一种受内部局部侧压力的钢管柱轴压试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及钢管柱屈曲性能试验技术领域，特别涉及一种受内部局部侧压力的钢管柱轴压试验装置。


背景技术：

2.近些年来，由于钢
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混凝土组合结构优越的力学性能和地震耗能能力，被大量应用于高层和超高层建筑当中。典型的构件形式有钢管混凝土柱、钢板混凝土组合剪力墙等，其中钢管混凝土柱在工程中的应用最广泛。国内外学者对各种截面形式的钢管混凝土柱的承载力都做了相应的理论以及试验研究。如今，高强钢材以及高强混凝土也开始应用于钢管混凝土结构当中。然而，高强度材料的出现必然会带来构件截面大小的变化，如钢管壁厚减小，宽度增加等。这些改变使得钢管混凝土外侧钢板的宽厚比也越来越大，钢板局部屈曲的问题也越来越凸显，开始受到工程人员的重视。在工程经济性方面，钢
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混凝土组合构件在设计过程中一般都要求钢材及混凝土两种材料的力学性能都能得到充分发挥，钢材要能充分利用其屈服强度。在结构安全性方面，钢板局部屈曲问题的出现会导致构件提前发生破坏甚至整体失效，造成无法挽回的损失和灾难。因此，在工程经济性与结构安全性两方面要求的背景下，对组合结构钢板局部屈曲问题的研究显得十分必要。对钢板局部屈曲特性与屈曲模态进行深入研究，并采取针对性措施避免或延迟钢板局部屈曲的发生，这不仅能产生良好的经济效益，且对于推动钢
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混凝土组合结构以及薄壁钢结构在工程中的发展应用也具有重要意义。
3.如今，国内外学者都开始对钢管混凝土柱中钢板的局部屈曲性能进行研究，主要研究方式局限在理论研究以及有限元数值研究两大方面，取得了一定的研究成果。然而，在现存的这些研究中，基本都局限在理论阶段，缺乏试验研究结果进行论证。研究人员提出的理论模型和数值模型无法和试验数据进行校核，理论研究无法进一步完善。原因在于，国内外都缺乏针对钢管混凝土以及钢板局部屈曲性能进行研究的专门实验装置，这一问题导致研究者对钢管局部屈曲性能进行研究时，难以开展相关试验研究，无法得到充足的变参数试验结果对理论进行支撑和改进，直接制约了钢
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混凝土组合结构以及钢结构局部屈曲性能的研究进程。
4.因此，对钢管混凝土钢板局部屈曲性能的试验装置进行针对性开发，是非常有必要的。研究发现，钢管混凝土外侧钢管受到内填混凝土的侧向挤压作用在横向是不均匀的，边缘区域钢管受到混凝土的侧向挤压力较大，中部受到的侧向挤压力较小，且不同宽厚比、钢材强度、混凝土强度对钢管的挤压作用也不同，钢管局部屈曲性能受到侧向力的影响也不同。故装置需要能够模拟钢管混凝土中内填混凝土对外包钢管壁的不均匀侧向挤压作用，角部侧向压力大，中部侧向压力小。侧向压力的范围以及大小需要具备可调节功能，以研究不同区域内受到局部侧向压力作用的钢板的局部屈曲过程以及不同大小的侧向压力对钢板局部屈曲性能的影响。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种受内部局部侧压力的钢管柱轴压试验装置，可以模拟钢管柱中内填混凝土对钢管柱的不均匀侧向挤压作用。
6.本实用新型的技术方案为：一种受内部局部侧压力的钢管柱轴压试验装置，包括局部加压组件、钢管柱、区域分隔支撑组件、加载组件、底板、盖板、填充囊和注入管；
7.所述钢管柱和区域分隔支撑组件的底部均与底板连接，区域分隔支撑组件位于钢管柱内，区域分隔支撑组件抵接钢管柱内壁的中部区域，且将钢管柱内的空间分隔成多个边缘区域，每个边缘区域内放置填充囊，钢管柱的顶部与盖板连接，盖板的顶面与加载组件连接，外部轴向加载装置用以对加载组件施加轴向力，加载组件和盖板分别对应设有注入孔，注入管通过注入孔连通填充囊，局部加压组件与注入管连接，局部加压组件用以将填充物通过注入管注入填充囊内，使填充囊膨胀抵接钢管柱内的边缘区域，填充囊用以为钢管柱提供侧压力。本实用新型的区域分隔支撑组件用以在试验过程中对钢管柱进行支撑，模拟混凝土的刚性介质作用，防止钢管柱向内部发生局部屈曲，同时具备区域分隔功能，可以将钢管柱各边的中部区域和边缘区域区分开，为施加不同的荷载提供加载空间和隔断作用，通过调节填充物的量控制填充囊的压力大小，实现调节钢管柱受到的侧压力大小。
8.进一步，所述填充囊为水囊，所述局部加压组件包括水箱、变频水泵、高精度变频控制箱和连接管道，水箱通过连接管道与注入管连接，变频水泵连接于水箱和连接管道之间，连接管道上设有数显压力表和流量阀，数显压力表用以查看连接管道内的水压，变频水泵与高精度变频控制箱电性连接。通过对填充囊充水进行局部加压，成本低，安全系数高，易于操作。
9.进一步，所述区域分隔支撑组件包括多块支撑钢板、多个横向支撑筋和多个分隔钢板，支撑钢板贴紧钢管柱内壁的中部区域，横向支撑筋的两端分别连接相对的两块支撑钢板，支撑钢板的两侧边分别与分隔钢板连接，分隔钢板的一侧边与支撑钢板的侧边连接，另一侧边与横向支撑筋连接，相邻两块支撑钢板上的分隔钢板之间形成边缘区域。本实用新型的区域分隔支撑组件，结构简单，通过预先焊接，方便装置连接。
10.进一步，所述支撑钢板的两侧边的分隔钢板与支撑钢板共同围设成三角形。利用三角形结构增强区域分隔支撑组件的结构强度，增强受力能力，强化对钢管柱的支撑。
11.进一步，所述加载组件包括上垫板、下垫板和加劲肋，下垫板与盖板的顶面连接，加劲肋的上下两端分别连接上垫板和下垫板，注入管位于上垫板和下垫板之间。
12.进一步，所述下垫板设有多个让位槽，让位槽与注入孔连通，让位槽的宽度略大于注入管的宽度。通过设置让位槽，对注入管进行让位，方便试验装置的连接。
13.进一步，所述加劲肋包括内加劲肋和边加劲肋，内加劲肋呈十字型，内加劲肋的外侧边分别与边加劲肋垂直连接，让位槽位于相邻两个边加劲肋之间。通过设置内加劲肋和边加劲肋对上垫板和下垫板之间的空间进行支撑，增强上下垫板之间的结构强度，防止轴向加载装置对上垫板和下垫板进行轴向施压时变形，对注入管造成损害。
14.进一步，还包括上加劲肋和下加劲肋，所述上加劲肋连接钢管柱的外壁和盖板的底面，下加劲肋连接钢管柱的外壁和底板的顶面。通过设置上加劲肋和下加劲肋，增强钢管柱与盖板和底板之间的连接强度。
15.上述受内部局部侧压力的钢管柱轴压试验装置的试验方法，包括以下步骤：
16.步骤s1：将区域分隔支撑组件支撑钢管柱内壁的中部区域，并将钢管柱内的空间分隔成多个边缘区域，区域分隔支撑组件用以在试验过程中对钢管柱进行支撑，模拟混凝土的刚性介质作用，防止钢管柱向内部发生局部屈曲，区域分隔支撑组件和钢管柱的底部分别焊接至底板；
17.步骤s2：将填充囊放置于边缘区域内，再将盖板焊接至钢管柱的顶部；
18.步骤s3：将加载组件安装至盖板顶面，注入管通过加载组件和盖板上的注入管与填充囊连通，外部轴向加载装置对加载组件进行轴向施压；
19.步骤s4：局部加压组件用以将填充物通过注入管注入填充囊内，使填充囊膨胀抵接钢管柱内的边缘区域，为钢管柱提供侧压力，通过调节填充物的量控制填充囊的压力大小，实现调节钢管柱受到的侧压力大小。
20.上述受内部局部侧压力的钢管柱轴压试验装置的工作原理：通过连接管道对填充囊进行充水，填充囊随着充水逐渐膨胀，抵接钢管柱内的边缘区域，为钢管柱提供侧压力，数显压力表用以查看填充囊内的压力，高精度变频控制箱控制变频水泵改变供水水压，进一步调节填充囊内的压力，实现调节钢管柱受到的侧压力大小。
21.本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果：
22.本实用新型的受内部局部侧压力的钢管柱轴压试验装置，采用钢管柱作为主要受力构件，可用于研究各种材质的钢管柱在轴向力和不同区域受到不同大小侧向力共同作用下的受力性能。
23.本实用新型的受内部局部侧压力的钢管柱轴压试验装置，开创性的在钢管柱内边缘区域设置水囊，通过向水囊进行注水加压的方式，对钢管柱内部施加侧向压力作用，数显压力表可实现对水囊内部压力的实时观测，通过高精度变频控制器对变频水泵进行控制，进一步控制连接管道内的水压，实现钢管柱所受侧压力大小的调节。
24.本实用新型的受内部局部侧压力的钢管柱轴压试验装置，通过区域分隔支撑组件有效对钢管柱内部需要施加侧向压力的区域进行区分，实现钢管柱受到侧压力的区域位置的可调节，并同时对钢管柱提供刚性支撑作用。
附图说明
25.图1为本实用新型的钢管柱与加载组件的装配示意图。
26.图2为图1的俯视图。
27.图3为图1沿a
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a线的剖视图。
28.图4为图1沿b
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b线的剖视图。
29.图5为图2沿c
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c线的剖视图。
30.图6为本实用新型的试验装置的整体结构示意图。
31.钢管柱1、底板2、盖板3、填充囊4、上加劲肋5、下加劲肋6、支撑钢板7、横向支撑筋8、分隔钢板9、上垫板10、下垫板11、内加劲肋12、边加劲肋13、注入孔14、注入管15、让位槽16、数显压力表17、流量阀18。
具体实施方式
32.下面结合实施例，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式
不限于此。
33.实施例
34.如图1和图6所示，本实施例提供了一种受内部局部侧压力的钢管柱轴压试验装置，包括局部加压组件、钢管柱1、区域分隔支撑组件、加载组件、底板2、盖板3、填充囊4、上加劲肋5和下加劲肋6。
35.如图4和图5所示，钢管柱为方形，区域分隔支撑组件包括多块支撑钢板7、多个横向支撑筋8和多个分隔钢板9，支撑钢板贴紧钢管柱内每一边的中部区域，横向支撑筋的两端分别焊接至相对的两个支撑钢板，支撑钢板的两侧边分别与分隔钢板连接，分隔钢板的一侧边与支撑钢板的侧边连接，另一侧边与横向支撑筋的中部连接，相邻两块支撑钢板上的分隔钢板之间形成边缘区域，在本实施例中，区域分隔支撑组件将钢管柱内的空间分隔成四个边缘区域，每个边缘区域内设有填充囊，在本实施例中，填充囊为采用橡胶制成的水囊。支撑钢板的两侧边的分隔钢板与支撑钢板共同围设成三角形。利用三角形结构增强区域分隔支撑组件的结构强度，增强受力能力，强化对钢管柱的支撑。区域分隔支撑组件用以在试验过程中对钢管柱进行支撑，模拟混凝土的刚性介质作用，防止钢管柱向内部发生局部屈曲，同时具备区域分隔功能，可以将钢管柱各边的中部区域和边缘区域区分开，为施加不同的荷载提供加载空间和隔断作用。
36.如图1和图5所示，钢管柱和多块支撑钢板的底部均焊接至底板，钢管柱的顶部与盖板焊接，上加劲肋连接钢管柱的外壁和盖板的底面，下加劲肋连接钢管柱的外壁和底板的顶面。通过设置上加劲肋和下加劲肋，增强钢管柱与盖板和底板之间的连接强度。
37.如图1、图2、图3和图5所示，外部轴向加载装置用以对加载组件施加轴向力，加载组件包括上垫板10、下垫板11和加劲肋，下垫板与盖板的顶面焊接，加劲肋的上下两端分别连接上垫板和下垫板，加劲肋包括内加劲肋12和边加劲肋13，内加劲肋呈十字型，内加劲肋的外侧边分别与边加劲肋垂直连接，通过设置内加劲肋和边加劲肋对上垫板和下垫板之间的空间进行支撑，增强上下垫板之间的结构强度，防止轴向加载装置对上垫板和下垫板进行轴向施压时变形，盖板和下垫板分别对应设有注入孔14，注入管15通过注入孔与填充囊连接，注入管与盖板焊接，下垫板设有多个让位槽16，让位槽与注入孔连通，让位槽位于相邻两个边加劲肋之间，让位槽的宽度略大于注入管的宽度。通过设置让位槽，对注入管进行让位，使注入管位于上垫板和下垫板之间。
38.如图6所示，局部加压组件包括水箱、变频水泵、高精度变频控制箱和连接管道，连接管道为dn25连接管道，水箱通过连接管道与注入管连接，变频水泵连接于水箱和连接管道之间，连接管道上设有数显压力表17和流量阀18，数显压力表用以查看连接管道内的水压，变频水泵与高精度变频控制箱电性连接。通过对填充囊充水进行局部加压，成本低，安全系数高，易于操作。
39.上述受内部局部侧压力的钢管柱轴压试验装置的试验方法，包括以下步骤：
40.步骤s1：将区域分隔支撑组件支撑钢管柱内壁的中部区域，并将钢管柱内的空间分隔成多个边缘区域，区域分隔支撑组件用以在试验过程中对钢管柱进行支撑，模拟混凝土的刚性介质作用，防止钢管柱向内部发生局部屈曲，区域分隔支撑组件和钢管柱的底部分别焊接至底板；
41.步骤s2：将填充囊放置于边缘区域内，再将盖板焊接至钢管柱的顶部；
42.步骤s3：将加载组件安装至盖板顶面，注入管通过加载组件和盖板上的注入管与填充囊连通，外部轴向加载装置对加载组件进行轴向施压；
43.步骤s4：局部加压组件用以将填充物通过注入管注入填充囊内，使填充囊膨胀抵接钢管柱内的边缘区域，为钢管柱提供侧压力，通过调节填充物的量控制填充囊的压力大小，实现调节钢管柱受到的侧压力大小。
44.上述受内部局部侧压力的钢管柱轴压试验装置的工作原理：通过连接管道对填充囊进行充水，填充囊随着充水逐渐膨胀，抵接钢管柱内的边缘区域，为钢管柱提供侧压力，数显压力表用以查看填充囊内的压力，高精度变频控制箱控制变频水泵改变供水水压，进一步调节填充囊内的压力，实现调节钢管柱受到的侧压力大小。
45.如上所述，便可较好地实现本实用新型，上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围；即凡依本实用新型内容所作的均等变化与修饰，都为本实用新型权利要求所要求保护的范围所涵盖。