一种柱状试样疲劳试验加载装置

1.本发明属于材料试验装置技术领域，具体涉及一种柱状试样疲劳试验加载装置。


背景技术：

2.桥梁结构中经常会用到钢筋、缆索等柱状的钢结构构件。尤其是钢桥结构中，在钢梁、钢柱、钢桁架的连接中经常使用螺纹连接处和铆钉连接。上述结构由于长期受交变应力、腐蚀环境和材料退化的共同影响，易发生伴随多因素损伤耦合的疲劳破坏，进而影响结构安全。因此，有效评估柱状试样7在多因素耦合下的疲劳寿命，是桥梁结构安全、长期运维的重要保障。
3.在现有的柱状试样疲劳实验中，存在以下问题：
4.1、传统的疲劳试验加载装置与试验所用的柱状试样接触面积太小，导致柱状试样端部局部应力过大而过早地发生脆性破坏进而影响疲劳试验结果。无法对柱状试样同时提供锚固和加固的功能，而传统的对柱状试样使用一次性浇筑加固的方法则会造成材料加工的浪费。
5.2、在高频交变荷载环境下，由于疲劳试验加载装置与试验所用的柱状试样之间锚固力不足以及螺纹连接处连接单向受力自锁的特性，疲劳试验加载装置与柱状试样的连接易发生松动，导致疲劳试验机施加的载荷无法通过疲劳试验加载装置传递到柱状试样上。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种柱状试样疲劳试验加载装置。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种柱状试样疲劳试验加载装置，包括：
9.荷载传递件,其为管状结构，所述荷载传递件内壁中部设置有第一限位端；
10.施力件，其为管状结构，内壁设置有第二限位端；所述施力件一端与所述荷载传递件可拆卸连接，另一端开设有通孔；所述第一限位端和第二限位端均为具有腔体的圆台结构；
11.夹持组件，其包括对称设置的两个夹块；所述夹持组件使用时位于所述荷载传递件和施力件之间，两个所述夹块之间夹有柱状试样时两个所述夹块构成纺锤形结构，此时两个所述夹块构成的纺锤形结构的两侧锥面分别与所述第一限位端和第二限位端的内壁抵接。
12.优选地，两个所述夹块的夹持面沿长度方向均开设有限位槽。
13.优选地，所述施力件外壁设置有外螺纹；
14.所述荷载传递件包括第一管件和与所述第一管件一体成型的第二管件，所述第一管件的内径大于所述第二管件的内径；所述第一管件内壁设置有与疲劳试验机的荷载传递端匹配的第一内螺纹，所述第一限位端设置在所述第二管件内壁靠近所述第一管件的一
端，所述第二管件内壁远离所述第一管件的一端设置有与所述施力件的外螺纹匹配的第二内螺纹。
15.优选地，所述第一管件和第二管件的连接端面处设置有第一六角锚固端，所述施力件位于所述第二限位端向内收缩的一端设置有与所述施力件一体成型的第二六角锚固端，所述第二限位端延伸至所述第二六角锚固端内，所述通孔开设在所述第二六角锚固端中间。
16.优选地，还包括与所述施力件匹配的橡胶垫片和防扰动螺帽，所述防扰动螺帽内壁设置有与所述施力件的外螺纹匹配的第三内螺纹，所述防扰动螺帽表面滚轧有网状滚花花纹。
17.优选地，两个所述夹块由一个纺锤形结构件切割而成，在切割纺锤形结构件时，在距离纺锤形结构件的中性轴所在平面上下各处的平行平面处进行切割，形成两个所述夹块；
18.其中，δl为两个所述夹块的切割平面之间距离，0.5mm＜δl＜1.2mm。
19.优选地，所述夹块的顶半角α0与所述第一限位端和第二限位端的顶半角α1相等。
20.优选地，所述第一限位端靠近所述第一管件的一端及所述第二限位端位于所述第二六角锚固端的一端的半径均为d1；
21.在切割纺锤形结构件时，还对纺锤形结构件两端进行垂直切割形成圆面，所述圆面的直径为d0；
22.且，α＝α0＝α1；
23.其中，α0为所述夹块的顶半角，α1为所述第一限位端和第二限位端的顶半角，且18
°
＜α0＜36
°
。
24.优选地，所述第一限位端和第二限位端内部的空腔体积均小于夹有柱状试样的两个所述夹块构成的纺锤形结构的体积的一半；
25.所述夹块的长度l0满足
26.其中，l1为所述第一限位端和第二限位端的长度，l1和l0的单位均为mm。
27.优选地，所述第一限位端的内壁与所述夹块的外表面为经过打磨以及抛光处理的面，所述橡胶垫片的双侧表面均设置有线形凸起花纹。
28.本发明提供的柱状试样疲劳试验加载装置具有以下有益效果：
29.本发明设置有管状结构的荷载传递件、施力件及纺锤形结构的夹持组件，可通过纺锤形结构的夹持组件对柱状式样进行夹持，并通过荷载传递件、施力件对夹持组件进行预紧，进而达到对柱状式样进行加紧的目的。该装置能够确保疲劳试验中柱状试样端部应力分布均匀，避免柱状试样端部受力集中导致脆性破坏。同时优化了夹持组件的几何形状，将夹持组件的外表面设计成对底式圆锥状，增加了加载装置与试验所用的柱状试样之间锚固力，使得其在高频交变荷载环境下也不会产生松动。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明实施例1提供的柱状试样疲劳试验加载装置的预安装示意图；
32.图2为施力件的预安装示意图；
33.图3为荷载传递件的结构示意图；
34.图4为施力件的结构示意图；
35.图5为夹持组件的结构示意图；
36.图6为荷载传递件的剖面示意图；
37.图7为夹持组件的剖面示意图；
38.图8为施力件的剖面示意图；
39.图9为橡胶垫片的正面图；
40.图10为进行柱状试样疲劳试验加载试验时的两组加载装置的预安装示意图。
41.附图标记说明：
42.荷载传递件1、第一管件11、第二管件12、第一内螺纹13、第二内螺纹14、第一限位端2、施力件3、外螺纹31、第二限位端4、通孔5、夹持组件6、夹块61、柱状试样7、限位槽8、第一六角锚固端9、第二六角锚固端10、橡胶垫片15、防扰动螺帽16、第三内螺纹161。
具体实施方式
43.为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
44.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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。
45.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。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。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。
46.实施例1
47.本发明提供了一种柱状试样疲劳试验加载装置，具体如图1至图4所示，包括荷载传递件1、施力件3和夹持组件6，荷载传递件1和施力件3均为管状结构。
48.具体地，荷载传递件1的内壁中部设置有第一限位端2，内壁设置有第二限位端4；施力件3一端与荷载传递件1可拆卸连接，另一端开设有通孔5，可确保钢结构的柱状试样7
得以穿过；第一限位端2和第二限位端4均为具有腔体的圆台结构。
49.如图5所示，夹持组件6包括对称设置的两个夹块61，为增加夹块61与柱状试样7之间锚固力，将夹块61几何形状设计为对底式圆锥状。夹持组件6使用时位于荷载传递件1和施力件3之间，两个夹块61之间夹有柱状试样7时两个夹块61构成纺锤形结构，此时两个夹块61构成的纺锤形结构的两侧锥面分别与第一限位端2和第二限位端4的内壁抵接。纺锤形为两头尖中间宽的一种形状，也可以理解为把两个圆锥体以底面结合一起，形成的立体结构。
50.具体地，本实施例中，两个夹块61的夹持面沿长度方向均开设有限位槽8，其几何尺寸应与锚固的柱状试样相等。
51.具体地，本实施例中，施力件3外壁设置有外螺纹31。如图3所示，为便于螺纹连接处预紧力的施加，满足强度和反复使用的要求，荷载传递件1包括第一管件11和与第一管件11一体成型的第二管件12，第一管件11的内径大于第二管件12的内径，即荷载传递件1的内径不等；第一管件11内壁设置有与疲劳试验机的荷载传递端匹配的第一内螺纹13，第一限位端2设置在第二管件12内壁靠近第一管件11的一端，第二管件12内壁远离第一管件11的一端设置有与施力件3的外螺纹31匹配的第二内螺纹14，为减小高频交变荷载引发的螺纹连接处松动情况，第二内螺纹14可采用短螺距的三角螺纹。
52.使用时，将第一管件11的第一内螺纹13端与疲劳试验机的荷载传递端螺纹连接，然后将柱状试样7一端穿过施力件3的通孔5并夹在两个夹块61之间，且柱状试样7嵌入夹块61的限位槽内8。此时两个夹块61构成的纺锤形结构的一端插入第一限位端2内，另一端插入第二限位端4内，第一限位端2和第二限位端4用于固定两个夹块61。最后第二内螺纹14与外螺纹31配合，将施力件3与第二管件12进行螺接，螺接的过程中纺锤形结构两端不断受到第一限位端2和第二限位端4的挤压，最终将夹块61不断靠近加紧柱状试样7一端。
53.具体地，本实施例中，第一管件11和第二管件12的连接端面处设置有第一六角锚固端9，用于给荷载传递件1提供扭矩。施力件3位于第二限位端4向内收缩的一端设置有与施力件3一体成型的第二六角锚固端10，第二限位端4延伸至第二六角锚固端10内，通孔5开设在第二六角锚固端10中间。
54.为避免高频交变荷载导致螺纹连接处接口应力骤变、引起螺纹连接处产生松动，因此还增加了与施力件3配合的防扰动螺帽16，防扰动螺帽16内壁设置有与施力件3的外螺纹31匹配的第三内螺纹161，使用时防扰动螺帽16螺接在施力件3上，防扰动螺帽16所设的第三内螺纹161的外径、内径、螺距等螺纹参数应确保和施力件3的外螺纹31的螺纹参数相同，防扰动螺帽16用以增加荷载传递件1和施力件3螺纹连接处的预紧力。为增大荷载传递件1和防扰动螺帽16之间的摩擦力，使用时还在还增加了荷载传递件1和防扰动螺帽16之间增加了表面粗糙的自锁式的橡胶垫片15。如图9所示，为增加自锁式橡胶垫片14表面的摩擦力，可在橡胶垫片15的双侧表面均设置与对称轴方向顺时针夹60
°
角的线形凸起花纹，橡胶垫片15的存在也确保了防扰动螺帽16不易产生松动；最终使得荷载传递件1、施力件3和防扰动螺帽16三者两两之间均不易发生相对位移。
55.为提高防扰动螺帽表面的摩擦系数，防扰动螺帽16表面滚轧有网状滚花花纹。
56.如图6至图8所示，为确保两个夹块6向中间合拢时，锚固力能够全部传递到柱状试样7上，则应在两块夹块6中间留有足够的收缩空间。具体地，本实施例中，两个夹块61由一
个纺锤形结构件切割而成，在切割纺锤形结构件时，在距离纺锤形结构件的中性轴所在平面上下各处的平行平面处进行切割，形成两个夹块61；
57.其中，δl为两个夹块61的切割平面之间距离，0.5mm＜δl＜1.2mm。
58.具体地，本实施例中第一限位端2和第二限位端4的顶半角α1相等，为确保夹块6的表面和第二限位端4充分接触，夹块6的顶半角α0应与顶半角α1相等。
59.为增大限位槽8与柱状试样7之间的锚固力，将夹块6几何形状设计为对底式圆锥状，相较于单一圆锥状夹块，在第二管件12和施力件3连接处预紧力相同以及顶半角α1相等的条件下，对柱状试样7的锚固力提高为近原来的两倍。
60.具体地，如图6所示，本实施例中，第一限位端2靠近第一管件11的一端及第二限位端4位于第二六角锚固端10的一端的半径均为d1。
61.如图7所示，在切割纺锤形结构件时，还对纺锤形结构件两端进行垂直切割形成圆面，圆面的直径为d0。
62.为防止夹块6的端部平面与荷载传递件1接触，直径d0、d1应满足α＝α0＝α1。
63.其中，α0为夹块61的顶半角，α1为第一限位端2和第二限位端4的顶半角，且18
°
＜α0＜36
°
。
64.为防止夹有柱状试样7的夹块6体积过小导致连接第二管件12和施力件3过程中，无法导致夹块6向中间合拢进而产生锚固力，则应确保第一限位端2和第二限位端4内部的空腔体积均小于夹有柱状试样7的两个夹块61构成的纺锤形结构的体积的一半。如果一味减小第一限位端2和第二限位端4内部的空腔体积，在夹块6的端长l0不变的条件下，第二管件12的内螺纹长度增加，不仅提高了无用的螺纹加工成本，而且还降低了荷载传递件1的强度。或者如果一味增大夹块6的体积，则会导致材料的浪费，同时也会导致第二管件12的内螺纹长度增加，提高加工成本。为满足夹块6向合拢以及节约材料成本和加工成本的要求，夹块6的端长l0应满足：
65.其中，l1为第一限位端2和第二限位端4的长度，l1和l0的单位均为mm。
66.为减少第一限位端2与夹块6的表面之间的摩擦力，可分别对第一限位端2与夹块6的表面进行超精磨处理以及抛光处理。
67.采用本实施例提供的柱状试样疲劳试验加载装置进行疲劳试验时，需要用两组加载装置，将两组加载装置相对设置在疲劳试验机的荷载传递端，如图10所示，具体安装过程如下所述：
68.步骤1、通过顺时针拧动两组加载装置的第一六角锚固端9，将两块荷载传递件1分别与疲劳试验机的两个荷载传递端进行连接。
69.步骤2、将柱状试样7一端一次穿过一组加载装置的防扰动螺帽16、橡胶垫片15、施力件3的通孔5。将柱状试样7另一端一次穿过另一组加载装置的防扰动螺帽16、橡胶垫片15、施力件3的通孔5。
70.步骤3、用两个夹块61将一侧加载装置的第二管件12和施力件3之间的的柱状试样
7进行夹持，且柱状试样7嵌入夹块61的限位槽内8。
71.步骤4、将一侧加载装置的两个夹块61构成的纺锤形结构的一端均插入第一限位端2内，另一端插入第二限位端4内，第一限位端2和第二限位端4用于固定两个夹块61。
72.步骤5、第二内螺纹14与外螺纹31配合，顺时针拧动第二六角锚固端10将施力件3与第二管件12进行螺接，螺接的过程中纺锤形结构两端不断受到第一限位端2和第二限位端4的挤压，最终将夹块61向中性轴所在平面合拢，不断靠近加紧柱状试样7一端。
73.步骤6、顺时针拧动防扰动螺帽16将其螺接在施力件3上，使得橡胶垫片15与第二管件12端部紧密接触，完成柱状试样一端的锚固。
74.步骤7、重复步骤(3)至(6)，完成柱状试样另一端的锚固。
75.本实施例提供的柱状试样疲劳试验加载装置能够确保疲劳试验中柱状试样试样端部应力分布均匀，避免柱状试样试样端部受力集中导致脆性破坏。同时优化了夹块的几何形状，将夹块外表面设计成对底式圆锥状，增加了加载装置与试验所用的柱状试样试样之间锚固力。并对螺锚连接结构进行优化，使得其在高频交变荷载环境下也不会产生松动。本发明具有结构简单，尺寸较小，安装方便和拆卸，夹块更换方便等特点，该装置可在柱状试样疲劳加载试验中显著增强端部锚固力，避免由高频交变荷载引起的螺纹连接处连接松动的问题。
76.以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。