一种带柔性防面外位移装置的壁板剪切试验装置和方法

技术领域

本发明属于大型壁板类结构件静力学试验的技术领域，具体涉及一种带柔性防面外位移装置的壁板剪切试验装置和方法。

背景技术

在壁板类部件的静力学中，对于长度超过1米的大型壁板进行剪切稳定性或强度试验时，试验件加载后，载荷无法均匀的加载到试验件的加载边上，试验件受力后，边缘稳定性无法保证，导致试验无法按照既定的加载思路进行。

同时，由于试验件在实际工况中需要在规定部位限制面外位移且不同试验件需要限制的刚度不同，为确保试验结果与实际工况一致，保证试验获得的失稳载荷、破坏载荷和强度极限更接近于实际工况，因此有必要设计一种大型壁板的剪切试验装置，可实现载荷的均匀加载，且包括有约束刚度可调节，可满足不同试验件需要的通用型柔性防面外位移装置来满足上述需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种带柔性防面外位移装置的壁板剪切试验装置和方法，以解决大型壁板试验件边缘稳定性差、载荷加载不均匀且在规定部位限制面外位移的难题，所述壁板试验件单个方向的长度尺寸超过1米。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种带柔性防面外位移装置的壁板剪切试验装置，所述壁板剪切试验装置包括四对夹臂、固定端固定支座、加载端固定支座、剪切加载结构和防面外位移装置，其中：

所述四对夹臂分别夹持固定于试验壁板的四边，所述试验壁板的一端为固定端，相对的另一端为加载端；所述试验壁板固定端的夹臂通过连接一固定板固定于所述固定端固定支座上，确保所述试验壁板固定端的侧边被完全固定，无法移动或转动；

所述剪切加载结构包括分别安装于所述试验壁板加载端的夹臂上的加载端上滑板和加载端下滑板，所述加载端上滑板与上方的作动筒连接，用于通过所述作动筒和加载端上滑板向所述试验壁板施加载荷；所述加载端固定座上分别安装上导轨座和下导轨座，所述加载端上滑板和加载端下滑板分别置于所述上导轨座和下导轨座内，使得所述试验壁板加载端的侧边只能沿着力的加载方向移动；

所述防面外位移装置包括两对支撑槽钢、长连杆、若干柔性支撑块和肋保护框，所述肋保护框固定安装于所述试验壁板上肋条的外侧；所述支撑槽钢分别在所述试验壁板两端的前后两侧成对设置，且在所述试验壁板带肋条的一侧，在两端的所述支撑槽钢之间安装至少两根所述长连杆；所述柔性支撑块为竖直的方管且套设固定于所述长连杆上，所述方管内设有若干垂直于方管的弹簧支撑件，且所述弹簧支撑件的一端穿过所述方管并朝向所述试验壁板的方向与所述肋保护框接触，对所述试验壁板的面外位移起到约束作用。

本发明进一步设置为，所述夹臂的材料刚度和强度均应高于所述试验壁板材料的刚度和强度；具体的，材料可选取为经过调质处理的45#钢板。

本发明进一步设置为，所述四对夹臂中每对两块夹臂分别安装于所述试验壁板四周的非强度考核区域的前后两侧；所述夹臂上均设有若干安装孔，所述夹臂安装到所述试验壁板的对应位置后，通过前后两侧夹臂上的安装孔，对所述试验壁板的非强度考核区域配钻安装孔，再通过螺栓和螺母将所述夹臂固定。

本发明进一步设置为，所述四对夹臂中每两两相邻的夹臂之间在所述试验壁板的拐角部位通过圆柱销连接在一起，且所述试验壁板的非强度考核区域不穿过也不接触所述圆柱销，确保相连的所述夹臂之间的相对固定位置不变，并可围绕所述圆柱销发生转动。试验中受力发生变形后，所述夹臂跟随着所述试验壁板的变形方向旋转，确保受力方向总是满足要求。

本发明进一步设置为，所述固定端固定支座和加载端固定座均通过压板或者地脚螺栓固定于地面上。

本发明进一步设置为，所述上导轨座和下导轨座上均开设有竖直槽，且所述竖直槽内均左右对称地设置两对滑动滚柱排条，所述滑动滚柱排条通过螺栓固定于竖直槽的壁面上，所述滑动滚柱排条的一侧沿竖直方向设置若干水平的滚柱，且对称的滑动滚柱排条中的滚柱面对面安装，所述加载端上滑板和加载端下滑板分别置于所述上导轨座和下导轨座内面对面安装的滑动滚柱排条的滚柱之间，由此确保所述试验壁板加载端的侧边只能沿着力的加载方向自由移动，其他方向的移动和转动被完全约束，且试验时所述作动筒的力沿所述试验壁板加载端侧边的平行方向传递。

本发明进一步设置为，所述试验壁板上的每根肋条上各安装一个所述肋保护框，所述肋保护框为框型条状结构，长度与所述肋条的一致，所述肋保护框的左右两侧设有若干一一对应的螺纹孔，两侧螺纹孔内拧入螺栓顶至所述肋条上，将所述肋保护框与所述试验壁板上的肋条固定在一起。

本发明进一步设置为，每对所述支撑槽钢的上端通过螺杆和螺母固定连接于一起，底端通过压板或者地脚螺栓固定在地面上，由此确保所述试验壁板在试验过程中不发生倾斜。

本发明进一步设置为，所述柔性支撑块中的弹簧支撑件根据固定刚度的需要，可更换不同刚度的弹簧进行匹配，也可使用圆柱销作为纯刚性约束。

本发明进一步设置为，所述柔性支撑块的数量与所述肋条相同且一一对应。所述柔性支撑块的方管上设有与所述长连杆数量一致的安装通孔，所述长连杆穿过所述安装通孔将若干柔性支撑块串在一起，且每个长连杆上的每个所述柔性支撑块两边分别穿入一个固定法兰，用于上述柔性支撑块的定位固定。

本发明进一步设置为，所述支撑槽钢上设有与所述长连杆匹配且沿前后方向设置的腰圆孔，用于所述长连杆的安装；所述长连杆的两端为外螺纹结构，穿过两端支撑槽钢上的腰圆孔，且在腰圆孔两侧各安装一螺母，通过两个螺母夹紧的方式将所述长连杆固定。

本发明进一步设置为，根据所述肋条的位置，可沿着所述长连杆调整所述柔性支撑块的位置，使得所述方管上的一侧固定面与对应的所述肋保护框上的一侧外壁面对齐，并通过两边的所述固定法兰将所述柔性支撑块夹紧。具体的，所述固定法兰上设有螺纹孔，螺纹孔内通过拧入螺钉将所述固定法兰固定于所述长连杆上。

本发明进一步设置为，所述加载端上滑板与所述上导轨座、所述加载端下滑板与所述下导轨座之间以及所述夹臂与所述支撑槽钢之间，均可相互运动且接触面安装垫板减小摩擦，所述垫板通过螺栓分别安装于所述上导轨座、下导轨座和所述夹臂上，所述垫板的材料可选为尼龙，由此确保相应部位运动不会受到摩擦影响。

本发明还提供了一种利用所述壁板剪切试验装置的壁板剪切试验方法，具体包括如下所述步骤：

(1)在试验壁板四周安装四对夹臂，且相邻的夹臂间互相连接；

(2)所述试验壁板的一端通过固定板固定于固定端固定支座上；另一端的夹臂上安装加载端上滑板和加载端下滑板，并分别置于安装于加载端固定座上的上导轨座和下导轨座内；

(3)将肋保护框安装于所述试验壁板上肋条的外侧；

(4)将若干柔性支撑块套设固定于长连杆上并将长连杆固定于两端的支撑槽钢上，使得所述柔性支撑块的弹簧支撑件与所述肋保护框接触，对所述试验壁板的面外位移起到约束作用；

(5)将所述壁板剪切试验装置放置于试验设备上，所述试验设备通过作动筒向所述试验壁板的一端施加载荷，进行壁板剪切试验。

本发明进一步设置为，对于所述弹簧支撑件的选择，应根据所述试验壁板面外位移的实际情况而确定。首先在有限元分析软件中对试验工况进行计算仿真，对添加面外位移约束的部位添加支撑约束，然后计算出每个约束部位的支撑反力F；同时计算出无约束的模型受力后，相应约束区域的定向变形位移量X，作为弹簧选定的依据。

弹簧选定时，根据虎克定理可知

F＝-KX

式中，K为弹簧的刚度，X为弹簧的变形量，F为弹簧产生的反力，F的方向与X方向相反。

由此弹簧的刚度K为，

K＝F/X，

计算获得的K即为选定弹簧的刚度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明公开的带柔性防面外位移装置的壁板剪切试验装置和试验方法，具有可模拟真实试验边界条件、通用性强，获取试验结果可靠、成本低及效率高等优点。适用于大型壁板类部件在需要防面外位移的条件下，进行剪切受力的静力学试验，由此获得部件受载后的失稳载荷、破坏载荷、失稳形式、破坏形式和破坏位置等部件力学性能参数。

通过作动筒对试验壁板加载后，试验壁板可按照剪切方向变形并发生失稳和破坏，避免了其它形式破坏的出现进而无法获得试验壁板剪切受力时的失稳形式和破坏强度。同时可根据试验壁板防面外位移的实际具体情况和要求，通过计算确定柔性支撑块的弹簧支撑件的弹簧刚度和长度，进而调整所述柔性支撑块的安装位置和约束刚度，确保试验边界条件灵活满足要求。

附图说明

图1为本发明的带柔性防面外位移装置的壁板剪切试验装置的结构示意图；

图2为本发明的试验壁板和夹臂的正视图；

图3为本发明的上部分的剪切加载结构的结构示意图；

图4为本发明的下部分的剪切加载结构的结构示意图；

图5为本发明的上导轨座内结构的仰视图；

图6为本发明的滑动滚柱排条的结构示意图；

图7为本发明的试验壁板和防面外位移装置的结构示意图；

图8为图7的俯视图；

图9为图8中A区域的局部放大图；

图10为图8中B区域的局部放大图；

图中，1-试验壁板、2-夹臂、2-1第一夹臂、2-2第二夹臂、2-3第三夹臂、2-4第四夹臂、3-固定端固定支座、4-加载端固定支座、5-剪切加载结构、6-防面外位移装置、7-圆柱销、8-固定板、9-1加载端上滑板、9-2加载端下滑板、10-1上导轨座、10-2下导轨座、11-作动筒、12-滑动滚柱排条、12-2滚柱、13-垫板、14-支撑槽钢、15-柔性支撑块、15-1方管、15-2弹簧支撑件、16-肋保护框、17-长连杆、

18-固定法兰。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

根据图1所示为本发明所提供的一种带柔性防面外位移装置的壁板剪切试验装置，所述壁板剪切试验装置包括四对夹臂2、固定端固定支座3、加载端固定支座4、剪切加载结构5和防面外位移装置6，其中：

所述四对夹臂2用于夹持固定试验壁板1的四边，如图2所示，所述夹臂2包括分别安装于所述试验壁板1上、下、左、右四边的第一夹臂2-1、第二夹臂2-2、第三夹臂2-3和第四夹臂2-4，需要说明的是，所述试验壁板1上强度考核区域以外的四周，需包含有非强度考核区域，用于所述夹臂2的前后夹持安装，且所述试验壁板1的一端为固定端，相对的另一端为加载端；本实施例中所述第三夹臂2-3固定的一端为固定端，第四夹臂2-4固定的一端为加载端；

所述固定端固定支座3用压板或者地脚螺栓固定在地面上，所述第三夹臂2-3通过螺栓连接一固定板8，所述固定板8的另一端通过螺栓固定于所述固定端固定支座3上，确保所述试验壁板1的固定端的侧边被完全固定，无法移动或转动；

如图3-5所示，所述剪切加载结构5包括分别安装于所述第四夹臂2-4上下两处的加载端上滑板9-1和加载端下滑板9-2，所述加载端上滑板9-1与上方的作动筒11连接，用于通过所述作动筒11和加载端上滑板9-1向所述试验壁板1施加载荷；所述加载端固定座4用压板或者地脚螺栓固定在地面上，且竖直方向上通过螺栓分别固定安装上导轨座10-1和下导轨座10-2，所述上导轨座10-1和下导轨座10-2上均开设有竖直槽，所述加载端上滑板9-1和加载端下滑板9-2分别置于所述上导轨座10-1和下导轨座10-2内，使得所述试验壁板1的加载端的侧边只能沿着力的加载方向，即竖直方向移动，且试验时所述作动筒11的力沿所述试验壁板1加载端侧边平行方向传递；

如图7所示，所述防面外位移装置6包括两对支撑槽钢14、长连杆17、若干柔性支撑块15和肋保护框16，所述肋保护框16固定安装于所述试验壁板1上竖直的肋条1-1的外侧；所述支撑槽钢14分别在所述试验壁板1的左右两边位于所述试验壁板1的前后成对设置，在所述试验壁板1带肋条的一面，在左右两边的所述支撑槽钢14之间安装固定至少两根水平设置的所述长连杆17，且所述柔性支撑块15套设固定于所述长连杆17上，结合图8-9所示，所述柔性支撑块15为竖直设置的方管15-1，所述方管15-1内沿竖直方向设有若干垂直于方管的弹簧支撑件15-2，且所述弹簧支撑件15-2的一端穿过所述方管15-1并朝向所述试验壁板1的方向与所述肋保护框16接触，对所述试验壁板1的面外位移起到约束作用。

进一步的，所述夹臂2的材料刚度和强度应较高，均需要高于所述试验壁板1材料的刚度和强度，如材料选取为经过调质处理的45#钢板。

进一步的，所述四对夹臂2中每对两块夹臂分别安装于所述试验壁板1四周的非强度考核区域的前后两侧，所述夹臂2的安装区域不能覆盖所述试验壁板1的强度考核区域；所述夹臂2应避开所述试验壁板1上的各种凸出部位，如上述试验壁板1上的加强筋等，包括上述肋条1-1。

进一步的，所述夹臂2上设有若干安装孔，所述夹臂2安装到所述试验壁板1的对应位置后，通过前后两侧夹臂2上的安装孔，对所述试验壁板1的非强度考核区域配钻安装孔，再通过螺栓和螺母将所述夹臂2固定于所述试验壁板1的四周。

进一步的，所述四对夹臂2中每两两相邻的夹臂之间在所述试验壁板1的拐角部位，通过圆柱销7连接在一起，且所述试验壁板1的非强度考核区域不穿过也不接触所述圆柱销7，确保相连的所述夹臂2之间的相对固定位置不变，可以围绕所述圆柱销7发生转动，所述试验壁板1的拐角部位不受夹臂2的影响，试验中受力发生变形后，所述夹臂2跟随着所述试验壁板1的变形方向旋转，确保受力方向总是满足要求。

进一步的，结合图6所示，所述上导轨座10-1和下导轨座10-2的竖直槽内均左右对称设置两对滑动滚柱排条12，所述滑动滚柱排条12通过螺栓固定于竖直槽的壁面上，所述滑动滚柱排条12的一侧沿竖直方向设置若干水平的滚柱12-1，且对称的滑动滚柱排条12中的滚柱12-1面对面安装，所述加载端上滑板9-1和加载端下滑板9-2分别置于所述上导轨座10-1和下导轨座10-2内面对面安装的滑动滚柱排条12的滚柱之间，由此确保所述试验壁板1的加载端的侧边只能沿着竖直方向自由移动，其他方向的移动和转动被完全约束。

进一步的，所述试验壁板1上的每根肋条1-1上各安装一个所述肋保护框16，所述肋保护框16为框型条状结构，长度与所述肋条1-1的一致，所述肋保护框16的左右两侧设有若干一一对应的螺纹孔，两侧螺纹孔内拧入螺栓顶至所述肋条1-1上，将所述肋保护框16与所述试验壁板1上的肋条1-1固定在一起。

进一步的，每对所述支撑槽钢14的上端通过螺杆和螺母固定连接于一起，底端通过压板或者地脚螺栓固定在地面上，由此确保所述试验壁板1在试验过程中不发生倾斜。

进一步的，所述柔性支撑块15中弹簧支撑件15-2根据固定刚度的需要，可以更换不同刚度的弹簧进行匹配，也可使用圆柱销作为纯刚性约束。

进一步的，对于所述柔性支撑块15中弹簧支撑件15-2的选择，具体为弹簧刚度及长度的选择，应根据所述试验壁板1面外位移的实际情况而确定。首先在有限元分析软件中对试验工况进行计算仿真，对添加面外位移约束的部位添加支撑约束，然后计算出每个约束部位的支撑反力F；同时计算出无约束的模型受力后，相应约束区域的定向变形位移量X，作为弹簧选定的依据。

弹簧选定时，根据虎克定理可知

F＝-KX

式中，K为弹簧的刚度，X为弹簧的变形量，F为弹簧产生的反力，F的方向与X方向相反。

由此弹簧的刚度K为，

K＝F/X，

计算获得的K即为选定弹簧的刚度。

进一步的，所述柔性支撑块15的数量与所述肋条1-1一致且一一对应。所述柔性支撑块15的方管15-1上设有与所述长连杆17数量一致的安装通孔，所述长连杆17穿过所述安装通孔将若干柔性支撑块15串在一起，且每个长连杆17上的每个所述柔性支撑块15两边分别穿入一个固定法兰18，用于上述柔性支撑块15的定位固定。

进一步的，所述支撑槽钢14上设有与所述长连杆17匹配且沿前后方向设置的腰圆孔，用于所述长连杆17的安装；结合图10所示，所述长连杆17的两端为外螺纹结构，穿过两侧支撑槽钢14上的腰圆孔，且在腰圆孔两侧各安装一螺母，通过两个螺母夹紧的方式将所述长连杆17固定。更进一步的，可根据所述肋条1-1和肋保护框16的固定位置，在腰圆孔内调整所述长连杆17在前后方向上的安装位置，使得所述柔性支撑块15的弹簧支撑件15-2轻靠于所述肋保护框16的表面。

进一步的，根据所述肋条1-1的位置，可沿着所述长连杆17调整所述柔性支撑块15的位置，使得所述柔性支撑块15的方管15-1上的一侧固定面与对应的所述肋保护框16上的一侧外壁面对齐，并通过两边的所述固定法兰18将所述柔性支撑块15夹紧。更进一步的，所述固定法兰18上设有螺纹孔，螺纹孔内通过拧入螺钉将所述固定法兰18固定于所述长连杆17上。

进一步的，所述壁板剪切试验装置中，所述加载端上滑板9-1与所述上导轨座10-1、所述加载端下滑板9-2与所述下导轨座10-2之间以及所述第一夹臂2-1与所述支撑槽钢14、所述第二夹臂2-2与所述支撑槽钢14之间，均可相互运动且接触面安装垫板13，所述垫板13通过螺栓分别安装于所述上导轨座10-1、下导轨座10-2、第一夹臂2-1和所述第二夹臂2-2上，参考图5和图10所示，所述垫板13的材料可选为尼龙，由此确保相应部位运动不会受到摩擦影响。

利用所述壁板剪切试验装置的壁板剪切试验的试验方法中包括所述试验壁板1、所述壁板剪切试验装置以及试验设备，具体包括如下所述步骤：

(1)在所述试验壁板1四周的非强度考核区域的两侧安装所述四对夹臂2，相邻的夹臂之间通过所述圆柱销7连接在一起；

(2)所述试验壁板1的一端通过所述固定板8固定于所述固定端固定支座3上；另一端的夹臂2上安装所述加载端上滑板9-1和加载端下滑板9-2，并分别置于安装于所述加载端固定座4上的上导轨座10-1和下导轨座10-2内；

(3)将所述肋保护框16安装于所述试验壁板1上肋条1-1的外侧；

(4)根据所述试验壁板1面外位移的实际工况选择所述弹簧支撑件15-2，将所述若干柔性支撑块15套设固定于所述长连杆17上并将长连杆17固定于两侧的所述支撑槽钢14上，使得所述弹簧支撑件15-2与所述肋保护框16接触，对所述试验壁板1的面外位移起到约束作用；

(5)将所述壁板剪切试验装置放置于所述试验设备上，所述试验设备向所述作动筒11施加压力进而向所述试验壁板1的一端施加载荷，进行壁板剪切试验。

基于上述试验装置和试验方法，所述作动筒11对所述试验壁板1加载后，试验壁板1可按照剪切方向变形并发生失稳和破坏，避免了其它形式破坏的出现进而无法获得试验壁板1剪切受力时的失稳形式和破坏强度。

同时可根据上述试验壁板1面外位移的实际具体情况和要求，通过计算确定所述弹簧支撑件15-2的弹簧刚度和长度，进而调整所述柔性支撑块15的安装位置和弹簧的固定刚度，确保试验边界条件满足要求。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。