對(duì)中調(diào)平刀口鉸支座的設(shè)計(jì)

殷曉三++楊子勝++胡江春

摘 要：為了提高試驗(yàn)精度和試驗(yàn)進(jìn)度，使試驗(yàn)設(shè)計(jì)更好地模擬理論分析的受力情況和邊界條件，對(duì)刀口鉸支座的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了論述，分別介紹了帶對(duì)中設(shè)備的雙向刀口鉸支座、帶調(diào)平設(shè)備和對(duì)中設(shè)備的雙向刀口鉸支座和多V形凹槽刀口鉸支座等設(shè)計(jì)方法。在分析這些設(shè)計(jì)方法優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了新的設(shè)計(jì)方法。新的設(shè)計(jì)方法對(duì)既有的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了改進(jìn)，使得對(duì)中設(shè)備和調(diào)平設(shè)備更為簡(jiǎn)易，設(shè)計(jì)與制作更為簡(jiǎn)捷和實(shí)用。

關(guān)鍵詞：刀口鉸支座 對(duì)中設(shè)備 調(diào)平設(shè)備

中圖分類號(hào)：TU18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（b）-0001-02

結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是驗(yàn)證結(jié)構(gòu)理論的有效方法，也是制定各類技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，在工程結(jié)構(gòu)科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新等方面起著重要作用。不斷地發(fā)展試驗(yàn)技術(shù)，改進(jìn)試驗(yàn)方法，提高試驗(yàn)精度，是結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的客觀要求。為了提高試驗(yàn)精度和試驗(yàn)進(jìn)度，使試驗(yàn)設(shè)計(jì)更好地模擬理論分析的受力情況和邊界條件，該文旨在提出更為實(shí)用的刀口鉸設(shè)計(jì)方法。

1 受壓試件的安裝

鉸支座分為單向鉸支座和雙向鉸支座，進(jìn)行短柱軸壓試驗(yàn)時(shí)，如果試驗(yàn)機(jī)上、下壓板其中一個(gè)設(shè)有球鉸支座，則試件端部不必設(shè)置鉸支座，與混凝土棱柱試件強(qiáng)度試驗(yàn)方法相一致[1]。對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比較大的軸壓試件，為了控制試件的彎曲方向，更易于測(cè)得試件的撓度，通常設(shè)置較小的初始偏心距，因此與偏壓試件一樣需要刀口鉸支座。試件安裝時(shí)，上下刀口應(yīng)在同一平面內(nèi)，刀口的中心線應(yīng)垂直于試件發(fā)生縱向彎曲所在平面，與荷載作用線重合。為了消除端部對(duì)試件整體破壞的影響，可以在偏壓試件端部設(shè)置牛腿。試件安裝時(shí)，需要幾何對(duì)中之后再進(jìn)行物理對(duì)中。對(duì)于鋼筋混凝土和鋼-混凝土試件由于混凝土材料的不均勻性，難以實(shí)現(xiàn)物理對(duì)中，在實(shí)際試驗(yàn)中僅需要幾何對(duì)中即可[2]。

2 刀口鉸支座設(shè)計(jì)要求

對(duì)于受壓試驗(yàn)，為了減小支座對(duì)試件端部轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦以及在加載過程中出現(xiàn)荷載位置的錯(cuò)動(dòng)，應(yīng)采用刀口鉸支座。其設(shè)計(jì)要求主要有強(qiáng)度、剛度和構(gòu)造3方面。

（1）強(qiáng)度。刀口長(zhǎng)度不應(yīng)小于試件截面寬度，一般情況下，公板和母板常常做成方形板，截面尺寸相同。一般采用鋼材制作，宜優(yōu)先采用工具鋼。刀口鉸公板和母板極限荷載的出現(xiàn)不能先于受壓試件。在滿足強(qiáng)度條件下，母板或公板截面邊長(zhǎng)（為最大荷載值，為刀口鉸抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值）。

（2）剛度。傳遞荷載過程中刀口鉸支座不能產(chǎn)生較大變形，需具有足夠的剛度。剛度條件由厚度控制，（為試件抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值）。

（3）構(gòu)造要求。為了滿足試件在能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)和荷載的正確傳遞的要求，減小轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦，避免在加載過程中荷載位置的改變，公板的刀口鉸截面夾角宜為60°，母板V形凹槽截面夾角宜為90°，試件最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度為15°，由此可以確定加載前公板與母板最小距離。為了便于安裝試件，可以在公板與母板之間設(shè)置墊塊，試驗(yàn)加載時(shí)取出墊塊。

3 刀口鉸支座的設(shè)計(jì)

3.1 帶對(duì)中設(shè)備的雙向刀口鉸支座

對(duì)于軸壓試驗(yàn)最理想的支座為雙刀口鉸支座，它不僅用于軸壓試驗(yàn)，也可以用于偏壓試驗(yàn)。文獻(xiàn)[3]提供了一種帶對(duì)中設(shè)備的雙向刀口鉸支座設(shè)計(jì)方法。

如圖1所示，上鉸塊固定于上頂板上，上鉸塊和下鉸塊分別與中間板鉸接，下鉸塊固定于下底板的上面，在上鉸塊與中間板、下鉸塊與中間板的兩端設(shè)有保護(hù)板，起到固定和限位作用，可防止上鉸塊與下鉸塊在加載過程中彈出。上、下鉸塊與中間塊的上下垂直于中心的V形凹槽形成雙向刀口鉸，兩個(gè)垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的大小可通過中間板的V形凹槽的大小來(lái)限制。下底板設(shè)有4根螺栓，四側(cè)面開設(shè)有凹槽。對(duì)中設(shè)備包括一組擋板和調(diào)節(jié)板，四塊相互垂直的擋板均設(shè)有一個(gè)長(zhǎng)槽孔和兩個(gè)螺紋孔，分別與調(diào)節(jié)板連接。下底板四周的螺栓與擋板的長(zhǎng)槽孔配合，起到限位作用。每塊擋板上另裝有兩根固定螺桿和一根調(diào)節(jié)螺桿，調(diào)節(jié)好下底板位置之后，可用固定螺桿頂住下底板使之固定。調(diào)節(jié)板的上表面四周開設(shè)有凹槽用于安裝擋板，下底板與對(duì)中設(shè)備的調(diào)節(jié)板是相對(duì)可動(dòng)的，只是靠螺栓與擋板的長(zhǎng)槽孔進(jìn)行配合。

進(jìn)行受壓試驗(yàn)時(shí)，對(duì)中設(shè)備的調(diào)節(jié)板固定安裝于壓力機(jī)上，試件安裝在雙向刀口鉸的上頂板上，試驗(yàn)開始前，通過螺栓調(diào)節(jié)雙向刀口鉸的下底板的位置實(shí)現(xiàn)幾何對(duì)中和物理對(duì)中，調(diào)節(jié)完后用固定螺桿使之固定，即可開始試驗(yàn)。

3.2 帶調(diào)平對(duì)中設(shè)備的雙向刀口鉸支座

為了提高對(duì)中效率和對(duì)中精度，文獻(xiàn)[4]提供了帶調(diào)平對(duì)中設(shè)備的雙向刀口鉸支座設(shè)計(jì)方法。如圖2所示，該裝置在刀口鉸支座的周邊依次設(shè)置有調(diào)平框和外框，調(diào)平框一側(cè)通過對(duì)中頂絲與刀口鉸支座的底板相連，調(diào)平框另一側(cè)通過連接板與外框相連，外框與壓力機(jī)連成一體；在上刀口和中刀口設(shè)有可調(diào)螺桿，上刀口的可調(diào)螺桿與中刀口相接觸，中刀口的可調(diào)螺桿與下刀口相接觸，上刀口上還有用于連接試件端板的連接螺桿。

對(duì)中時(shí)，根據(jù)試件的初始安裝位置，判斷刀口鉸支座的偏移方向，然后通過對(duì)中頂絲調(diào)節(jié)移動(dòng)刀口鉸支座的底板。對(duì)中頂絲帶有螺紋，且螺紋連續(xù)、間距很小，故可以有效地控制刀口鉸支座的水平移動(dòng)步距，可以連續(xù)地移動(dòng)刀口鉸支座。試件放置前，利用可調(diào)螺桿將刀口鉸支座初步找平，利用水平尺配合可調(diào)螺桿精確調(diào)平刀口鉸支座。與對(duì)中調(diào)整裝置一樣，可調(diào)螺桿上的螺紋連續(xù)、間距很小，可以有效地控制刀口鉸支座調(diào)平時(shí)的移動(dòng)步距，可以連續(xù)地調(diào)平刀口鉸支座。刀口鉸支座與試件端板連接時(shí)，通過連接螺桿實(shí)現(xiàn)，連接螺桿穿透試件端板與刀口鉸支座的上刀口的螺孔，將試件端板與刀口鉸支座連為一體。外框由角鋼焊接而成，調(diào)平框采用鋼板焊接而成，外框與調(diào)平框通過連接板焊接，在調(diào)平框的四邊鉆孔以安裝對(duì)中頂絲。將刀口鉸支座置于調(diào)平框中，使得刀口鉸支座與調(diào)平框同心，在刀口支座上的上刀口和中刀口鉆孔，以安裝調(diào)平螺桿。在刀口鉸支座的上刀口的中部鉆孔，用以連接試件端板。然后將外框與調(diào)平框及試驗(yàn)機(jī)壓板連接。將試件通過連接螺桿連接在刀口鉸支座的上刀口上，通過對(duì)中頂絲對(duì)中后，再通過調(diào)節(jié)可調(diào)螺桿的螺桿長(zhǎng)度，進(jìn)一步調(diào)平刀口鉸支座，即可進(jìn)行受壓試驗(yàn)。endprint

3.3 多V形凹槽刀口鉸支座

如果刀口鉸支座母板僅有一個(gè)V形凹槽，當(dāng)截面尺寸與試件截面尺寸接近時(shí)，僅能做軸壓試驗(yàn)。為了提高刀口鉸支座的利用率，便于實(shí)現(xiàn)大型受壓試件軸壓試驗(yàn)和偏壓試驗(yàn)，可以將刀口鉸支座的母板設(shè)計(jì)成多V形凹槽。

如圖3所示，文獻(xiàn)[5]給出了一種多V形凹槽刀口鉸支座設(shè)計(jì)方法，該裝置包括刀口、多V形凹槽母板和柱帽，多V形凹槽公板包括板體本體和板體本體固定連接的多V形凹槽，多V形凹槽公板通過螺栓與柱帽固定連接。試件進(jìn)行受壓試驗(yàn)時(shí)，試件的上下端均設(shè)置多V形凹槽刀口鉸支座。當(dāng)試件為軸壓試件時(shí)，刀口中心線位于多V形凹槽公板表面對(duì)應(yīng)試件截面形心位置；當(dāng)試件為偏壓試件時(shí)，刀口的中心線位于多V形凹槽公板相對(duì)構(gòu)件的形心在水平方向上間隔e。刀口的中心線與試件截面形心在水平方向上的距離即為加載偏心距e。調(diào)整試件的偏心距時(shí)，只需要移動(dòng)刀口在水平方向的位置即可。

4 刀口鉸支座設(shè)計(jì)的改進(jìn)

文獻(xiàn)[3]給出了雙向刀口鉸支座的設(shè)計(jì)方法，設(shè)備組成較為復(fù)雜，對(duì)螺栓和螺孔的要求較為精密，不易加工，且無(wú)調(diào)平裝置。文獻(xiàn)[4]給出的雙向刀口鉸支座的設(shè)計(jì)方法，對(duì)中設(shè)備限于刀口鉸支座與試驗(yàn)機(jī)之間，無(wú)試件與刀口鉸支座的對(duì)中設(shè)備。一般情況下，刀口鉸支座的自重較小，可以人工移動(dòng)，刀口鉸支座對(duì)試驗(yàn)機(jī)之間的對(duì)中設(shè)備可以省略，但增設(shè)了刀口鉸支座與壓力機(jī)的固定設(shè)備，提高了試驗(yàn)的安全性。在調(diào)平設(shè)備中，需要對(duì)刀口鉸支座穿孔拔絲，加工工藝較為復(fù)雜，但設(shè)計(jì)思路較好，裝置組成較為簡(jiǎn)單。文獻(xiàn)[5]提供了多V形凹槽刀口鉸支座設(shè)計(jì)思路，將該裝置固定于壓力機(jī)上，提高了試驗(yàn)的安全性，該裝置較為簡(jiǎn)單，但無(wú)對(duì)中調(diào)平設(shè)備。

以上3種刀口鉸支座的設(shè)計(jì)思路各有優(yōu)缺點(diǎn)，綜合其優(yōu)點(diǎn)舍去其缺點(diǎn)，提出了更為簡(jiǎn)單實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。如圖4所示，在母板上部四周邊緣焊接螺栓可以作為對(duì)中設(shè)備，在與刀口中線平行的兩側(cè)面焊接螺栓可以作為調(diào)平裝置。

試驗(yàn)時(shí)，將刀口鉸支座公板與試驗(yàn)機(jī)壓板對(duì)中，然后將母板的V形凹槽置于刀口之上，母板可以為單V形凹槽母板也可以為多V形凹槽母板，圖3為多V形凹槽母板。試件安裝前，旋轉(zhuǎn)調(diào)平螺旋便可實(shí)現(xiàn)水平度調(diào)節(jié)。安放試件后，旋轉(zhuǎn)對(duì)中螺旋，調(diào)整試件的位置，進(jìn)行幾何對(duì)中和物理對(duì)中。對(duì)中完畢，不必松開對(duì)中螺栓，可以起到將試件固定于母板的作用，利于試驗(yàn)的安全性。

在單刀口鉸支座設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上還可以設(shè)計(jì)成雙刀口鉸支座，中間母板開設(shè)相互垂直于形心的V形凹槽，僅在平行于下部公板刀口中線兩側(cè)面焊接調(diào)平螺栓即可，在公板上部四周邊緣焊接對(duì)中螺栓，在平行于上部公板的刀口中線兩側(cè)焊接調(diào)平螺栓。調(diào)平對(duì)中方法與圖3相同。

當(dāng)?shù)犊阢q支座不常用于大型截面尺寸受壓試驗(yàn)時(shí)，可以將母板的對(duì)中裝置做成活動(dòng)裝置，將母板擴(kuò)大為組合型母板。如果需要將刀口鉸支座固定用于壓力機(jī)承壓板之上，可以將圖2所示的調(diào)平框、連接板和外框等附屬設(shè)備設(shè)置于下部公板。

5 結(jié)語(yǔ)

受壓構(gòu)件是分析構(gòu)件力學(xué)性能的主要研究對(duì)象，為了更好地模擬理論分析中試件的邊界條件，要求刀口鉸支座減小對(duì)試件端部轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦，能夠正確地傳遞荷載，保證荷載位置不變。在介紹了幾種刀口鉸支座設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，對(duì)既有的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了更為簡(jiǎn)單實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。主要結(jié)論如下所示。

（1）刀口鉸支座應(yīng)滿足在荷載作用下的強(qiáng)度、剛度和構(gòu)造要求；

（2）試件的對(duì)中既耗時(shí)又耗力，為了提高試驗(yàn)效率和試驗(yàn)精度，應(yīng)設(shè)置對(duì)中設(shè)備；

（3）為了防止試件安裝前的傾斜，應(yīng)當(dāng)設(shè)置水平調(diào)節(jié)設(shè)備，保證刀口鉸支座公板和母板均與試驗(yàn)機(jī)壓板平行；

（4）文中提出的改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法具有對(duì)中設(shè)備和調(diào)平設(shè)備，設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單實(shí)用，便于加工。

參考文獻(xiàn)

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