壓力機(jī)試驗輔助裝置在長柱抗壓試驗教學(xué)中的應(yīng)用

鄒 建，林 松

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

1 引 言

柱是土木工程結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，其承載力和抗壓穩(wěn)定性關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全。長柱抗壓試驗用于驗證長柱的抗壓承載力和抗壓穩(wěn)定性。長柱抗壓試驗過程中，需要在長柱的上下位置安裝支座，并測試長柱的側(cè)向位移，而長柱壓力試驗機(jī)的現(xiàn)有功能無法滿足這些要求。為了解決這個問題，設(shè)計了一種壓力機(jī)試驗輔助裝置。

2 壓力機(jī)試驗輔助裝置結(jié)構(gòu)組成

2.1 連接板

連接板是一種用于固定各種試驗工裝的連接裝置。連接板采用20mm厚的鋼板，在鋼板的左右兩側(cè)開有4條槽道，用于安裝固定螺栓。連接板通過連接端板固定在壓力機(jī)的上壓板上，連接板在連接端板位置焊接了吊耳，便于吊裝和安裝(如圖1所示)。連接板的作用是用來安裝卡座，在其中心位置鉆有螺紋孔。通過在連接板上加裝臺階板，可安裝抗彎夾具，用于抗彎試驗。

圖1 連接板

2.2 卡座

卡座是一種安裝支座的裝置?？ㄗㄟ^螺栓固定在連接板上，其作用是在加載前方便安裝支座，卸載后確保支座落在卡座上，防止支座掉下來，保障了安全。

卡座由卡座板和槽桿組成，如圖2所示?？ㄗ逵晒潭ò?、側(cè)板、支撐板3塊鋼板焊接而成。槽桿為20mm寬的鋼條上銑了兩條槽道，一條槽道是閉合的，一條槽道為開口。槽桿固定在卡座板上?？ㄗ宓墓潭ò邈@有兩個圓孔，用于穿螺栓固定卡座?？ㄗ宓闹伟邈娏伺_階，將兩個卡座板的圓孔套進(jìn)掛在連接板槽道上螺栓，旋轉(zhuǎn)螺帽固定，兩個卡座板對稱安裝。試驗用的支座安放在卡座板的支撐板較低臺階上，并與卡座側(cè)板保持一定的距離，可以確保加載過程中支座能夠在卡座中轉(zhuǎn)動。松開固定在卡座板上的槽桿固定螺栓，移動并旋轉(zhuǎn)槽桿，將槽桿開口處插進(jìn)另一個卡座板的固定螺栓中，固定好螺栓，即卡座安裝完成。槽桿的作用是當(dāng)試件加載完畢，在卸載過程中試件因失去平衡而產(chǎn)生傾覆時，確保試件和支座在有限的范圍內(nèi)移動，保障了安全?？ㄗ梢愿鶕?jù)支座的不同寬度在連接板的槽道上移動，從而使卡座調(diào)整到合適的位置并固定住。

圖2 卡座

2.3 架表裝置

為了測試長柱的側(cè)向位移，需要安裝位移傳感器，而位移傳感器通過磁性表座固定，為此設(shè)計了架表裝置。因為壓力試驗機(jī)的絲桿是固定不動的，因此架表裝置可以安裝在壓力試驗機(jī)的絲桿上，磁性表座固定在架表裝置上。

架表裝置由架表板、上夾套、下夾套及固定螺栓組成(如圖3所示)。上夾套由塑料制成，下夾套由連接塊和塑料內(nèi)襯組合而成。上下夾套通過螺栓鉸接，可以相互轉(zhuǎn)動。下夾套通過螺栓固定在架表板上，架表板由開有槽道的雙層鋼板組成。將組裝好的架表裝置的下夾套對準(zhǔn)絲桿，合上上夾套，擰緊固定螺栓，即安裝好了架表裝置。

圖3 架表裝置

2.4 單刀鉸

支座采用單刀鉸[1]的形式。單刀鉸在原有單刀鉸的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，在刀鉸板和切口板兩端均安裝了槽板。固定板安裝在4塊槽板中間，用螺栓固定在兩塊板上。固定板用于限位刀鉸板的轉(zhuǎn)動和移動，使單刀鉸處于平正狀態(tài)，便于安裝長柱。單刀鉸一個安裝在卡座上，刀鉸板朝下；一個安裝在壓力試驗機(jī)下壓板的中心位置，刀鉸板朝上。試件長柱安裝在下壓板的單刀鉸上，移動壓力試驗機(jī)的橫梁，使上單刀鉸接近試件長柱。開啟壓力試驗機(jī)，進(jìn)行預(yù)加載，長柱被壓緊在兩個單刀鉸之間時，取下固定板，即變?yōu)檎Ｊ芰Φ膯蔚躲q。在試驗準(zhǔn)備階段，單刀鉸和長柱被壓緊時，單刀鉸上的固定板可能因受力而不能拔出時，松開兩端槽板，可以取出固定板。單刀鉸如圖4所示。

圖4 單刀鉸

2.5 對中尺

上支座安裝于卡座中，而卡座安裝在連接板的中心位置，因此可以確保上支座對中。下支座安放在下壓板上，目測對中有點困難，為此設(shè)計了對中尺(如圖5所示)，用于下支座的對中。對中尺由對中座、移動尺、對中頭、緊固螺栓等組成。對中座和移動尺都刻畫了刻度，可測量壓板和試件的寬度。移動尺套在對中座中，可根據(jù)不同壓板的寬度調(diào)節(jié)移動尺，然后用緊固螺栓固定。對中試件時，先在支座上畫好中點，將對中尺的對中頭對準(zhǔn)壓板的中心，移動支座，使試件的中點與對中頭對準(zhǔn)，從而將試件調(diào)整到中心位置。

圖5 對中尺

3 壓力機(jī)試驗輔助裝置的應(yīng)用

3.1 試驗柱基本情況及安裝方式

在《結(jié)構(gòu)試驗》教學(xué)中，應(yīng)用這套輔助裝置進(jìn)行了壓桿穩(wěn)定試驗。中心受壓直桿在直線形態(tài)下的平衡，由穩(wěn)定平衡轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定平衡時所受軸向壓力的界限值，稱為臨界壓力[2-7]，其中兩端鉸支的臨界壓力為：

通過這套輔助裝置實現(xiàn)長柱的兩端鉸支，通過抗壓試驗驗證長柱抗壓臨界壓力。試驗準(zhǔn)備階段，在長柱的中間段位置相互垂直的部位粘貼4個應(yīng)變片[8-12]，用于測試長柱在加載過程中的應(yīng)力變化。當(dāng)長柱在壓力機(jī)上安裝就位后，通過架表裝置安裝磁性表座，并架設(shè)位移傳感器，用于測試長柱中段的位移變化。

試驗柱采用長1m、外徑50mm、內(nèi)徑40mm的鋼管。將連接板安裝在壓力試驗機(jī)的上壓板上，卡座通過螺栓連接固定在連接板的槽道上。1個單刀鉸沿著卡座的支撐板較低臺階平推進(jìn)卡座中，松開固定槽桿螺栓，將槽桿抽出，并旋轉(zhuǎn)90°，將槽桿推入另一個卡座板的固定螺栓處，將固定螺栓固定，即裝好了槽桿。

觀察單刀鉸的位置，進(jìn)一步調(diào)整單刀鉸，確保單刀鉸對中。將另一個單刀鉸放在下壓板上，用對中尺對中。將試件放在下面單刀鉸上，移動壓力試驗機(jī)橫梁，使試件頂起上單刀鉸。當(dāng)單刀鉸接近連接板時，啟動壓力試驗機(jī)。當(dāng)試件接近受力時，暫停啟動壓力試驗機(jī)，觀察試件是否對中。如果不對中，卸載，重新調(diào)整試件位置，重復(fù)上述步驟。

試件安裝好后，為確保單刀鉸能正常轉(zhuǎn)動，將單刀鉸上的固定板抽出，使單刀鉸恢復(fù)成可正常轉(zhuǎn)動的單刀鉸。為測試試件的位移，將架表裝置安裝在壓力機(jī)的絲桿上，磁性表座固定在架表裝置上，安裝好位移傳感器，即可以測試位移。試驗裝置安裝如圖6所示，試驗效果圖見圖7。

圖6 壓力機(jī)輔助裝置示意圖

圖7 試驗效果圖

3.2 試驗準(zhǔn)備

為提高學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的科研技能，將試驗的準(zhǔn)備工作交給學(xué)生完成。試驗準(zhǔn)備工作包括粘片、接線、試件安裝、架設(shè)磁性表座、安裝位移傳感器等。將連接應(yīng)變片和位移傳感器的導(dǎo)線通過橋路連接在數(shù)據(jù)采集儀上，采集儀通過數(shù)據(jù)線連接電腦，并調(diào)試好數(shù)據(jù)采集儀及數(shù)據(jù)采集軟件，即可開始試驗。

參與該試驗的學(xué)生可分為2組，5個學(xué)生為1組，1組負(fù)責(zé)測讀應(yīng)變，1組負(fù)責(zé)測讀位移。要求每個學(xué)生貼1個應(yīng)變片，應(yīng)變片粘貼包括貼片、貼接線端子、焊接線端子以及連接導(dǎo)線、測試所貼應(yīng)變片的電阻和絕緣電阻等。粘貼完應(yīng)變片后，連接采集儀、安裝試件，之后就可以開始測試了。兩組學(xué)生做一根柱子的試驗， 可做多根柱子的抗壓試驗， 確保每個學(xué)生都參與到試驗中。通過這個試驗，學(xué)生既可以掌握應(yīng)變粘貼方法， 又參與了長柱抗壓試驗的過程， 并通過試驗驗證應(yīng)變片的粘貼效果，從而掌握一些試驗方法和試驗技巧，詳細(xì)了解長柱抗壓的破壞過程，為《結(jié)構(gòu)試驗》這門課程的學(xué)習(xí)積累了實踐經(jīng)歷。

3.3 試驗步驟

(1)各類儀器開機(jī)預(yù)熱。

(2)啟動靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集程序，設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

(3)應(yīng)變儀、力傳感器調(diào)零。

(4)預(yù)載。預(yù)載一級，荷載持續(xù)作用時間為5min；啟動靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集數(shù)據(jù)、應(yīng)變儀讀數(shù)；卸載到零，空載15min。

(5)正式試驗。靜態(tài)電阻應(yīng)變儀清零；按分級加載值大小逐級加載，待荷載持續(xù)作用后讀取數(shù)據(jù)；加載至正常使用狀態(tài)短期試驗荷載值時，觀察柱的應(yīng)變變化及位移變化；加載至正常使用狀態(tài)短期試驗荷載值時，荷載持續(xù)作用時間為15min；持續(xù)加載，當(dāng)試件達(dá)到承載力極限狀態(tài)試驗荷載值時記錄極限狀態(tài)的應(yīng)變值和位移值。

(6)卸載。分兩級卸載到零，記錄殘余應(yīng)變和位移值。

3.4 荷載驗算

試驗加載完畢進(jìn)行荷載驗算，先進(jìn)行理論計算，求臨界壓力；再通過試驗荷載最大力求出最大應(yīng)力值，并用實際值與理論值進(jìn)行對比，判斷長柱是否合格。通過所測的應(yīng)變值，換算為應(yīng)力，并與理論計算值比較；通過所測的位移變化，了解柱的破壞特征以及理論與實際的差異。

4 結(jié) 論

壓力機(jī)試驗輔助裝置有效解決了柱子抗壓的各種問題。安裝在連接板上的卡座用于安放上支座，且卡座位于上壓板的中心位置。下支座安放在下壓板上，對中尺對中下支座，安裝柱子試件時，確保支座的位置在中心點上。卸載時，支座落在卡座上，升起橫梁即可方便取下試件，確保了試驗的安全。該試驗輔助裝置簡單實用，既可以應(yīng)用于《結(jié)構(gòu)試驗》教學(xué)，也可以應(yīng)用于科研試驗，還可應(yīng)用于土木工程檢測等。