本發(fā)明屬于一種實(shí)驗(yàn)用試件固定和預(yù)加載裝置及其實(shí)驗(yàn)方法，具體為涉及一種配合沖擊實(shí)驗(yàn)的預(yù)加軸力、彎矩的試件固定裝置及其實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)進(jìn)步和日益嚴(yán)峻的防恐形勢(shì)，人們對(duì)于大型公共建筑和防護(hù)結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)有了更高要求。自上個(gè)世紀(jì)以來(lái)，各國(guó)學(xué)者加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)構(gòu)件在沖擊載荷下的力學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究，推動(dòng)了材料和能量吸收裝置的巨大發(fā)展，被大量應(yīng)用于汽車、航天和軍事工業(yè)等領(lǐng)域。柱子作為建筑結(jié)構(gòu)的主要承重和抗側(cè)構(gòu)件，在沖擊類強(qiáng)動(dòng)載荷作用下引發(fā)的失效將導(dǎo)致大規(guī)模的人員和財(cái)產(chǎn)損失，針對(duì)其開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究日益受到重視。然而，鑒于問(wèn)題的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法僅適用于簡(jiǎn)單的加載和邊界條件，如僅考慮固支或簡(jiǎn)支邊界，或只考慮初始軸力對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，而忽視軸力在整體變形過(guò)程的漸弱效應(yīng)以及對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)有巨大影響的彎矩作用。因此，準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)理論的完善需要一種可以同時(shí)考慮漸變軸力和彎矩的實(shí)驗(yàn)裝置，并以此為依托開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的之一在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊且易于操作的預(yù)加軸力和彎矩的試件固定裝置，本裝置不僅可以提供多種內(nèi)力組合形式完成不同工況的預(yù)加載及試件加載后的沖擊，還可精確測(cè)量并實(shí)時(shí)記錄沖擊實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試件所承受的漸弱的軸力和彎矩。

本發(fā)明公開(kāi)了一種配合沖擊實(shí)驗(yàn)的預(yù)加軸力、彎矩的試件固定裝置。該裝置包括剛性底座、滑動(dòng)端荷載施加組件、固定端荷載施加組件、擺錘、試件、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)終端。

所述剛性底座包括滑動(dòng)端剛性底座和固定端剛性底座，均通過(guò)地錨固定于剛性底板的指定位置。

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括壓力傳感器、位移傳感器、動(dòng)態(tài)采集儀、非接觸式應(yīng)變位移測(cè)量?jī)x和計(jì)算機(jī)終端。所述壓力傳感器及位移傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線和動(dòng)態(tài)采集儀連接；所述動(dòng)態(tài)采集儀及非接觸式應(yīng)變位移測(cè)量?jī)x通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線和所述計(jì)算機(jī)終端通訊連接。

所述滑動(dòng)端荷載施加組件包括滑動(dòng)軸力施加組件、滑動(dòng)彎矩施加組件、氣體充壓系統(tǒng)和氣動(dòng)加載組件。所述氣動(dòng)加載組件通過(guò)高強(qiáng)螺栓固定于所述滑動(dòng)端剛性底座上端。所述氣動(dòng)加載組件正前端通過(guò)高強(qiáng)螺栓順次固定所述滑動(dòng)軸力施加組件和滑動(dòng)彎矩施加組件。所述滑動(dòng)彎矩施加組件的轉(zhuǎn)動(dòng)夾具夾緊試件一端，防止拔出。

所述滑動(dòng)軸力加載組件進(jìn)一步包括滑筒、隔板、壓力傳感器和保護(hù)罩。所述滑筒可保證刀形加載壓頭的運(yùn)動(dòng)方向保持不變，進(jìn)而保證所施加軸力方向不變。

所述滑動(dòng)彎矩施加組件進(jìn)一步包括弧形軌道、刀形加載壓頭、轉(zhuǎn)動(dòng)夾具、齒形滑道。所述刀形加載壓頭的刀形頭卡入所述齒形滑道的齒形槽內(nèi)，且刀形加載壓頭的刀形頭厚度小于齒形槽的開(kāi)口寬度，其目的為加載過(guò)程中齒形滑道以齒形槽內(nèi)刀形加載壓頭刀形頭頂部為支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

所述氣動(dòng)加載組件進(jìn)一步包括墊板、氣缸、固定卡具。所述墊板和滑動(dòng)端剛性底座連接，所述氣缸通過(guò)固定卡具固定于所述墊板上。所述氣缸活塞桿的端部通過(guò)所述隔板和壓力傳感器連接。所述氣動(dòng)加載組件中的氣缸可以在不裝配彎矩施加組件下單獨(dú)工作，實(shí)現(xiàn)試件在單純軸力加載下的實(shí)驗(yàn)研究。

所述氣體充壓系統(tǒng)通過(guò)高壓氣管和所述氣缸連接。所述導(dǎo)管上連有止回閥，用于控制氣缸和氣體充壓系統(tǒng)的連通與阻斷。所述氣體充壓系統(tǒng)可設(shè)定對(duì)氣缸的目標(biāo)充壓水平，氣缸內(nèi)壓力達(dá)到目標(biāo)壓力值時(shí)氣體充壓系統(tǒng)自動(dòng)停止充壓并維持氣缸內(nèi)壓力值保持不變。

所述固定端荷載施加組件固定在所述固定端剛性底座上，包括弧形軌道、刀形加載壓頭、轉(zhuǎn)動(dòng)夾具、齒形滑道和可調(diào)節(jié)固定板。所述轉(zhuǎn)動(dòng)夾具夾緊試件另一端，刀型加載壓頭的末端通過(guò)所述可調(diào)節(jié)固定板固定于固定端剛性底座。

在施加軸力和彎矩時(shí)，根據(jù)所需施加的軸力及彎矩通過(guò)氣體充壓系統(tǒng)設(shè)定對(duì)氣缸的目標(biāo)充壓水平，氣缸內(nèi)壓力達(dá)到目標(biāo)壓力值時(shí)空氣充壓系統(tǒng)自動(dòng)停止充壓并維持氣缸內(nèi)壓力值保持不變，關(guān)閉止回閥。在充壓的過(guò)程中，氣缸內(nèi)的活塞桿隨氣缸內(nèi)氣壓的升高而向外伸出，并驅(qū)動(dòng)壓力傳感器、滑動(dòng)彎矩施加組件的刀形加載壓頭和齒形滑道向前滑動(dòng)，齒形滑道以齒形槽內(nèi)刀形加載壓頭刀形頭頂部為支點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)并使試件在一端受到軸向壓力和彎矩的作用，同時(shí)固定端荷載施加組件會(huì)在試件另一端給試件提供相應(yīng)的反作用力（包括軸向壓力和彎矩），試件發(fā)生彎曲變形，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)試件預(yù)加軸力和彎矩。

所述彎矩施加組件可靈活調(diào)整軸向輸出壓力的水平以及刀形加載壓頭嵌入齒形軌道不同位置的偏心距，實(shí)現(xiàn)多種初始軸力和彎矩工況組合。

在對(duì)氣缸充壓的過(guò)程中，動(dòng)態(tài)采集儀分別通過(guò)壓力傳感器和位移傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量、記錄氣缸活塞桿對(duì)壓力傳感器的壓力（亦即試件兩端部受到的軸向壓力值）和試件兩端部軸向位移并實(shí)時(shí)顯示于計(jì)算機(jī)終端。

所述非接觸式應(yīng)變位移測(cè)量?jī)x實(shí)時(shí)測(cè)量、記錄試件中部的撓度并實(shí)時(shí)顯示于計(jì)算機(jī)終端。

所述氣動(dòng)加載組件的氣缸活塞桿可跟隨因初始加載及沖擊作用產(chǎn)生軸向變形的試件滑移，并因所述氣缸內(nèi)壓力變小導(dǎo)致軸向壓力和彎矩減小，從而真實(shí)模擬實(shí)際工程倒塌過(guò)程中軸力、彎矩的漸弱效應(yīng)。

本發(fā)明的目的之二是，提供一種上述的配合沖擊實(shí)驗(yàn)的預(yù)加軸力、彎矩的試件固定裝置的實(shí)驗(yàn)方法，其具有操作簡(jiǎn)便、多構(gòu)件易替換等特點(diǎn)。

上述的配合沖擊實(shí)驗(yàn)的預(yù)加軸力、彎矩的試件固定裝置的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步，根據(jù)試件長(zhǎng)度調(diào)整滑動(dòng)端荷載施加組件及固定端荷載施加組件的位置，將試件兩端分別固定于兩端加載組件的夾具上；

第二步，調(diào)節(jié)兩端荷載施加組件的刀形加載壓頭在齒形滑道上的位置；

第三步，開(kāi)啟動(dòng)態(tài)采集儀、壓力傳感器、位移計(jì)和計(jì)算機(jī)終端，計(jì)算機(jī)終端開(kāi)始實(shí)時(shí)記錄并顯示試件端部所受壓力及端部軸向位移；打開(kāi)止回閥，根據(jù)試驗(yàn)所需軸力及彎矩設(shè)定氣體充壓系統(tǒng)的目標(biāo)充壓水平并啟動(dòng)設(shè)備開(kāi)始充壓，氣缸內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到目標(biāo)壓強(qiáng)時(shí)氣體充壓系統(tǒng)自動(dòng)停止充壓并維持氣缸內(nèi)壓力值保持不變，關(guān)閉止回閥，充壓結(jié)束，即完成試件的預(yù)加載；

第四步，開(kāi)啟非接觸式應(yīng)變位移測(cè)量?jī)x及計(jì)算機(jī)終端，計(jì)算機(jī)終端開(kāi)始實(shí)時(shí)記錄并顯示試件中部撓度，調(diào)節(jié)擺錘至目標(biāo)高度，釋放擺錘，擺錘完成對(duì)試件的沖擊，同時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將整個(gè)沖擊過(guò)程中試件所受外部壓力、軸向位移和試件中部撓度實(shí)時(shí)記錄、顯示于計(jì)算機(jī)終端，并根據(jù)軸力及彎矩公式將試件軸線方向任意位置的軸力及端部彎矩同步實(shí)時(shí)顯示于計(jì)算機(jī)終端；

第五步，打印輸出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，關(guān)閉設(shè)備，拆卸沖擊后的試件。

綜上所述，本發(fā)明與現(xiàn)有試驗(yàn)裝置相比，有以下有益效果：

1、本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)固定裝置，可以通過(guò)調(diào)節(jié)氣動(dòng)裝置的充壓水平，實(shí)現(xiàn)不同軸力水平的施加；

2、本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)固定裝置，可以通過(guò)調(diào)整弧形軌道的方位以及加載壓頭在齒形軌道的位置實(shí)現(xiàn)多種軸力、彎矩組合工況；

3、本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)固定裝置，可在試件承受瞬態(tài)側(cè)向沖擊后持續(xù)施加幅值漸弱的軸力和彎矩，符合工程倒塌過(guò)程的實(shí)際情況。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明裝置施加軸力和彎矩時(shí)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明裝置施加軸力和彎矩時(shí)的分解結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明裝置的試件在4種不同狀態(tài)下的受力圖；

圖4為本發(fā)明裝置的試件在4種不同狀態(tài)下的彎矩圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明：

1、地錨；2、滑動(dòng)端剛性底座；3、固定端剛性底座；4、氣動(dòng)加載組件（4a、墊板；4b、固定卡具；4c、氣缸）；5、滑動(dòng)軸力施加組件（5a、滑筒；5b、隔板；5c、壓力傳感器；5d、保護(hù)罩）；6、滑動(dòng)彎矩施加組件（6a、弧形軌道；6b、刀形加載壓頭；6c、轉(zhuǎn)動(dòng)夾具；6d、齒形滑道）；7、固定端彎矩施加組件（7a、刀形加載壓頭；7b、可調(diào)節(jié)固定板）；8、止回閥；9、位移傳感器；10、動(dòng)態(tài)采集儀；11、計(jì)算機(jī)終端；12、氣體充壓系統(tǒng)；13、試件；14、非接觸式應(yīng)變位移測(cè)量?jī)x；15、擺錘；16-18、高強(qiáng)螺栓。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的技術(shù)手段易于理解，以下結(jié)合附圖說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施過(guò)程。在下列說(shuō)明中，不詳盡說(shuō)明公知的結(jié)構(gòu)和功能。

如圖1及圖2所示，本發(fā)明為一種配合沖擊實(shí)驗(yàn)的預(yù)加軸力、彎矩的試件固定裝置，該裝置包括剛性底座、滑動(dòng)端荷載施加組件、固定端荷載施加組件、擺錘、試件、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)終端。

所述剛性底座包括滑動(dòng)端剛性底座2和固定端剛性底座3，均通過(guò)地錨1固定于剛性底板的指定位置。

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括壓力傳感器5c、位移傳感器9、動(dòng)態(tài)采集儀10、非接觸式應(yīng)變位移測(cè)量?jī)x14和計(jì)算機(jī)終端11。所述壓力傳感器5c及位移傳感器9通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線和動(dòng)態(tài)采集儀連接；所述動(dòng)態(tài)采集儀及非接觸式應(yīng)變位移測(cè)量?jī)x通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線和所述計(jì)算機(jī)終端通訊連接。

所述滑動(dòng)端荷載施加組件包括滑動(dòng)軸力施加組件5、滑動(dòng)彎矩施加組件6、氣體充壓系統(tǒng)12和氣動(dòng)加載組件4。所述氣動(dòng)加載組件通過(guò)高強(qiáng)螺栓固定于所述滑動(dòng)端剛性底座2上端。所述氣動(dòng)加載組件正前端通過(guò)高強(qiáng)螺栓順次固定所述滑動(dòng)軸力施加組件和滑動(dòng)彎矩施加組件。所述滑動(dòng)彎矩施加組件的轉(zhuǎn)動(dòng)夾具6c夾緊試件13一端，防止拔出。

所述滑動(dòng)軸力加載組件5進(jìn)一步包括滑筒5a、隔板5b、壓力傳感器5c和保護(hù)罩5d。所述滑筒可保證刀形加載壓頭6b的運(yùn)動(dòng)方向保持不變，進(jìn)而保證所施加軸力方向不變。

所述滑動(dòng)彎矩施加組件6進(jìn)一步包括弧形軌道6a、刀形加載壓頭6b、轉(zhuǎn)動(dòng)夾具6c、齒形滑道6d。所述刀形加載壓頭的刀形頭卡入所述齒形滑道的齒形槽內(nèi)，且刀形加載壓頭的刀形頭厚度小于齒形槽的開(kāi)口寬度，其目的為加載過(guò)程中齒形滑道以齒形槽內(nèi)刀形加載壓頭刀形頭頂部為支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

所述氣動(dòng)加載組件4進(jìn)一步包括墊板4a、固定卡具4b和氣缸4c。所述墊板和滑動(dòng)端剛性底座連接，所述氣缸通過(guò)固定卡具固定于所述墊板上。所述氣缸活塞桿的端部通過(guò)所述隔板和壓力傳感器連接。

所述氣體充壓系統(tǒng)通過(guò)高壓氣管和所述氣缸4c連接。所述導(dǎo)管上連有止回閥8，用于控制氣缸和氣體充壓系統(tǒng)的連通與阻斷。所述氣體充壓系統(tǒng)可設(shè)定對(duì)氣缸的目標(biāo)充壓水平，氣缸內(nèi)壓力達(dá)到目標(biāo)壓力值時(shí)空氣充壓系統(tǒng)自動(dòng)停止充壓并維持氣缸內(nèi)壓力值保持不變。

所述固定端荷載施加組件7固定在所述固定端剛性底座3上，包括弧形軌道6a、刀形加載壓頭6b、轉(zhuǎn)動(dòng)夾具6c、齒形滑道6d和可調(diào)節(jié)固定板7b。所述轉(zhuǎn)動(dòng)夾具夾緊試件另一端，刀型加載壓頭的末端通過(guò)所述可調(diào)節(jié)固定板固定于固定端剛性底座。

在施加軸力和彎矩時(shí)，根據(jù)所需施加的軸力及彎矩通過(guò)空氣充壓系統(tǒng)設(shè)定對(duì)氣缸的目標(biāo)充壓水平，氣缸內(nèi)壓力達(dá)到目標(biāo)壓力值時(shí)空氣充壓系統(tǒng)自動(dòng)停止充壓并維持氣缸內(nèi)壓力保持不變，關(guān)閉止回閥。在充壓的過(guò)程中，氣缸內(nèi)的活塞桿隨氣缸內(nèi)氣壓的升高而向外伸出，并驅(qū)動(dòng)壓力傳感器、滑動(dòng)彎矩施加組件的刀形加載壓頭和齒形滑道向前滑動(dòng)，齒形滑道以齒形槽內(nèi)刀形加載壓頭刀形頭頂部為支點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)并使試件在一端受到軸向壓力和彎矩的作用，同時(shí)固定端荷載施加組件會(huì)在試件另一端給試件提供相應(yīng)的反作用力（包括軸向壓力和彎矩），試件發(fā)生彎曲變形，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)試件預(yù)加軸力和彎矩。

所述彎矩施加組件可靈活調(diào)整軸向輸出壓力的水平以及刀形加載壓頭嵌入齒形軌道不同位置的偏心距，實(shí)現(xiàn)多種初始軸力和彎矩工況組合。

在對(duì)氣缸充壓的過(guò)程中，動(dòng)態(tài)采集儀分別通過(guò)壓力傳感器和位移計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量、記錄氣缸活塞桿對(duì)壓力傳感器的壓力（也即試件兩端部受到的軸向壓力值）和試件兩端部軸向位移并實(shí)時(shí)顯示于計(jì)算機(jī)終端。

所述非接觸式應(yīng)變位移測(cè)量?jī)x實(shí)時(shí)測(cè)量、記錄試件中部的撓度并實(shí)時(shí)顯示于計(jì)算機(jī)終端。

配合沖擊實(shí)驗(yàn)的預(yù)加軸力、彎矩的試件固定裝置的實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

第一步，根據(jù)試件長(zhǎng)度調(diào)整滑動(dòng)端荷載施加組件及固定端荷載施加組件的位置，將試件兩端分別固定于兩端加載組件的夾具上；

第二步，調(diào)節(jié)兩端荷載施加組件的刀形加載壓頭在齒形滑道上的位置；

第三步，開(kāi)啟動(dòng)態(tài)采集儀、壓力傳感器、位移傳感器和計(jì)算機(jī)終端，計(jì)算機(jī)終端開(kāi)始實(shí)時(shí)記錄并顯示試件端部所受壓力及端部軸向位移；打開(kāi)止回閥，根據(jù)試驗(yàn)所需軸力及彎矩設(shè)定氣體充壓系統(tǒng)的目標(biāo)充壓水平并啟動(dòng)設(shè)備開(kāi)始充壓，氣缸內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到目標(biāo)壓強(qiáng)時(shí)空氣充壓系統(tǒng)自動(dòng)停止充壓并維持氣缸內(nèi)壓力值保持不變，關(guān)閉止回閥，充壓結(jié)束，即完成試件的預(yù)加載；

第四步，開(kāi)啟非接觸式應(yīng)變位移測(cè)量?jī)x及計(jì)算機(jī)終端，計(jì)算機(jī)終端開(kāi)始實(shí)時(shí)記錄并顯示試件中部撓度。調(diào)節(jié)擺錘至目標(biāo)高度，釋放擺錘，擺錘完成對(duì)試件的沖擊，同時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將整個(gè)沖擊過(guò)程中試件所受的外部壓力、軸向位移和試件中部撓度變化實(shí)時(shí)記錄并顯示于計(jì)算機(jī)終端，并根據(jù)軸力及彎矩公式（1）將試件軸線方向任意位置的軸力及彎矩同步實(shí)時(shí)保存并顯示于計(jì)算機(jī)終端；

(1)

式中的符號(hào)解釋：

：由所述荷載傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)得的軸力；

：試件上、下端由軸向荷載所引起的軸力；

：試件上、下端對(duì)應(yīng)偏心距；

：試件上、下端由軸向荷載所引起的彎矩；

第五步，打印輸出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，關(guān)閉設(shè)備，拆卸沖擊后的試件。

以上所述僅為發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

除說(shuō)明書所述技術(shù)特征外，其余技術(shù)特征均為本領(lǐng)域技術(shù)人員已知技術(shù)，為了突出本發(fā)明的創(chuàng)新特點(diǎn)，上述技術(shù)特征在此不再贅述。