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专利名称：一种单向支座剪力测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及剪力测量装置，具体的说是涉及一种能测量动力过程中固端支座或铰接支座处单向支座剪力的测量装置，以及利用该装置进行单向支座剪力测量的方法。
背景技术：
近年来，实时耦联动力试验方法得到了快速发展。实时耦联动力试验方法是一种 新型结构动力试验方法，测量支座处水平剪力是这种实验方法常用的一项技术要求。目前， 公知的测量支座剪力的方法是应变测量法。该方法仅适用于支座处局部应变便于测得的弹 性杆件结构，测量器材包括顶部荷载施加装置、金属应变片、导线、数据采集终端。金属应 变片贴在支座处杆件的两侧，用导线连接到数据采集终端。当结构在动力荷载作用下发生 变形，金属应变片测出支座处的局部应力，传给数据采集终端。采集若干组数据，拟合得出 应力应变曲线。在实际的试验中测出应变，在该曲线上反求出应力，继而算出支座剪力。

发明内容
为了克服现有的应变测量方法适用条件有限、标定过程太过繁琐、工作量大的不 足，本发明专利提供一种单向支座剪力测量装置。本发明采用的第一种技术方案为两根平行的线性滑轨固定在底板上，滑块固定 在顶板的背面，且滑块与线性滑轨配合，使顶板沿线性滑轨做水平运动，以去掉水平方向的 单向约束；承力钢板竖直固定在底板上，且线性滑轨与承力钢板垂直；金属棒水平安装，金 属棒的两端分别与顶板侧面、承力钢板连接，顶板沿线性滑轨水平运动，通过测量金属棒的 应变，计算出金属棒的轴力求得支座剪力；加速度计置于与安装金属棒的顶板侧面相对的 侧面；金属棒的中部贴有应变片，应变信号通过导线传入数据采集系统。使用第一种技术方案所述的单向支座剪力测量装置进行单向支座剪力测量的方 法，包括以下步骤(1)将所述单向支座剪力测量装置安装在待测模型和原支座之间，待测模型固定 于顶板上，底板固定于原支座上；(2)通过应变片测出金属棒的形变量ε工，通过加速度计测出顶板的加速度a，测量 金属棒的横截面积A和顶板的质量m ；(3)通过公式Fm =EAe !+ma+μ mg，即可得到单向支座剪力Fm，其中E为金属 棒的弹性模量，μ为滑块与线性滑轨之间的摩擦系数。本发明的第二种技术方案为两根平行的线性滑轨固定在底板上，滑块固定在顶 板的背面，且滑块与线性滑轨配合，使顶板沿线性滑轨做水平运动；承力钢板为倒置的“L” 形，竖直固定在底板上，且线性滑轨与承力钢板垂直；金属棒采用竖直安装方式，顶板靠近 承力钢板的一侧设置两个不完整的圆形孔洞，所述圆形孔洞的圆心角大于180°且小于 330°，同时所述圆形孔洞的半径等于所述金属棒的半径；金属棒穿过顶板上的孔洞，其上 端与承力钢板固定连接，下端与底板固定连接；金属棒的中部一部分位于顶板的不完整圆形孔洞内，另一部分凸出，在金属棒凸出的部分粘贴应变片；顶板沿线性滑轨水平运动，通 过测量金属棒的应变，计算出金属棒的剪力求得支座剪力。所述顶板上不完整圆形孔洞的圆心角为240° -300°。使用第二种技术方案所述的单向支座剪力测量装置进行单向支座剪力测量的方 法，包括以下步骤(1)按上述技术方案中的记载安装金属棒；
(2)通过应变片测出金属棒的形变量ε 2，通过加速度计测出顶板的加速度a，测量 金属棒的横截面积A、长度1、直径d和顶板的质量m ；(3)通过公式 2+腿+ Wg，即可得到单向支座剪力Fm2，其中E为金 属棒的弹性模量，μ为滑块与线性滑轨之间的摩擦系数。本发明的第三种技术方案为两根平行的线性滑轨固定在底板上，滑块固定在顶 板的背面，且滑块与线性滑轨配合，使顶板沿线性滑轨做水平运动；金属棒竖直安装，金属 棒的上端固定在顶板的下表面，下端固定在底板的上表面，应变片贴在金属棒的底部形变 最大处；顶板沿线性滑轨水平运动，通过测量金属棒的应变，计算出金属棒的剪力求得支座 剪力。使用第三种技术方案所述的单向支座剪力测量装置进行单向支座剪力测量的方 法与第二种技术方案的单向支座剪力测量方法相同以上三种技术方案中，所述顶板与底板之间还采用滚珠或滑移支座方式代替滑轨 方式，从而去掉顶板在水平方向的单向约束。以上三种技术方案中，所述金属棒使用的材料包括铝合金、钛合金、铜合金、普通 碳素钢和合金钢。本发明专利的有益效果是该测量装置适用于任何结构，可以省去施荷、标定的繁 琐过程，只需将该装置安装在模型和原支座之间，就可以测出支座处的水平剪力；测量结果 经实际振动台实验检验，最大误差为4%，平均误差为3%，符合实验精度要求；结构简单， 成本低廉，市场竞争力强。


图1为所述第一种技术方案的结构示意图；图2为所述第二种技术方案的结构示意图；图3为所述第二种技术方案的金属棒与顶板接触部位的俯视图；图4为所述第三种技术方案的结构示意图。图中标号1-顶板；2底板；3-滑块；4-线性滑轨；5-承力钢板；6-金属棒；7-应变片；8-加 速度计。
具体实施例方式本发明提 供了一种能测量动力过程中固端支座或铰接支座处单向支座剪力的测 量装置，以及利用该装置进行单向支座剪力测量的方法，下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明。实施例1如图1所示，两根平行的线性滑轨4固定在底板2上，滑块3固定在顶板1的背面，且滑块3与线性滑轨4配合，使顶板1沿线性滑轨4做水平运动，以去掉水平方向的单向约 束；承力钢板5竖直固定在底板2上，且线性滑轨4与承力钢板5垂直；金属棒6水平安装， 金属棒6的两端分别与顶板1侧面、承力钢板5连接，加速度计8置于与安装金属棒6的顶 板侧面相对的侧面；金属棒6的中部贴有应变片7，应变信号通过导线传入数据采集系统。将所述单向支座剪力测量装置安装在待测模型和原支座之间，待测模型固定于顶 板1上，底板2固定于原支座上，相当于去掉模型在水平单个方向的约束，将原支座变为滑 移支座，将测支座剪力转化成测金属棒6的轴力。通过应变片7测出金属棒6的形变量ε 1； 通过加速度计测出顶板1的加速度a，测量金属棒6的横截面积A和顶板1质量m。由材料 力学及运动学公式得到金属棒的轴力Fttl = EA ε ”顶板的惯性力I = ma，顶板与底板间的 摩擦力f = μ mg，则通过公式Fm = Ffi !+I+f = EA ε ^ma+μ mg,即可得到单向支座剪力F m，其中E为金属棒6的弹性模量，μ为滑块3与线性滑轨4之间的摩擦系数。实施例2如图2和图3所示，两根平行的线性滑轨4固定在底板2上，滑块3固定在顶板1 的背面，且滑块3与线性滑轨4配合，使顶板1沿线性滑轨4做水平运动；承力钢板5为倒置 的“L”形，竖直固定在底板2上，且线性滑轨4与承力钢板5垂直。金属棒6采用竖直安装 方式，顶板1靠近承力钢板5的一侧设置两个不完整的圆形孔洞，所述不完整的圆形孔洞的 圆心角大于180°且小于330°，以240° -300°为佳，在此实施例中所述圆心角取270° ； 同时所述不完整圆形孔洞的半径等于所述金属棒6的半径；金属棒6穿过顶板1上的孔洞， 其上端与承力钢板5固定连接，下端与底板2固定连接；金属棒6的中部一部分位于顶板1 的不完整圆形孔洞内，另一部分凸出，在金属棒6凸出的部分粘贴应变片7 ；顶板1沿线性 滑轨4水平运动，通过测量金属棒6的应变，计算出金属棒6的剪力求得支座剪力。按照实施例1的方式将测量装置与模型进行安装，并测量金属棒6的形变量ε 2， 顶板1的加速度a，金属棒6的横截面积A、长度1、直径d和顶板1的质量m。通过公式
Fm =^— + ma + Jumg，即可得至IJ单向支座剪力卩剪2。实施例3如图3所示，两根平行的线性滑轨4固定在底板2上，滑块3固定在顶板1的背面， 且滑块3与线性滑轨4配合，使顶板1沿线性滑轨4做水平运动；金属棒6竖直安装，金属 棒6的上端固定在顶板1的下表面，下端固定在底板2的上表面，应变片7贴在金属棒6的 底部形变最大处；顶板1沿线性滑轨4水平运动，通过测量金属棒6的应变，计算出金属棒 6的剪力求得支座剪力。按照实施例1的方式将测量装置与模型进行安装，单向支座剪力的测量及计算方 法与实施例2相同。
权利要求
一种单向支座剪力测量装置，其特征在于，两根平行的线性滑轨(4)固定在底板(2)上，滑块(3)固定在顶板(1)的背面，且滑块(3)与线性滑轨(4)配合，使顶板(1)沿线性滑轨(4)做水平运动，以去掉水平方向的单向约束；承力钢板(5)竖直固定在底板(2)上，且线性滑轨(4)与承力钢板(5)垂直；金属棒(6)水平安装，金属棒(6)的两端分别与顶板(1)侧面、承力钢板(5)连接，顶板(1)沿线性滑轨(4)水平运动，通过测量金属棒(6)的应变，计算出金属棒(6)的轴力求得支座剪力；加速度计(8)置于与安装金属棒(6)的顶板侧面相对的侧面；金属棒(6)的中部贴有应变片(7)，应变信号通过导线传入数据采集系统。
2. —种单向支座剪力测量装置，其特征在于两根平行的线性滑轨(4)固定在底板(2) 上，滑块⑶固定在顶板⑴的背面，且滑块⑶与线性滑轨⑷配合，使顶板⑴沿线性 滑轨⑷做水平运动；承力钢板(5)为倒置的“L”形，竖直固定在底板⑵上，且线性滑轨 (4)与承力钢板(5)垂直；金属棒(6)采用竖直安装方式，顶板(1)靠近承力钢板(5)的一 侧设置两个不完整的圆形孔洞，所述不完整的圆形孔洞的圆心角大于180°且小于330°， 同时所述不完整的圆形孔洞的半径等于所述金属棒(6)的半径；金属棒(6)穿过顶板(1) 上的孔洞，其上端与承力钢板(5)固定连接，下端与底板(2)固定连接；金属棒(6)的中部 一部分位于顶板(1)的不完整圆形孔洞内，另部分凸出，在金属棒(6)凸出的部分粘贴应变 片(7)；顶板(1)沿线性滑轨(4)水平运动，通过测量金属棒(6)的应变，计算出金属棒(6) 的剪力求得支座剪力。
3. 一种单向支座剪力测量装置，其特征在于两根平行的线性滑轨(4)固定在底板(2) 上，滑块⑶固定在顶板⑴的背面，且滑块⑶与线性滑轨⑷配合，使顶板⑴沿线性 滑轨(4)做水平运动；金属棒(6)竖直安装，金属棒(6)的上端固定在顶板(1)的下表面， 下端固定在底板(2)的上表面，应变片(7)贴在金属棒(6)的底部形变最大处；顶板(1)沿 线性滑轨(4)水平运动，通过测量金属棒(6)的应变，计算出金属棒(6)的剪力求得支座剪 力。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种单向支座剪力测量装置，其特征在于所述顶板 (1)与底板(2)之间还采用滚珠或滑移支座方式代替滑轨方式，从而去掉顶板(1)在水平方 向的单向约束。
5.根据权利要求2所述的一种单向支座剪力测量装置，其特征在于所述顶板(1)上 不完整圆形孔洞的圆心角为240° -300°。
6.根据权利要求1所述的一种单向支座剪力测量装置，其特征在于所述金属棒(6) 使用的材料包括铝合金、钛合金、铜合金、普通碳素钢和合金钢。
7. 一种使用权利要求1所述的单向支座剪力测量装置进行单向支座剪力测量的方法， 其特征在于，包括以下步骤将所述单向支座剪力测量装置安装在待测模型和原支座之间，待测模型固定于顶板 (1)上，底板(2)固定于原支座上；通过应变片(7)测出金属棒(6)的形变量ε工，通过加速度计测出顶板(1)的加速度a， 测量金属棒(6)的横截面积A和顶板⑴的质量m;通过公SFm =EAe i+ma+ymg，即可得到单向支座剪力Fm，其中E为金属棒(6)的 弹性模量，μ为滑块(3)与线性滑轨(4)之间的摩擦系数。
8. 一种使用权利要求2或3所述的单向支座剪力测量装置进行单向支座剪力测量的方法，其特征在于，包括以下步骤 安装金属棒(6)；通过应变片(7)测出金属棒(6)的形变量ε 2，通过加速度计测出顶板(1)的加速度a， 测量金属棒(6)的横截面积A、长度1、直径d和顶板⑴的质量m;通过公式<formula>formula see original document page 3</formula>，即可得到单向支座剪力 2，其中E为金属棒(6)的弹性模量，μ为滑块(3)与线性滑轨(4)之间的摩擦系数。
全文摘要
本发明涉及剪力测量装置，具体的说是涉及一种能测量动力过程中固端支座或铰接支座处单向支座剪力的测量装置，以及利用该装置进行单向支座剪力测量的方法。将所述单向支座剪力测量装置安装在待测模型和原支座之间，待测模型固定于顶板上，底板固定于原支座上，顶板可以沿滑轨在水平方向滑动，相当于去掉模型在水平单个方向的约束，将原支座变为滑移支座，将测支座剪力转化成测金属棒的轴力。本发明可以省去现有测量方法中标定求得应力应变曲线的繁琐过程，只需将该装置安装在模型和基础之间，就可以测出支座处的单向水平剪力。使用方便，且成本低廉，市场竞争力强。
文档编号G01L1/04GK101819075SQ20101016056
公开日2010年9月1日 申请日期2010年4月26日 优先权日2010年4月26日
发明者彭晓兰, 汪强, 王进廷, 金峰 申请人:清华大学