基于自平衡加載裝置的空間節(jié)點(diǎn)加載試驗(yàn)設(shè)計(jì)

王可怡，朱文正，王富慶

(1.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣州 510006； 2.河南中原黃金建筑安裝工程公司，河南 三門峽 472000)

·實(shí) 驗(yàn) 技 術(shù)·

基于自平衡加載裝置的空間節(jié)點(diǎn)加載試驗(yàn)設(shè)計(jì)

王可怡1，朱文正1，王富慶2

(1.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣州 510006； 2.河南中原黃金建筑安裝工程公司，河南 三門峽 472000)

對現(xiàn)有用于空間節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)的自平衡加載裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了空間復(fù)雜節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)的試驗(yàn)驗(yàn)證。介紹了節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)加載方案的確定、加載設(shè)備的設(shè)計(jì)改進(jìn)方法以及試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的安裝布置等。實(shí)踐證明，對自平衡加載裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)改進(jìn)可以滿足多種空間復(fù)雜節(jié)點(diǎn)加載試驗(yàn)的需求，拓寬了自平衡加載裝置的用途和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

空間節(jié)點(diǎn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；試驗(yàn)裝置；自平衡加載裝置；改進(jìn)設(shè)計(jì)

空間復(fù)雜節(jié)點(diǎn)是空間結(jié)構(gòu)的基本組成單元，其構(gòu)成形式復(fù)雜。反力墻加載系統(tǒng)通常只能完成其彈性階段的受力性能試驗(yàn)[1]，難以研究其在彈塑性階段的受力狀態(tài)和極限承載能力。

為開展空間復(fù)雜節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)的研究，國內(nèi)外學(xué)者設(shè)計(jì)制作了形式和功能各異的自反力平衡加載裝置。

日本東京大學(xué)設(shè)計(jì)制作了內(nèi)徑2.6 m、外徑3.6 m的箱形截面環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)加載裝置，最大加載量為1 200 kN[2]；張禁[3]設(shè)計(jì)制作了內(nèi)外徑分別為4.0 m和6.6 m的多功能鋼結(jié)構(gòu)加載環(huán)，最大加載量為4 000 kN；武振宇等[4]設(shè)計(jì)了一個(gè)可用于平面和特定空間節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)加載的L型反力架；韓小雷等[5]設(shè)計(jì)制作的適合平面和幾種空間節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)加載裝置，由一個(gè)平面矩形鋼架和一個(gè)位于中部并垂直于其短邊的豎直門式鋼架組成。這些裝置都是針對某一構(gòu)造型式的節(jié)點(diǎn)制作，不太適合其他型式構(gòu)件的試驗(yàn)研究。

本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，用于空間異型節(jié)點(diǎn)的加載試驗(yàn)，以拓展實(shí)驗(yàn)室教學(xué)實(shí)驗(yàn)的范圍[6-9]。

1 裝置加載方案

1.1 試驗(yàn)荷載

根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的桿件力，并考慮試驗(yàn)研究的需求，計(jì)算出各個(gè)桿件加載,見表1。由于多個(gè)桿件同步加載較難實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)采用部分桿件加載，其余桿件分別約束的方案[10]。

試驗(yàn)最大加載荷載為1.6倍的設(shè)計(jì)值。DKYY節(jié)點(diǎn)(足尺模型)的有限元分析表明，對桿件6-1和6-3施加主動力而其他桿件被動受力時(shí)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)力與其在最不利荷載作用下的設(shè)計(jì)值基本一致，桿6-1和6-3施加的荷載以及其他桿件的約束見表1。

DKKI節(jié)點(diǎn)(二分之一縮尺模型)中桿1、2、7、8和12施加的荷載以及其他桿件的約束見表2。

表1 DKYY節(jié)點(diǎn)桿件加載與約束 kN

表2 DKKI節(jié)點(diǎn)桿件加載與約束 kN

1.2 加載裝置

本文對實(shí)驗(yàn)室中的10 000 kN鋼結(jié)構(gòu)自平衡加載裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鋼節(jié)點(diǎn)試件的空間加載試驗(yàn)。

加載裝置還包括兩個(gè)工字型梁、三組自平衡組合反力梁以及多個(gè)加載連接件，如圖1所示，通過以上構(gòu)件的組合即可進(jìn)行空間復(fù)雜異型節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)。

圖1 附屬加載裝置

2 節(jié)點(diǎn)加載裝置設(shè)計(jì)

2.1 DKYY加強(qiáng)型相貫節(jié)點(diǎn)

DKYY節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)，考慮反力架的空間要求以及節(jié)點(diǎn)的尺寸問題，在安裝前截短部分支桿，以使反力裝置的空間能夠容納節(jié)點(diǎn)；將節(jié)點(diǎn)安裝就位于反力裝置中，該步驟需考慮兩邊千斤頂?shù)奈恢?、豎向桿2的位置、千斤頂?shù)某叽绲纫蛩?。桿1(主管)支承在放置在反力裝置下的反力梁上，反力裝置與反力梁之間設(shè)置墊塊；由于桿7與垂直于主管的平面有約35°夾角，安裝時(shí)垂直其端部水平焊接一根反力梁，反力梁通過兩根承壓梁與反力裝置連接，以承受桿7的拉力。加載裝置安裝如圖3和圖4所示。

圖2 DKYY加強(qiáng)型相貫節(jié)點(diǎn)

圖3 節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)平面圖

圖4 安裝平面圖1-1剖面圖

2.2 DKKI加強(qiáng)型相貫節(jié)點(diǎn)

DKKI節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖5所示。

圖5 DKKI加強(qiáng)型焊接鋼板節(jié)點(diǎn)

因桿2、桿8和桿12的內(nèi)力為拉力，將它們分別焊接在如圖6所示的組合反力架上，千斤頂置于反力裝置外側(cè)上。

圖6 DKKI加強(qiáng)型相貫節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)裝配圖

3 結(jié)束語

通過對反力架自平衡加載裝置的設(shè)計(jì)改進(jìn)，可以用于多種空間復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的空間加載，真實(shí)地模擬節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)，適用于空間節(jié)點(diǎn)各階段受力狀態(tài)和極限承載能力的研究。本研究拓展了自平衡加載裝置的用途和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

[1]過鎮(zhèn)海,王宗剛,聶建國，等.大型結(jié)構(gòu)多功能空間加載裝置的研制[C].陳志鵬，王宗綱，聶建國.土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與檢測技術(shù)暨結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課教學(xué)研討論文集，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006：364-370.

[2]張禁. 多功能加載裝置的研制及在圓管節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)中的應(yīng)用[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2003.

[3]張禁,張文元,張耀春. 多功能加載裝置的研制和應(yīng)用[J].工業(yè)建筑,2004(3):40-43.

[4]武振宇,張壯南,丁玉坤，等.K型、KK型間隙方鋼管節(jié)點(diǎn)靜力工作性能的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2004，25(2)：32-38.

[5]韓小雷,黃超,方小舟，等. 廣州西塔巨型斜交網(wǎng)格空間相貫節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2010, 31(1):63-69.

[6]張有聲.關(guān)于我國工程教育培養(yǎng)目標(biāo)的思考[J]. 清華大學(xué)教育研究，2003(4):8-10.

[7]毛祖桓.如何培養(yǎng)工科大學(xué)生的創(chuàng)新精神與能力[J].中國高等教育，2000(13/14)：38-39.

[8]王閣.內(nèi)置加強(qiáng)板加強(qiáng)型空間圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)靜力性能試驗(yàn)研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2008.

[9]邱志恒.加強(qiáng)型空間圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究及數(shù)值分析[D].廣州：廣州大學(xué)，2008.

[10]張季超,易和,李霆，等.巨型鋼框架中加強(qiáng)型半球節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010,40(8):38-41.

Improved Design of Self-balanced Loading Devices for Spatial Connections

WANG Keyi1，ZHU Wenzheng1，WANG Fuqing2

(1. School of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China; 2. He’nan Central Gold Construction Installation Engineering Co., Sanmenxia 472000, China)

The self-balanced loading device was revised to fulfill the loading tests of the nodes of a certain major project. The test methods, loading layout and the design of connecting elements were discussed. It is demonstrated that loading tests for many spatial connections can be fulfilled using self-balanced loading device with appropriate changes.

spatial connection; experiment teaching; test device; self-balanced loading device; improved design

2013-12-09；修改日期: 2014-03-16

廣東省科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2011A030200019)。

王可怡(1959-)，女，學(xué)士，高級實(shí)驗(yàn)師，主要從事結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

朱文正(1971-)，男，博士，副教授，研究方向：橋梁抗震與加固。

TU242.5

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.001