一种用于土木工程现场试验的竖向荷载加载装置

摘要

本发明公开了一种用于土木工程现场试验的竖向荷载加载装置，包括试验模型、钻孔灌注桩基础、预留孔道、钢垫板一、螺纹钢一、传力梁、铰接连接件、螺纹钢二、主反力梁、中空千斤顶、荷重传感器、倾斜角度传感器；本发明装置以钻孔灌注桩基础为反力部件，通过高强度精轧螺纹钢连接桩基础和上部装置，利用中空千斤顶反推主反力梁对试验模型施加荷载。本发明能满足土木工程现场试验的竖向荷载加载要求，并使用精轧螺纹钢连接加快加载装置建造速度，降低现场建造难度。本装置可灵活调整主反力梁安装高度，从而满足不同模型的测试要求。此外本发明装置可在试验模型受水平荷载发生位移时，稳定施加竖向荷载。

权利要求

1.一种用于土木工程现场试验的竖向荷载加载装置，其特征在于：包括试验模型（14）、钻孔灌注桩基础（1）、预留孔道（2）、钢垫板一（3）、螺纹钢一（4）、传力梁（5）、铰接连接件（6）、螺纹钢二（7）、主反力梁（8）、中空千斤顶（9）、荷重传感器（11）、倾斜角度传感器（12）；

所述钻孔灌注桩基础（1）的数量为四个，钢垫板一（3）预埋于钻孔灌注桩基础（1）的底部；钢垫板一（3）中心开孔并在背面焊有六角螺母，所述预留孔道（2）竖直设置在钻孔灌注桩基础（1）的轴线上，所述螺纹钢一（4）穿入预留孔道（2），其尾端穿过钢垫板一（3）与六角螺母连接；所述传力梁（5）安装于钻孔灌注桩基础（1）顶部并与螺纹钢一（4）固定，试验模型（14）设置在两个传力梁（5）之间，传力梁（5）上设有铰接连接件（6），并与一端带有铰连接接头的螺纹钢二（7）连接；所述螺纹钢二（7）竖直设置，所述主反力梁穿过螺纹钢二（7），横跨于试验模型的顶部，主反力梁（8）侧面设有倾斜角度传感器（12）；所述中空千斤顶（9）、荷重传感器（11）穿过螺纹钢二安装于主反力梁（8）顶部，荷重传感器（11）上方设有固定螺母连接螺纹钢二（7）。

2.根据权利要求1所述的一种用于土木工程现场试验的竖向荷载加载装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）试验时，中空千斤顶启动，反推主反力梁，对试验模型施加竖向荷载；

（2）当装置随试验模型水平位移偏转一定角度时，利用荷重传感器及倾斜角度传感器，计算出施加于试 验模型的竖直方向分荷载与水平方向分荷载，（3）修正中空千斤顶液压压力，保持竖直荷载的稳定加载。

说明书

一种用于土木工程现场试验的竖向荷载加载装置

技术领域

[0001] 本发明属于荷载试验加载技术领域，具体涉及一种用于土木工程现场试验的竖向荷载加载装置。

背景技术

[0002] 土‑基础‑结构相互作用是土木工程学科中的重大研究课题，几十年来一直引起国内外的广泛重视和研究。传统建筑桥梁等结构的设计计算基于刚性基础假定，将土体、基
础、结构作为彼此离散的独立单元进行静力平衡分析计算。但对于大型复杂结构的设计，沿
用传统刚性基础假定并不合理。近年来的研究结果证实，土体、基础、结构三者相互联系，相
互影响，应作为一个整体进行耦合分析。土‑基础‑结构相互作用涉及岩土工程、结构工程、
地震工程等多个领域，并包括非线性、大变形、接触面、局部不连续等诸多前沿研究课题。目
前对于土‑基础‑结构相互作用的研究方法主要有理论分析法和试验方法，其中现场试验方
法是研究土‑基础‑结构相互作用最有效的途径。现场试验能反映基础、结构在自然土体条
件下的工作性状，并对分析研究提供重要的理论依据和实际数据，从而推动相关研究工作
的深入。目前国内外针对土‑基础‑结构相互作用进行的现场试验非常有限，其中绝大多数
是通过施加单一竖向荷载或水平荷载对基础、结构的工作性状进行研究。但在地震、风、撞
击等作用下，竖向荷载和水平荷载会同时施加于基础和结构。故当前使用的现场试验方法
具有一定的局限性，未能完全反映基础、结构在复杂荷载下的真实工作性状。用于现场试验
的荷载加载装置建造难度大、投入多、周期长等问题，限制了相关现场试验的进行。另外，基
础、结构在水平荷载下会产生水平方向位移，当前现场试验竖向荷载加载装置少有考虑基
础、结构发生水平位移时稳定加载的要求。

发明内容

[0003] 为解决上述问题，本发明公开了一种用于土木工程现场试验的竖向荷载加载装置，该装置建造难度低、建造速度快，能根据不同土木工程结构模型测试的要求灵活调节荷
载加载高度；在模型发生水平位移时仍能维持稳定加载；通过多数部件的重复使用降低试
验投入。

[0004] 为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

[0005] 一种用于土木工程现场试验的竖向荷载加载装置，包括试验模型、钻孔灌注桩基础、预留孔道、钢垫板一、螺纹钢一、传力梁、铰接连接件、螺纹钢二、主反力梁、中空千斤顶、
钢垫板二、荷重传感器、倾斜角度传感器；所述钻孔灌注桩基础的数量为四个，钢垫板一预
埋于钻孔灌注桩基础的底部；钢垫板一中心开孔并在背面焊有六角螺母，所述预留孔道竖
直设置在钻孔灌注桩基础的轴线上，所述螺纹钢一穿入预留孔道，其尾端穿过钢垫板一与
六角螺母连接；所述试验模型放在地面上，所述传力梁安装于钻孔灌注桩基础顶部并与螺
纹钢一固定，试验模型设置在两个传力梁之间，传力梁上设有铰接连接件，并与一端带有铰
连接接头的螺纹钢二连接；所述螺纹钢二竖直设置，所述主反力梁穿过螺纹钢二，横跨于试
验模型的顶部，主反力梁侧面设有倾斜角度传感器；所述中空千斤顶、荷重传感器穿过螺纹
钢二安装于主反力梁顶部，荷重传感器上方设有固定螺母连接螺纹钢二；中空千斤顶反推
主反力梁，从而对试验模型施加竖向荷载。

[0006] 进一步的，所述中空千斤顶与荷重传感器之间设置钢垫板二。

[0007] 进一步的，所述螺纹钢一与螺纹钢二为高强度精轧螺纹钢。

[0008] 本发明的试验方法，包括以下步骤：

[0009] （1）试验时，中空千斤顶启动，反推主反力梁，对试验模型施加竖向荷载；

[0010] （2）当装置随试验模型水平位移偏转一定角度时，利用荷重传感器及倾斜角度传感器，计算出施加于模型的竖直方向分荷载与水平方向分荷载，

[0011] （3）修正千斤顶液压压力，保持竖直荷载的稳定加载。

[0012] 本发明的有益效果是：

[0013] 1.满足土木工程现场试验竖向荷载的加载要求。装置利用多根钻孔灌注桩基础提供满足土木工程现场试验要求的承载力；同时利用穿过预留孔道的高强度精轧螺纹钢将桩
顶拉拔力转移至桩底，并通过钢垫板以压力的形式施加于桩基础，从而避免在桩基础内产
生拉应力。

[0014] 2.方便建造。装置部件均使用精轧螺纹钢连接，可实现现场快速建造的目的；高强度螺纹钢在保证强度的前提下，减小了装置重量，从而降低吊装难度。

[0015] 3.可灵活调节荷载施加高度，实现对不同试验模型的通用化。装置主反力梁高度可随试验模型高度改变；通过调节固定螺母，可保证主反力梁位置与试验模型高度相匹配。

[0016] 4.能在模型发生水平位移时保持稳定加载。上部装置与基础通过铰连接相连，能随模型水平位移产生一定程度的倾斜，此时千斤顶仍可以通过主反力梁对试验模型进行加
载；所施加荷载的方向会随装置倾斜而偏转一定角度，但利用安装于千斤顶顶部的荷重传
感器及安装于主反力梁的倾斜角度传感器，可计算出施加于模型的竖直方向分荷载与水平
方向分荷载；根据加载计划修正千斤顶液压压力，即可实现竖直荷载的稳定加载。

[0017] 5. 可重复使用，降低试验成本。除桩基础及桩基础底部钢垫板外，其余部件均可在试验结束后重复使用；若需在同一场地测试多个模型，可在已有桩基础一侧添建一组桩
基础，重复使用已有桩基础的一侧，建造新加载装置。

附图说明

[0018] 图1为本发明装置正视图；

[0019] 图2为本发明装置侧视图；

[0020] 图3为本发明所述桩基础结构图及细节详图。

[0021] 附图标记列表：

[0022] 1‑钻孔灌注桩基础、2‑预留孔道、3‑钢垫板一、4‑螺纹钢一、5‑传力梁、6‑铰接连接件、7‑螺纹钢二、8‑主反力梁、9‑中空千斤顶、10‑钢垫板二、11‑荷重传感器、12‑倾斜角度传
感器、13‑固定螺母、14‑试验模型、15‑地面。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、
“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远
离特定部件几何中心的方向。

[0024] 本发明中，钻孔灌注桩基础1桩孔开挖前应准确定位，确保其与试验模型相对位置准确。钻孔灌注桩基础1应根据现场试验所需竖向荷载大小进行设计。桩基础中心间距应大
于2.5倍桩基础直径。

[0025] 本发明所述的一种用于土木工程现场试验的竖向荷载加载装置，具体建造过程如下：

[0026] 步骤1：将中心开孔并焊有六角螺母的钢垫板一3和用于预留孔道2的管道固定于桩基钢筋笼，并确保其位于钢筋笼中心位置；下放钢筋笼至桩孔内，灌注桩基础混凝土；灌
注过程中，应防止混凝土溢入预留竖直孔道的管道内。混凝土终凝后，穿过竖直预留孔道2，
将高强度精轧螺纹钢一4旋入桩基础底部六角螺母内；

[0027] 步骤2：传力梁5通过其开孔穿过高强度精轧螺纹钢一4，并放置于钻孔灌注桩基础1之上。在传力梁5上安装高强度铰接连接件6，从顶端张拉螺纹钢一4，使用螺母锚固，确保
传力梁5固定于钻孔灌注桩基础1之上；

[0028] 步骤3：利用其底端的铰接连接头，将高强度精轧螺纹钢二7与传力梁上的铰接连接件6相连；高强度精轧螺纹钢二7穿过主反力梁8两端的开孔，吊装主反力梁8至试验模型
14顶端，主反力梁8侧面设有倾斜角度传感器12；

[0029] 步骤4：将中空千斤顶9、钢垫板二10、荷重传感器11穿过高强度精轧螺纹钢二7，放置于主反力梁8上，旋入上方的固定螺母13，完成装置建造。

[0030] 试验时，中空千斤顶9反推主反力梁8，对试验模型14施加竖向荷载。当装置随试验模型14水平位移偏转一定角度时，利用安装于千斤顶底部的荷重传感器11及安装于主反力
梁的倾斜角度传感器12，计算出施加于试验模型14的竖直方向分荷载与水平方向分荷载，
并根据加载计划修正千斤顶液压压力，保持竖直荷载的稳定加载。

[0031] 本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。