对中调平刀口铰支座的设计
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摘 要：为了提高试验精度和试验进度，使试验设计更好地模拟理论分析的受力情况和边界条件，对刀口铰支座的设计要求进行了论述，分别介绍了带对中设备的双向刀口铰支座、带调平设备和对中设备的双向刀口铰支座和多V形凹槽刀口铰支座等设计方法。在分析这些设计方法优点和缺点的基础上，提出了新的设计方法。新的设计方法对既有的设计方法进行了改进，使得对中设备和调平设备更为简易，设计与制作更为简捷和实用。
关键词：刀口铰支座 对中设备 调平设备
中图分类号：TU18 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（b）-0001-02
结构试验是验证结构理论的有效方法，也是制定各类技术规范和标准的基础，在工程结构科学研究和技术创新等方面起着重要作用。不断地发展试验技术，改进试验方法，提高试验精度，是结构试验的客观要求。为了提高试验精度和试验进度，使试验设计更好地模拟理论分析的受力情况和边界条件，该文旨在提出更为实用的刀口铰设计方法。
1 受压试件的安装
铰支座分为单向铰支座和双向铰支座，进行短柱轴压试验时，如果试验机上、下压板其中一个设有球铰支座，则试件端部不必设置铰支座，与混凝土棱柱试件强度试验方法相一致[1]。对于长细比较大的轴压试件，为了控制试件的弯曲方向，更易于测得试件的挠度，通常设置较小的初始偏心距，因此与偏压试件一样需要刀口铰支座。试件安装时，上下刀口应在同一平面内，刀口的中心线应垂直于试件发生纵向弯曲所在平面，与荷载作用线重合。为了消除端部对试件整体破坏的影响，可以在偏压试件端部设置牛腿。试件安装时，需要几何对中之后再进行物理对中。对于钢筋混凝土和钢-混凝土试件由于混凝土材料的不均匀性，难以实现物理对中，在实际试验中仅需要几何对中即可[2]。
2 刀口铰支座设计要求
对于受压试验，为了减小支座对试件端部转动摩擦以及在加载过程中出现荷载位置的错动，应采用刀口铰支座。其设计要求主要有强度、刚度和构造3方面。
（1）强度。刀口长度不应小于试件截面宽度，一般情况下，公板和母板常常做成方形板，截面尺寸相同。一般采用钢材制作，宜优先采用工具钢。刀口铰公板和母板极限荷载的出现不能先于受压试件。在满足强度条件下，母板或公板截面边长（为最大荷载值，为刀口铰抗压强度设计值）。
（2）刚度。传递荷载过程中刀口铰支座不能产生较大变形，需具有足够的刚度。刚度条件由厚度控制，（为试件抗压强度设计值）。
（3）构造要求。为了满足试件在能够自由转动和荷载的正确传递的要求，减小转动摩擦，避免在加载过程中荷载位置的改变，公板的刀口铰截面夹角宜为60°，母板V形凹槽截面夹角宜为90°，试件最大转动角度为15°，由此可以确定加载前公板与母板最小距离。为了便于安装试件，可以在公板与母板之间设置垫块，试验加载时取出垫块。
3 刀口铰支座的设计
3.1 带对中设备的双向刀口铰支座
对于轴压试验最理想的支座为双刀口铰支座，它不仅用于轴压试验，也可以用于偏压试验。文献[3]提供了一种带对中设备的双向刀口铰支座设计方法。
如图1所示，上铰块固定于上顶板上，上铰块和下铰块分别与中间板铰接，下铰块固定于下底板的上面，在上铰块与中间板、下铰块与中间板的两端设有保护板，起到固定和限位作用，可防止上铰块与下铰块在加载过程中弹出。上、下铰块与中间块的上下垂直于中心的V形凹槽形成双向刀口铰，两个垂直方向的转动自由度的大小可通过中间板的V形凹槽的大小来限制。下底板设有4根螺栓，四侧面开设有凹槽。对中设备包括一组挡板和调节板，四块相互垂直的挡板均设有一个长槽孔和两个螺纹孔，分别与调节板连接。下底板四周的螺栓与挡板的长槽孔配合，起到限位作用。每块挡板上另装有两根固定螺杆和一根调节螺杆，调节好下底板位置之后，可用固定螺杆顶住下底板使之固定。调节板的上表面四周开设有凹槽用于安装挡板，下底板与对中设备的调节板是相对可动的，只是靠螺栓与挡板的长槽孔进行配合。
进行受压试验时，对中设备的调节板固定安装于压力机上，试件安装在双向刀口铰的上顶板上，试验开始前，通过螺栓调节双向刀口铰的下底板的位置实现几何对中和物理对中，调节完后用固定螺杆使之固定，即可开始试验。
3.2 带调平对中设备的双向刀口铰支座
为了提高对中效率和对中精度，文献[4]提供了带调平对中设备的双向刀口铰支座设计方法。如图2所示，该装置在刀口铰支座的周边依次设置有调平框和外框，调平框一侧通过对中顶丝与刀口铰支座的底板相连，调平框另一侧通过连接板与外框相连，外框与压力机连成一体；在上刀口和中刀口设有可调螺杆，上刀口的可调螺杆与中刀口相接触，中刀口的可调螺杆与下刀口相接触，上刀口上还有用于连接试件端板的连接螺杆。
对中时，根据试件的初始安装位置，判断刀口铰支座的偏移方向，然后通过对中顶丝调节移动刀口铰支座的底板。对中顶丝带有螺纹，且螺纹连续、间距很小，故可以有效地控制刀口铰支座的水平移动步距，可以连续地移动刀口铰支座。试件放置前，利用可调螺杆将刀口铰支座初步找平，利用水平尺配合可调螺杆精确调平刀口铰支座。与对中调整装置一样，可调螺杆上的螺纹连续、间距很小，可以有效地控制刀口铰支座调平时的移动步距，可以连续地调平刀口铰支座。刀口铰支座与试件端板连接时，通过连接螺杆实现，连接螺杆穿透试件端板与刀口铰支座的上刀口的螺孔，将试件端板与刀口铰支座连为一体。外框由角钢焊接而成，调平框采用钢板焊接而成，外框与调平框通过连接板焊接，在调平框的四边钻孔以安装对中顶丝。将刀口铰支座置于调平框中，使得刀口铰支座与调平框同心，在刀口支座上的上刀口和中刀口钻孔，以安装调平螺杆。在刀口铰支座的上刀口的中部钻孔，用以连接试件端板。然后将外框与调平框及试验机压板连接。将试件通过连接螺杆连接在刀口铰支座的上刀口上，通过对中顶丝对中后，再通过调节可调螺杆的螺杆长度，进一步调平刀口铰支座，即可进行受压试验。
3.3 多V形凹槽刀口铰支座
如果刀口铰支座母板仅有一个V形凹槽，当截面尺寸与试件截面尺寸接近时，仅能做轴压试验。为了提高刀口铰支座的利用率，便于实现大型受压试件轴压试验和偏压试验，可以将刀口铰支座的母板设计成多V形凹槽。
如图3所示，文献[5]给出了一种多V形凹槽刀口铰支座设计方法，该装置包括刀口、多V形凹槽母板和柱帽，多V形凹槽公板包括板体本体和板体本体固定连接的多V形凹槽，多V形凹槽公板通过螺栓与柱帽固定连接。试件进行受压试验时，试件的上下端均设置多V形凹槽刀口铰支座。当试件为轴压试件时，刀口中心线位于多V形凹槽公板表面对应试件截面形心位置；当试件为偏压试件时，刀口的中心线位于多V形凹槽公板相对构件的形心在水平方向上间隔e。刀口的中心线与试件截面形心在水平方向上的距离即为加载偏心距e。调整试件的偏心距时，只需要移动刀口在水平方向的位置即可。
4 刀口铰支座设计的改进
文献[3]给出了双向刀口铰支座的设计方法，设备组成较为复杂，对螺栓和螺孔的要求较为精密，不易加工，且无调平装置。文献[4]给出的双向刀口铰支座的设计方法，对中设备限于刀口铰支座与试验机之间，无试件与刀口铰支座的对中设备。一般情况下，刀口铰支座的自重较小，可以人工移动，刀口铰支座对试验机之间的对中设备可以省略，但增设了刀口铰支座与压力机的固定设备，提高了试验的安全性。在调平设备中，需要对刀口铰支座穿孔拔丝，加工工艺较为复杂，但设计思路较好，装置组成较为简单。文献[5]提供了多V形凹槽刀口铰支座设计思路，将该装置固定于压力机上，提高了试验的安全性，该装置较为简单，但无对中调平设备。
以上3种刀口铰支座的设计思路各有优缺点，综合其优点舍去其缺点，提出了更为简单实用的设计方法。如图4所示，在母板上部四周边缘焊接螺栓可以作为对中设备，在与刀口中线平行的两侧面焊接螺栓可以作为调平装置。
试验时，将刀口铰支座公板与试验机压板对中，然后将母板的V形凹槽置于刀口之上，母板可以为单V形凹槽母板也可以为多V形凹槽母板，图3为多V形凹槽母板。试件安装前，旋转调平螺旋便可实现水平度调节。安放试件后，旋转对中螺旋，调整试件的位置，进行几何对中和物理对中。对中完毕，不必松开对中螺栓，可以起到将试件固定于母板的作用，利于试验的安全性。
在单刀口铰支座设计基础上还可以设计成双刀口铰支座，中间母板开设相互垂直于形心的V形凹槽，仅在平行于下部公板刀口中线两侧面焊接调平螺栓即可，在公板上部四周边缘焊接对中螺栓，在平行于上部公板的刀口中线两侧焊接调平螺栓。调平对中方法与图3相同。
当刀口铰支座不常用于大型截面尺寸受压试验时，可以将母板的对中装置做成活动装置，将母板扩大为组合型母板。如果需要将刀口铰支座固定用于压力机承压板之上，可以将图2所示的调平框、连接板和外框等附属设备设置于下部公板。
5 结语
受压构件是分析构件力学性能的主要研究对象，为了更好地模拟理论分析中试件的边界条件，要求刀口铰支座减小对试件端部转动摩擦，能够正确地传递荷载，保证荷载位置不变。在介绍了几种刀口铰支座设计方法的基础上，对既有的设计方法进行了改进，提出了更为简单实用的设计方法。主要结论如下所示。
（1）刀口铰支座应满足在荷载作用下的强度、刚度和构造要求；
（2）试件的对中既耗时又耗力，为了提高试验效率和试验精度，应设置对中设备；
（3）为了防止试件安装前的倾斜，应当设置水平调节设备，保证刀口铰支座公板和母板均与试验机压板平行；
（4）文中提出的改进的设计方法具有对中设备和调平设备，设计更为简单实用，便于加工。
参考文献
[1] 刘明.土木工程结构试验与检测[M].北京：高等教育出版社，2008.
[2] 陈宝春，王来永，欧智菁，等.钢管混凝土偏心受压应力-应变试验研究[J].工程力学，2003，20（6）：154-159.
[3] 苏州筑邦测控科技有限公司.带对中调节的双向刀口铰装置：中国，CN201220095574.8[P].2012-12-19.
[4] 西安建筑科技大学.一种双向刀口支座对中及调平试验装置：中国，CN2009100
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[5] 孟丽岩.一种试验加载支座：中国，CN20
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