压力机试验辅助装置在长柱抗压试验教学中的应用

邹 建，林 松

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

1 引 言

柱是土木工程结构中的重要组成部分，其承载力和抗压稳定性关系到结构的安全。长柱抗压试验用于验证长柱的抗压承载力和抗压稳定性。长柱抗压试验过程中，需要在长柱的上下位置安装支座，并测试长柱的侧向位移，而长柱压力试验机的现有功能无法满足这些要求。为了解决这个问题，设计了一种压力机试验辅助装置。

2 压力机试验辅助装置结构组成

2.1 连接板

连接板是一种用于固定各种试验工装的连接装置。连接板采用20mm厚的钢板，在钢板的左右两侧开有4条槽道，用于安装固定螺栓。连接板通过连接端板固定在压力机的上压板上，连接板在连接端板位置焊接了吊耳，便于吊装和安装(如图1所示)。连接板的作用是用来安装卡座，在其中心位置钻有螺纹孔。通过在连接板上加装台阶板，可安装抗弯夹具，用于抗弯试验。

图1 连接板

2.2 卡座

卡座是一种安装支座的装置。卡座通过螺栓固定在连接板上，其作用是在加载前方便安装支座，卸载后确保支座落在卡座上，防止支座掉下来，保障了安全。

卡座由卡座板和槽杆组成，如图2所示。卡座板由固定板、侧板、支撑板3块钢板焊接而成。槽杆为20mm宽的钢条上铣了两条槽道，一条槽道是闭合的，一条槽道为开口。槽杆固定在卡座板上。卡座板的固定板钻有两个圆孔，用于穿螺栓固定卡座。卡座板的支撑板铣了台阶，将两个卡座板的圆孔套进挂在连接板槽道上螺栓，旋转螺帽固定，两个卡座板对称安装。试验用的支座安放在卡座板的支撑板较低台阶上，并与卡座侧板保持一定的距离，可以确保加载过程中支座能够在卡座中转动。松开固定在卡座板上的槽杆固定螺栓，移动并旋转槽杆，将槽杆开口处插进另一个卡座板的固定螺栓中，固定好螺栓，即卡座安装完成。槽杆的作用是当试件加载完毕，在卸载过程中试件因失去平衡而产生倾覆时，确保试件和支座在有限的范围内移动，保障了安全。卡座可以根据支座的不同宽度在连接板的槽道上移动，从而使卡座调整到合适的位置并固定住。

图2 卡座

2.3 架表装置

为了测试长柱的侧向位移，需要安装位移传感器，而位移传感器通过磁性表座固定，为此设计了架表装置。因为压力试验机的丝杆是固定不动的，因此架表装置可以安装在压力试验机的丝杆上，磁性表座固定在架表装置上。

架表装置由架表板、上夹套、下夹套及固定螺栓组成(如图3所示)。上夹套由塑料制成，下夹套由连接块和塑料内衬组合而成。上下夹套通过螺栓铰接，可以相互转动。下夹套通过螺栓固定在架表板上，架表板由开有槽道的双层钢板组成。将组装好的架表装置的下夹套对准丝杆，合上上夹套，拧紧固定螺栓，即安装好了架表装置。

图3 架表装置

2.4 单刀铰

支座采用单刀铰[1]的形式。单刀铰在原有单刀铰的基础上进行了改进，在刀铰板和切口板两端均安装了槽板。固定板安装在4块槽板中间，用螺栓固定在两块板上。固定板用于限位刀铰板的转动和移动，使单刀铰处于平正状态，便于安装长柱。单刀铰一个安装在卡座上，刀铰板朝下；一个安装在压力试验机下压板的中心位置，刀铰板朝上。试件长柱安装在下压板的单刀铰上，移动压力试验机的横梁，使上单刀铰接近试件长柱。开启压力试验机，进行预加载，长柱被压紧在两个单刀铰之间时，取下固定板，即变为正常受力的单刀铰。在试验准备阶段，单刀铰和长柱被压紧时，单刀铰上的固定板可能因受力而不能拔出时，松开两端槽板，可以取出固定板。单刀铰如图4所示。

图4 单刀铰

2.5 对中尺

上支座安装于卡座中，而卡座安装在连接板的中心位置，因此可以确保上支座对中。下支座安放在下压板上，目测对中有点困难，为此设计了对中尺(如图5所示)，用于下支座的对中。对中尺由对中座、移动尺、对中头、紧固螺栓等组成。对中座和移动尺都刻画了刻度，可测量压板和试件的宽度。移动尺套在对中座中，可根据不同压板的宽度调节移动尺，然后用紧固螺栓固定。对中试件时，先在支座上画好中点，将对中尺的对中头对准压板的中心，移动支座，使试件的中点与对中头对准，从而将试件调整到中心位置。

图5 对中尺

3 压力机试验辅助装置的应用

3.1 试验柱基本情况及安装方式

在《结构试验》教学中，应用这套辅助装置进行了压杆稳定试验。中心受压直杆在直线形态下的平衡，由稳定平衡转化为不稳定平衡时所受轴向压力的界限值，称为临界压力[2-7]，其中两端铰支的临界压力为：

通过这套辅助装置实现长柱的两端铰支，通过抗压试验验证长柱抗压临界压力。试验准备阶段，在长柱的中间段位置相互垂直的部位粘贴4个应变片[8-12]，用于测试长柱在加载过程中的应力变化。当长柱在压力机上安装就位后，通过架表装置安装磁性表座，并架设位移传感器，用于测试长柱中段的位移变化。

试验柱采用长1m、外径50mm、内径40mm的钢管。将连接板安装在压力试验机的上压板上，卡座通过螺栓连接固定在连接板的槽道上。1个单刀铰沿着卡座的支撑板较低台阶平推进卡座中，松开固定槽杆螺栓，将槽杆抽出，并旋转90°，将槽杆推入另一个卡座板的固定螺栓处，将固定螺栓固定，即装好了槽杆。

观察单刀铰的位置，进一步调整单刀铰，确保单刀铰对中。将另一个单刀铰放在下压板上，用对中尺对中。将试件放在下面单刀铰上，移动压力试验机横梁，使试件顶起上单刀铰。当单刀铰接近连接板时，启动压力试验机。当试件接近受力时，暂停启动压力试验机，观察试件是否对中。如果不对中，卸载，重新调整试件位置，重复上述步骤。

试件安装好后，为确保单刀铰能正常转动，将单刀铰上的固定板抽出，使单刀铰恢复成可正常转动的单刀铰。为测试试件的位移，将架表装置安装在压力机的丝杆上，磁性表座固定在架表装置上，安装好位移传感器，即可以测试位移。试验装置安装如图6所示，试验效果图见图7。

图6 压力机辅助装置示意图

图7 试验效果图

3.2 试验准备

为提高学生的动手能力，培养学生的科研技能，将试验的准备工作交给学生完成。试验准备工作包括粘片、接线、试件安装、架设磁性表座、安装位移传感器等。将连接应变片和位移传感器的导线通过桥路连接在数据采集仪上，采集仪通过数据线连接电脑，并调试好数据采集仪及数据采集软件，即可开始试验。

参与该试验的学生可分为2组，5个学生为1组，1组负责测读应变，1组负责测读位移。要求每个学生贴1个应变片，应变片粘贴包括贴片、贴接线端子、焊接线端子以及连接导线、测试所贴应变片的电阻和绝缘电阻等。粘贴完应变片后，连接采集仪、安装试件，之后就可以开始测试了。两组学生做一根柱子的试验， 可做多根柱子的抗压试验， 确保每个学生都参与到试验中。通过这个试验，学生既可以掌握应变粘贴方法， 又参与了长柱抗压试验的过程， 并通过试验验证应变片的粘贴效果，从而掌握一些试验方法和试验技巧，详细了解长柱抗压的破坏过程，为《结构试验》这门课程的学习积累了实践经历。

3.3 试验步骤

(1)各类仪器开机预热。

(2)启动静态电阻应变仪采集程序，设置相关参数。

(3)应变仪、力传感器调零。

(4)预载。预载一级，荷载持续作用时间为5min；启动静态电阻应变仪采集数据、应变仪读数；卸载到零，空载15min。

(5)正式试验。静态电阻应变仪清零；按分级加载值大小逐级加载，待荷载持续作用后读取数据；加载至正常使用状态短期试验荷载值时，观察柱的应变变化及位移变化；加载至正常使用状态短期试验荷载值时，荷载持续作用时间为15min；持续加载，当试件达到承载力极限状态试验荷载值时记录极限状态的应变值和位移值。

(6)卸载。分两级卸载到零，记录残余应变和位移值。

3.4 荷载验算

试验加载完毕进行荷载验算，先进行理论计算，求临界压力；再通过试验荷载最大力求出最大应力值，并用实际值与理论值进行对比，判断长柱是否合格。通过所测的应变值，换算为应力，并与理论计算值比较；通过所测的位移变化，了解柱的破坏特征以及理论与实际的差异。

4 结 论

压力机试验辅助装置有效解决了柱子抗压的各种问题。安装在连接板上的卡座用于安放上支座，且卡座位于上压板的中心位置。下支座安放在下压板上，对中尺对中下支座，安装柱子试件时，确保支座的位置在中心点上。卸载时，支座落在卡座上，升起横梁即可方便取下试件，确保了试验的安全。该试验辅助装置简单实用，既可以应用于《结构试验》教学，也可以应用于科研试验，还可应用于土木工程检测等。