對中調平刀口鉸支座的設計

殷曉三++楊子勝++胡江春

摘 要：為了提高試驗精度和試驗進度，使試驗設計更好地模擬理論分析的受力情況和邊界條件，對刀口鉸支座的設計要求進行了論述，分別介紹了帶對中設備的雙向刀口鉸支座、帶調平設備和對中設備的雙向刀口鉸支座和多V形凹槽刀口鉸支座等設計方法。在分析這些設計方法優點和缺點的基礎上，提出了新的設計方法。新的設計方法對既有的設計方法進行了改進，使得對中設備和調平設備更為簡易，設計與制作更為簡捷和實用。

關鍵詞：刀口鉸支座 對中設備 調平設備

中圖分類號：TU18 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0001-02

結構試驗是驗證結構理論的有效方法，也是制定各類技術規范和標準的基礎，在工程結構科學研究和技術創新等方面起著重要作用。不斷地發展試驗技術，改進試驗方法，提高試驗精度，是結構試驗的客觀要求。為了提高試驗精度和試驗進度，使試驗設計更好地模擬理論分析的受力情況和邊界條件，該文旨在提出更為實用的刀口鉸設計方法。

1 受壓試件的安裝

鉸支座分為單向鉸支座和雙向鉸支座，進行短柱軸壓試驗時，如果試驗機上、下壓板其中一個設有球鉸支座，則試件端部不必設置鉸支座，與混凝土棱柱試件強度試驗方法相一致[1]。對于長細比較大的軸壓試件，為了控制試件的彎曲方向，更易于測得試件的撓度，通常設置較小的初始偏心距，因此與偏壓試件一樣需要刀口鉸支座。試件安裝時，上下刀口應在同一平面內，刀口的中心線應垂直于試件發生縱向彎曲所在平面，與荷載作用線重合。為了消除端部對試件整體破壞的影響，可以在偏壓試件端部設置牛腿。試件安裝時，需要幾何對中之后再進行物理對中。對于鋼筋混凝土和鋼-混凝土試件由于混凝土材料的不均勻性，難以實現物理對中，在實際試驗中僅需要幾何對中即可[2]。

2 刀口鉸支座設計要求

對于受壓試驗，為了減小支座對試件端部轉動摩擦以及在加載過程中出現荷載位置的錯動，應采用刀口鉸支座。其設計要求主要有強度、剛度和構造3方面。

（1）強度。刀口長度不應小于試件截面寬度，一般情況下，公板和母板常常做成方形板，截面尺寸相同。一般采用鋼材制作，宜優先采用工具鋼。刀口鉸公板和母板極限荷載的出現不能先于受壓試件。在滿足強度條件下，母板或公板截面邊長（為最大荷載值，為刀口鉸抗壓強度設計值）。

（2）剛度。傳遞荷載過程中刀口鉸支座不能產生較大變形，需具有足夠的剛度。剛度條件由厚度控制，（為試件抗壓強度設計值）。

（3）構造要求。為了滿足試件在能夠自由轉動和荷載的正確傳遞的要求，減小轉動摩擦，避免在加載過程中荷載位置的改變，公板的刀口鉸截面夾角宜為60°，母板V形凹槽截面夾角宜為90°，試件最大轉動角度為15°，由此可以確定加載前公板與母板最小距離。為了便于安裝試件，可以在公板與母板之間設置墊塊，試驗加載時取出墊塊。

3 刀口鉸支座的設計

3.1 帶對中設備的雙向刀口鉸支座

對于軸壓試驗最理想的支座為雙刀口鉸支座，它不僅用于軸壓試驗，也可以用于偏壓試驗。文獻[3]提供了一種帶對中設備的雙向刀口鉸支座設計方法。

如圖1所示，上鉸塊固定于上頂板上，上鉸塊和下鉸塊分別與中間板鉸接，下鉸塊固定于下底板的上面，在上鉸塊與中間板、下鉸塊與中間板的兩端設有保護板，起到固定和限位作用，可防止上鉸塊與下鉸塊在加載過程中彈出。上、下鉸塊與中間塊的上下垂直于中心的V形凹槽形成雙向刀口鉸，兩個垂直方向的轉動自由度的大小可通過中間板的V形凹槽的大小來限制。下底板設有4根螺栓，四側面開設有凹槽。對中設備包括一組擋板和調節板，四塊相互垂直的擋板均設有一個長槽孔和兩個螺紋孔，分別與調節板連接。下底板四周的螺栓與擋板的長槽孔配合，起到限位作用。每塊擋板上另裝有兩根固定螺桿和一根調節螺桿，調節好下底板位置之后，可用固定螺桿頂住下底板使之固定。調節板的上表面四周開設有凹槽用于安裝擋板，下底板與對中設備的調節板是相對可動的，只是靠螺栓與擋板的長槽孔進行配合。

進行受壓試驗時，對中設備的調節板固定安裝于壓力機上，試件安裝在雙向刀口鉸的上頂板上，試驗開始前，通過螺栓調節雙向刀口鉸的下底板的位置實現幾何對中和物理對中，調節完后用固定螺桿使之固定，即可開始試驗。

3.2 帶調平對中設備的雙向刀口鉸支座

為了提高對中效率和對中精度，文獻[4]提供了帶調平對中設備的雙向刀口鉸支座設計方法。如圖2所示，該裝置在刀口鉸支座的周邊依次設置有調平框和外框，調平框一側通過對中頂絲與刀口鉸支座的底板相連，調平框另一側通過連接板與外框相連，外框與壓力機連成一體；在上刀口和中刀口設有可調螺桿，上刀口的可調螺桿與中刀口相接觸，中刀口的可調螺桿與下刀口相接觸，上刀口上還有用于連接試件端板的連接螺桿。

對中時，根據試件的初始安裝位置，判斷刀口鉸支座的偏移方向，然后通過對中頂絲調節移動刀口鉸支座的底板。對中頂絲帶有螺紋，且螺紋連續、間距很小，故可以有效地控制刀口鉸支座的水平移動步距，可以連續地移動刀口鉸支座。試件放置前，利用可調螺桿將刀口鉸支座初步找平，利用水平尺配合可調螺桿精確調平刀口鉸支座。與對中調整裝置一樣，可調螺桿上的螺紋連續、間距很小，可以有效地控制刀口鉸支座調平時的移動步距，可以連續地調平刀口鉸支座。刀口鉸支座與試件端板連接時，通過連接螺桿實現，連接螺桿穿透試件端板與刀口鉸支座的上刀口的螺孔，將試件端板與刀口鉸支座連為一體。外框由角鋼焊接而成，調平框采用鋼板焊接而成，外框與調平框通過連接板焊接，在調平框的四邊鉆孔以安裝對中頂絲。將刀口鉸支座置于調平框中，使得刀口鉸支座與調平框同心，在刀口支座上的上刀口和中刀口鉆孔，以安裝調平螺桿。在刀口鉸支座的上刀口的中部鉆孔，用以連接試件端板。然后將外框與調平框及試驗機壓板連接。將試件通過連接螺桿連接在刀口鉸支座的上刀口上，通過對中頂絲對中后，再通過調節可調螺桿的螺桿長度，進一步調平刀口鉸支座，即可進行受壓試驗。endprint

3.3 多V形凹槽刀口鉸支座

如果刀口鉸支座母板僅有一個V形凹槽，當截面尺寸與試件截面尺寸接近時，僅能做軸壓試驗。為了提高刀口鉸支座的利用率，便于實現大型受壓試件軸壓試驗和偏壓試驗，可以將刀口鉸支座的母板設計成多V形凹槽。

如圖3所示，文獻[5]給出了一種多V形凹槽刀口鉸支座設計方法，該裝置包括刀口、多V形凹槽母板和柱帽，多V形凹槽公板包括板體本體和板體本體固定連接的多V形凹槽，多V形凹槽公板通過螺栓與柱帽固定連接。試件進行受壓試驗時，試件的上下端均設置多V形凹槽刀口鉸支座。當試件為軸壓試件時，刀口中心線位于多V形凹槽公板表面對應試件截面形心位置；當試件為偏壓試件時，刀口的中心線位于多V形凹槽公板相對構件的形心在水平方向上間隔e。刀口的中心線與試件截面形心在水平方向上的距離即為加載偏心距e。調整試件的偏心距時，只需要移動刀口在水平方向的位置即可。

4 刀口鉸支座設計的改進

文獻[3]給出了雙向刀口鉸支座的設計方法，設備組成較為復雜，對螺栓和螺孔的要求較為精密，不易加工，且無調平裝置。文獻[4]給出的雙向刀口鉸支座的設計方法，對中設備限于刀口鉸支座與試驗機之間，無試件與刀口鉸支座的對中設備。一般情況下，刀口鉸支座的自重較小，可以人工移動，刀口鉸支座對試驗機之間的對中設備可以省略，但增設了刀口鉸支座與壓力機的固定設備，提高了試驗的安全性。在調平設備中，需要對刀口鉸支座穿孔拔絲，加工工藝較為復雜，但設計思路較好，裝置組成較為簡單。文獻[5]提供了多V形凹槽刀口鉸支座設計思路，將該裝置固定于壓力機上，提高了試驗的安全性，該裝置較為簡單，但無對中調平設備。

以上3種刀口鉸支座的設計思路各有優缺點，綜合其優點舍去其缺點，提出了更為簡單實用的設計方法。如圖4所示，在母板上部四周邊緣焊接螺栓可以作為對中設備，在與刀口中線平行的兩側面焊接螺栓可以作為調平裝置。

試驗時，將刀口鉸支座公板與試驗機壓板對中，然后將母板的V形凹槽置于刀口之上，母板可以為單V形凹槽母板也可以為多V形凹槽母板，圖3為多V形凹槽母板。試件安裝前，旋轉調平螺旋便可實現水平度調節。安放試件后，旋轉對中螺旋，調整試件的位置，進行幾何對中和物理對中。對中完畢，不必松開對中螺栓，可以起到將試件固定于母板的作用，利于試驗的安全性。

在單刀口鉸支座設計基礎上還可以設計成雙刀口鉸支座，中間母板開設相互垂直于形心的V形凹槽，僅在平行于下部公板刀口中線兩側面焊接調平螺栓即可，在公板上部四周邊緣焊接對中螺栓，在平行于上部公板的刀口中線兩側焊接調平螺栓。調平對中方法與圖3相同。

當刀口鉸支座不常用于大型截面尺寸受壓試驗時，可以將母板的對中裝置做成活動裝置，將母板擴大為組合型母板。如果需要將刀口鉸支座固定用于壓力機承壓板之上，可以將圖2所示的調平框、連接板和外框等附屬設備設置于下部公板。

5 結語

受壓構件是分析構件力學性能的主要研究對象，為了更好地模擬理論分析中試件的邊界條件，要求刀口鉸支座減小對試件端部轉動摩擦，能夠正確地傳遞荷載，保證荷載位置不變。在介紹了幾種刀口鉸支座設計方法的基礎上，對既有的設計方法進行了改進，提出了更為簡單實用的設計方法。主要結論如下所示。

（1）刀口鉸支座應滿足在荷載作用下的強度、剛度和構造要求；

（2）試件的對中既耗時又耗力，為了提高試驗效率和試驗精度，應設置對中設備；

（3）為了防止試件安裝前的傾斜，應當設置水平調節設備，保證刀口鉸支座公板和母板均與試驗機壓板平行；

（4）文中提出的改進的設計方法具有對中設備和調平設備，設計更為簡單實用，便于加工。

參考文獻

[1] 劉明.土木工程結構試驗與檢測[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] 陳寶春，王來永，歐智菁，等.鋼管混凝土偏心受壓應力-應變試驗研究[J].工程力學，2003，20（6）：154-159.

[3] 蘇州筑邦測控科技有限公司.帶對中調節的雙向刀口鉸裝置：中國，CN201220095574.8[P].2012-12-19.

[4] 西安建筑科技大學.一種雙向刀口支座對中及調平試驗裝置：中國，CN2009100

23130.6[P].2009-12-9.

[5] 孟麗巖.一種試驗加載支座：中國，CN20

1220114934.4[P].2012-10-10.endprint