适用于空间往复加载试验的万向球铰装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种适用于空间往复加载试验的万向球铰装置及试验方法，属于土木工程结构试验领域。万向球铰装置包括连接支座、外部空心球、内部空心球、固定肋板、加劲肋、连接端板、托板、滚珠、滚珠挡板、孔塞。首先将孔塞放入外部空心球孔洞，用于固定连接端板；然后，将加载试件的加载端及作动器的加载端分别与万向球铰装置的连接支座和连接端板通过螺栓连接，最后取掉孔塞，对构件进行空间往复加载试验。该装置通过滚珠在内部空心球外表面和外部空心球内表面的摩擦滚动实现作动器对加载试件施加空间往复荷载时构件加载端头的自由转动和扭转，保证加载端悬臂自由的边界条件。本发明专利技术的万向球铰装置适用于构件在空间的双向或三向加载。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及对结构试件进行的空间加载试验研究，具体涉及一种适用于空间往复加载试验的万向球铰装置及试验方法，属于土木工程结构试验领域。
技术介绍
为了研究梁柱构件的空间抗震性能的研究，常需要对结构构件进行空间三维方向的加载。空间构件在三维空间中有六个自由度，包括三个平移自由度和三个旋转自由度。同时考虑六个自由度会使试验控制和理论研究非常复杂，因此，在空间动态分析中，常将桥柱或结构柱合理的等效为只考虑三个平移自由度的系统，忽略三个旋转自由度。在这种情况下，试验装置设计的难点在于试验加载过程中对加载试件的弯矩和扭转作用的释放，保证试件加载端的悬臂自由。现有的试验装置水平，对构件进行空间往复加载试验时，利用两个水平作动器端头的单向铰来实现试验试件端头小范围的自由转动，但不能有效解决构件扭转自由度的释放，多用于抗扭刚度较大，扭转角度较小的钢筋混凝土柱，不适用于抗扭刚度较小、扭转角度较大的钢构件。进行三维加载试验装置设计时的这个难点已经严重限制了对梁柱构件进行空间抗震性能的试验研究，因此，急需设计有效的试验装置以解决这个难点。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种适用于空间往复加载试验的万向球铰装置，能够实现对构件进行空间往复加载试验时，试件加载端头两个水平方向的转动约束和扭转约束的释放，保证加载端悬臂自由的边界条件。本专利技术提供了一种适用于空间往复加载试验的万向球铰装置，包括连接支座、外部空心球、内部空心球、固定肋板、加劲肋、连接端板、托板、滚珠、滚珠挡板、孔塞；所述连接支座位于装置底部，与加载试件相连；连接支座上方为外部空心球，外部空心球内部设有内部空心球，内部空心球内部中心焊接有两条互相垂直的加劲肋，内部空心球与外部空心球之间通过固定肋板连接，外部空心球上设有孔洞，孔洞外侧对应设有连接端板，连接端板的截面为T形，与作动器连接，连接端板的T形底部固定在托板上；托板位于内部空心球与外部空心球之间，且托板上下方分别设有滚珠，托板上间隔设有滚珠挡板，托板上部滚珠与外部空心球的内壁接触，托板下部滚珠与内部空心球的外壁接触；外部空心球的孔洞与连接端板之间设有孔塞。上述装置中，所述外部空心球和内部空心球通过固定肋板固结为一体，外部空心球焊接固定在连接支座上，外部空心球与内部空心球不发生相对转动；所述连接支座上设有螺孔，连接支座通过螺栓与加载试件固定连接。上述装置中，所述内部空心球空腔内焊有两条纵横向加劲肋以避免加载时发生过大局部变形或破坏。上述装置中，所述外部空心球壁开挖有孔洞，孔洞的个数和开挖角度由试验中作动器个数和转动范围决定，连接端板穿过孔洞与托板焊接为一体；所述连接端板上设有螺孔，连接端板与作动器通过螺栓固定连接。进一步地，所述外部空心球上设有两个孔洞，且两个孔洞中心线的夹角呈90°。上述装置中，所述孔塞由两个半圆钢箍组成，半圆钢箍的上下面平行，侧面与孔洞配合。半圆钢箍的侧面平行于球的径向。试验初始时孔塞放置于外部空心球孔洞，以防止安装试验装置时万向球铰装置的连接端板发生初始偏心。上述装置中，所述托板放置于内外空心球之间，托板上部滚珠和托板下部滚珠的两端分别设有滚珠挡板，滚珠挡板焊接在托板上，滚珠挡板不与内、外部空心球接触，以确保滚珠能自由滚动，同时限定滚珠的位置。滚珠通过托板上下表面滚珠挡板嵌制分布于托板上表面的外围和下表面的内围，可沿外部空心球内表面和内部空心球的外表面自由滚动。上述装置中，所述内部空心球、外部空心球、托板、滚珠、加劲肋、连接支座、加固肋板及连接端板均由钢材料制成。本专利技术提供了一种适用于空间往复加载试验的试验方法，采用上述万向球铰装置，包括以下步骤：（1）确定加载试件的种类及基本尺寸参数、主轴位姿、具体的测试要求、试验加载装置及反力架尺寸，由此确定加载方案；包括：加载模式、加载制度、加载路径及具体的测试方案。（2）试件安装，用高强螺栓将试件下部与反力架固结，上部连接万向球铰装置，同时将孔塞放入外部空心球孔洞以固定万向球铰的连接端板；（3）将水平作动器、竖直作动器一端与万向球铰的连接端板连接固定，另一端与反力架连接，完成加载装置在反力架内的连接固定；（4）测试系统的布置，根据试件应力测量方向的要求，在试件上布置单向应变片；布置位移计，测量加载点的空间位移；布置传感器，测量水平荷载和竖向荷载；（5）进行空间往复加载试验，首先，去掉万向球铰装置的孔塞，再通过各个作动器控制构件加载端位移，实现试验方案要求的不同加载路径；（6）计算并输出结果，控制系统会自动采集测得的荷载、应变、位移，并按照预定的输出形式，输出试验数值、绘制相应图表。本专利技术的有益效果：（1）本专利技术提供的适用于空间往复加载试验的万向球铰装置，能够实现对悬臂构件进行空间往复加载时，试件加载端头两个水平方向的转动约束和扭转约束的释放，保证加载端悬臂自由的边界条件。（2）本专利技术提供的适用于空间往复加载试验的万向球铰装置，适用于任意材料制成的构件，不受构件抗弯抗扭刚度的限制，避免了传统加载装置只适用于小角度扭转构件的限制。附图说明图1为本专利技术整体装置的剖视图；图2为连接端板与托板的结构示意图；图3为托板上下表面滚珠的平面布置示意图；图4为孔塞的结构示意图；图中：1-连接端板；2-托板；3-滚珠；4-外部空心球；5-内部空心球；6-加劲肋；7-固定肋板；8-连接支座；9-螺栓孔；10-滚珠挡板；11-孔塞；3.1为托板上部滚珠，3.2为托板下部滚珠。具体实施方式下面通过实施例来进一步说明本专利技术，但不局限于以下实施例。实施例：如图1~4所示：一种适用于空间往复加载试验的万向球铰装置，包括连接支座8、内部空心球5、外部空心球4、固定肋板7、加劲肋6、连接端板1、托板2、滚珠3、滚珠挡板10、孔塞11；所述连接支座8位于装置底部，与加载试件相连；连接支座8上方为外部空心球4，外部空心球4内部设有内部空心球5，内部空心球5内部中心焊接有两条互相垂直的加劲肋6，内部空心球5与外部空心球4之间通过固定肋板7连接，外部空心球4上设有孔洞，孔洞外侧对应设有连接端板1，连接端板1的截面为T形，与作动器连接，连接端板1的T形底部固定在托板2上；托板2位于内部空心球5与外部空心球4之间，且托板2上下方分别设有滚珠3，托板2上间隔设有滚珠挡板10，托板上部滚珠3.1与外部空心球4的内壁接触，托板下部滚珠3.2与内部空心球5的外壁接触；外部空心球4的孔洞与连接端板1之间设有孔塞11。所述内部空心球5空腔内焊有纵横向加劲肋6以避免加载时发生过大局部变形或破坏。所述内部空心球5、外部空心球4、托板2、滚珠3、连接端板1、固定肋板7、加劲肋6均由钢材料制成。上述装置中，所述外部空心球4和内部空心球5通过固定肋板7固定为一体，外部空心球4焊接固定在连接支座8上，外部空心球4与内部空心球5不发生相对转动；所述连接支座8上设有螺栓孔9，连接支座8通过螺栓与加载试件固定连接。上述装置中，所述外部空心球4开挖有孔洞，孔洞的个数和开孔大小根据实际试验要求设定，连接端板1穿过孔洞与托板2焊接固定为一体；所述连接端板1上设有螺栓孔9，连接端板1与作动器通过螺栓固定连接。图1所示，所述外部空心球上设有两个孔洞，且两个孔洞中心线的夹角呈90°。上述装置中，所述孔塞11由两个半圆钢箍组成，半圆钢箍本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于空间往复加载试验的万向球铰装置，其特征在于：包括连接支座、外部空心球、内部空心球、固定肋板、加劲肋、连接端板、托板、滚珠、滚珠挡板、孔塞；所述连接支座位于装置底部，与加载试件相连；连接支座上方为外部空心球，外部空心球内部设有内部空心球，内部空心球内部中心焊接有两条互相垂直的加劲肋，内部空心球与外部空心球之间通过固定肋板连接，外部空心球上设有孔洞，孔洞外侧对应设有连接端板，连接端板的截面为T形，与作动器连接，连接端板的T形底部固定在托板上；托板位于内部空心球与外部空心球之间，且托板上下方分别设有滚珠，托板上间隔设有滚珠挡板，托板上部滚珠与外部空心球的内壁接触，托板下部滚珠与内部空心球的外壁接触；外部空心球的孔洞与连接端板之间设有孔塞。

【技术特征摘要】
1.一种适用于空间往复加载试验的万向球铰装置，其特征在于：包括连接支座、外部空心球、内部空心球、固定肋板、加劲肋、连接端板、托板、滚珠、滚珠挡板、孔塞；所述连接支座位于装置底部，与加载试件相连；连接支座上方为外部空心球，外部空心球内部设有内部空心球，内部空心球内部中心焊接有两条互相垂直的加劲肋，内部空心球与外部空心球之间通过固定肋板连接，外部空心球上设有孔洞，孔洞外侧对应设有连接端板，连接端板的截面为T形，与作动器连接，连接端板的T形底部固定在托板上；托板位于内部空心球与外部空心球之间，且托板上下方分别设有滚珠，托板上间隔设有滚珠挡板，托板上部滚珠与外部空心球的内壁接触，托板下部滚珠与内部空心球的外壁接触；外部空心球的孔洞与连接端板之间设有孔塞。2.根据权利要求1所述的适用于空间往复加载试验的万向球铰装置，其特征在于：所述外部空心球和内部空心球通过固定肋板固结为一体，外部空心球焊接固定在连接支座上，外部空心球与内部空心球不发生相对转动；所述连接支座上设有螺孔，连接支座通过螺栓与加载试件固定连接。3.根据权利要求1所述的适用于空间往复加载试验的万向球铰装置，其特征在于：所述外部空心球壁开挖有孔洞，孔洞的个数和开挖角度由试验中作动器个数和转动范围决定，连接端板穿过孔洞与托板焊接为一体；所述连接端板上设有螺孔，连接端板与作动器通过螺栓固定连接。4.根据权利要求3所述的适用于空间往复加载试验的万向球铰装置，其特征在于：所述外部空心球上设有两个孔洞，且两个孔洞中心线的夹角呈90°。5.根据权利要求1所述的适用于空间往复加载试验的万向球铰装置，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：程欣，王惠刚，周燕，章敏，温晓英，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14