[发明专利]一种自平衡式空间往复加载系统及方法

说明书

本发明公开了一种自平衡式空间往复加载系统和方法。该加载系统包括待加载试件、反力框架、液压作动器、万向球铰端头和万向铰支座；反力框架由卧式反力框架和竖向反力框架组成；待加载试件平躺于卧式反力框架中，一端与反力框架固结，另一端通过万向球铰端头与液压作动器连接；液压作动器的另一端分别通过万向铰支座与反力框架连接。万向铰支座包括端板、耳板、底座、销轴、万向轴承和轴承座；万向球铰端头包括端板、凸缘法兰、垫盘、两个空心半球、核心球和球铰底座。本发明使用卧式反力框架实现试验加载时力的自平衡，使用万向铰支座和万向球铰支座实现液压作动器在空间加载时的空间转动及试件的自由扭转，具有准确、稳定、便于测量的优点。

技术领域

本发明涉及一种自平衡式空间往复加载系统及方法，属于土木结构试验领域。

背景技术

由于地震动是多维的，建筑结构在地震作用下会产生复杂的空间反应，结构的抗侧力构件会承受轴力、双向水平力、双向弯矩、甚至扭矩作用。从结构多维抗震设计的角度看，考虑双向水平地震作用比仅考虑单向水平地震作用更能体现结构的真实地震状况。在试验中模拟双向地震作用常常假设试件悬臂自由的边界条件，沿主副轴进行位移加载。这就要求在试件顶部释放所有的转动约束，对试验装置提出了新的要求。

现有的模拟双向水平地震作用的空间加载试验很多都是对于混凝土构件进行的，其抗扭刚度大，转动约束影响较小；随着针对钢构件的空间加载试验日益增多，加载过程带来的附加弯矩扭矩影响越发难以忽视，而且要实现试件顶部悬臂自由的边界条件。有的试验采用万向铰跟动装置来考虑这一影响，但是试验采用的作动器一般都很笨重，跟动效果很差；有的试验作动器与试件采用销铰等装置来实现铰接，但是会牺牲精度。

发明内容

本发明旨在提供一种自平衡式空间往复加载系统及方法，能够实现对构件进行空间循环加载试验时，顶部万向球铰端头可以释放转动约束，保证加载端悬臂自由的边界条件。

本发明通过使用卧式反力框架实现试验加载时力的自平衡，使用万向铰支座和万向球铰支座实现液压作动器在空间加载时的空间转动及待测试件的自由扭转，满足了待测试件加载时悬臂自由的边界条件，具有准确、稳定、便于测量等优点。本发明根据需要选取做作动器的个数，当采用双向加载时，分为一个侧向力作动器一个轴心力作动器或两个侧向力作动器两种情况，这时组装万向球铰端头时只需要两个对应方向的凸缘法兰即可。当采用单向加载时，同理，只需要一个方向的凸缘法兰和作动器。当采用三向加载时，三个液压作动器分别为x轴作动器、y轴作动器、z轴作动器，三个液压作动器两两垂直布置，三个液压作动器分别和万向球铰端头的三个端板通过高强螺栓连接。

本发明提供了一种自平衡式空间往复加载系统，包括反力框架、液压作动器、万向球铰端头、万向铰支座；

反力框架由卧式反力框架和竖向反力框架组成；待加载试件水平置于卧式反力框架中，试件一端与反力框架固结，另一端通过万向球铰端头与液压作动器连接；液压作动器的另一端分别通过万向铰支座与反力框架连接；作动器的内侧通过万向球铰端头连接，作动器的外侧通过万向铰支座与反力框架固定；万向球铰端头固定在试件上；

所述万向球铰端头包含一个核心球、两个空心半球、球铰底座、三个垫盘、三个凸缘法兰、三个端板；两个空心半球组成一个空心外球，核心球位于空心外球的中间；万向球铰端头的核心球球面和空心外球的球面是同心球面；两个空心半球与核心球之间通过垫盘和凸缘法兰固定位置连接；空心外球和球铰底座通过内六角螺栓连接，端板设置在球体的外侧，且两两垂直设置；空心外球通过凸缘法兰连接端板；

万向铰支座包括：轴承座、万向轴承、第一销轴和第二销轴、两个耳板、底座、连接端板；两个耳板和轴承座中心设有孔，两个耳板固定在连接端板上，轴承座固定在底座上，万向轴承位于轴承座的孔内，两端连接销轴，销轴穿过耳板的孔，将耳板、轴承座连接为一个整体；

液压作动器和万向球铰端头的端板通过高强螺栓连接，液压作动器的另一端分别与反力框架连接。