實現(xiàn)試驗梁的扭轉為繞截面扭轉中心的純扭轉。