50 MN結(jié)構(gòu)試驗(yàn)反力架的研制和分析

孟仲永　杜新喜　許　俊　劉志軍

(武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院　武漢　430072)

50MN結(jié)構(gòu)試驗(yàn)反力架的研制和分析

孟仲永杜新喜許俊劉志軍

(武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院武漢430072)

摘要：由于結(jié)構(gòu)試驗(yàn)試件結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多變、受力狀況復(fù)雜，大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)反力架的設(shè)計(jì)需充分考慮試件的結(jié)構(gòu)形式、試件受荷狀況、試驗(yàn)場(chǎng)地的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性等因素，是一項(xiàng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)了加載能力達(dá)50 MN的三維空間鋼結(jié)構(gòu)反力架，并用大型有限元軟件ANSYS對(duì)反力架進(jìn)行了靜力分析，揭示了反力架在豎向最大模擬加載情況下應(yīng)力、變形分布情況，找出反力架在強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié)和富裕部位，為大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)反力架設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù).

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)試驗(yàn)；反力架；有限元分析；ANSYS；靜力分析

孟忠永(1990- )：男，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件開發(fā)

0引言

在土木工程的學(xué)術(shù)研究中，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是結(jié)構(gòu)受力性能研究的重要手段.結(jié)構(gòu)試驗(yàn)不僅能驗(yàn)證結(jié)構(gòu)形式是否合理、力學(xué)分析是否正確，而且能夠?yàn)榻⑿碌姆治瞿Ｐ秃凸こ汤碚撎峁┙Y(jié)構(gòu)特性參數(shù)，對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等起著重大作用.隨著建筑業(yè)的發(fā)展，大跨度空間結(jié)構(gòu)、大型組合結(jié)構(gòu)的社會(huì)需求和工程應(yīng)用逐年增加，大型節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件隨之更多地被設(shè)計(jì)采用，建筑業(yè)對(duì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)提出了越來越高的要求[1].大型節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)、足尺結(jié)構(gòu)試驗(yàn)以及大型結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)等均需要在具有更大加載能力的試驗(yàn)裝置上進(jìn)行.

北京工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制作了40MN多功能電液伺服加載試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過不同位置高度的鍵槽來升降上橫梁，即可適應(yīng)不同高度的試件[2].同濟(jì)大學(xué)共投入600萬元建成了10MN大型多功能結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)，垂直加載行程為±300mm.具有獨(dú)創(chuàng)的跟動(dòng)伺服控制模式和高5m、長(zhǎng)4m、寬2m的試驗(yàn)空間[3].清華大學(xué)研制了20MN三向大型加載設(shè)備，該裝置可對(duì)長(zhǎng)6m、寬6m、高8m的工程構(gòu)件或結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維的、任意位置的電液伺服協(xié)調(diào)加載，垂向加載力可達(dá)20MN，水平加載力可達(dá)3MN[4].各加載裝置都有其適用性，但結(jié)構(gòu)試驗(yàn)種類繁多、構(gòu)件尺寸、荷載差別大等因素使得加載裝置都有一定的局限性.

在總結(jié)部分高校及科研單位現(xiàn)有大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)加載裝置的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)下科研、教學(xué)對(duì)加載裝置能力的需要，設(shè)計(jì)了最大加載噸位達(dá)50MN、框架凈空達(dá)6m×4m、配有6m×6m鋼結(jié)構(gòu)臺(tái)座的大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)反力架.參照國(guó)內(nèi)外部分現(xiàn)有加載反力架結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)過反復(fù)計(jì)算、分析最終確定此設(shè)計(jì)方案，并用ANSYS對(duì)其進(jìn)行了有限元靜力分析，驗(yàn)證了反力架的強(qiáng)度和剛度.

1裝置結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

武漢大學(xué)土木工程實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)配備有一個(gè)864m2的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)大廳、華中地區(qū)最大的L形反力墻，擁有日本公司生產(chǎn)的真三軸材料試驗(yàn)機(jī)、美國(guó)生產(chǎn)的電液伺服控制應(yīng)力路徑動(dòng)三軸儀(stx-200)、富麗通達(dá)公司生產(chǎn)的電液伺服液壓系統(tǒng)、大噸位的現(xiàn)代化預(yù)應(yīng)力施工檢測(cè)設(shè)備等大型儀器設(shè)備.通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)反力架、加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料，再結(jié)合本校結(jié)構(gòu)試驗(yàn)大廳的現(xiàn)狀及學(xué)院的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，最終設(shè)計(jì)如下反力架方案：該方案反力架由鋼結(jié)構(gòu)臺(tái)座基礎(chǔ)、柱、梁3大部分組成，構(gòu)成了一個(gè)能夠三維加載的自平衡受力系統(tǒng).鋼結(jié)構(gòu)總重158.2 t，其中臺(tái)座73.3 t，4根柱共重56.4 t，梁29.5 t.該反力架建成后能承做以下幾種試驗(yàn)：(1)足尺節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)；(2)靜載試驗(yàn)；(3)梁柱試驗(yàn)；(4)擬靜力試驗(yàn).

反力架主要擬定技術(shù)參數(shù)如下：(1)框架凈空,高6m、寬4m；(2)臺(tái)座,平面6 000mm×6 000mm，地下室高度2m，通行孔為500mm×1 080mm；(3)千斤頂，最大加載噸位50MN，油缸內(nèi)徑800mm、外徑1 000mm、最小高度700mm，行程150～200mm，自重45MN；(4)框架豎平面內(nèi)(梁、臺(tái)座)，豎向壓力50MN(中部)、25MN(端部)，豎向拉力螺栓控制；(5)框架豎平面內(nèi)(梁、臺(tái)座)，抗彎能力120MN·m，抗剪能力30MN；(6)單孔螺栓拉力，500kN(梁、臺(tái)座)，250kN(柱框架內(nèi))，50kN(柱其他向，如需提高增加肋板).

1.1臺(tái)座的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)試驗(yàn)反力加載裝置要求加載柱固定于反力地板上，試件所受的力傳至反力地板上.由于試驗(yàn)地板受力不能太大，故只能進(jìn)行數(shù)百噸荷載試驗(yàn)，加載能力受限于試驗(yàn)地板的承載力[5].為提高反力架適用性，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)6m、寬6m、深2m鋼結(jié)構(gòu)臺(tái)座基礎(chǔ)，內(nèi)部設(shè)有過人通行孔，面板上均勻布置有間距250mm、60mm孔洞，單孔螺栓承載力為500kN，可方便地在進(jìn)行各種試驗(yàn)時(shí)提供反力或者固定試驗(yàn)輔助構(gòu)件.臺(tái)座的設(shè)計(jì)使得裝置加載能力不限于已有試驗(yàn)地板承載力，并且可以方便地在框架平面內(nèi)、平面外提供反力，加載方式更加靈活，實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件的三維加載.

臺(tái)座上表面與地面標(biāo)高一致，頂板厚80mm，頂板上均勻布置有直徑50mm螺栓孔，孔間距250mm(局部有變動(dòng)).臺(tái)座內(nèi)部肋板厚度有20,40mm2種，主要可以分為2層：上層肋板高500mm，橫向縱向均勻布置，與臺(tái)座頂板連接以增加臺(tái)座頂板剛度；下層肋板連接上層肋板與臺(tái)座底板，留有通行孔供試驗(yàn)時(shí)人員通行.框架平面內(nèi)柱子中間區(qū)域?yàn)橹饕芎蓞^(qū)域，肋板有一定加強(qiáng).臺(tái)座平面圖見圖1.

臺(tái)座下層肋板布置圖及通行示意圖見圖2.

1.2柱的設(shè)計(jì)

柱采用雙腹板箱形截面，內(nèi)部可通行.柱共4根，截面構(gòu)造均相同，截面長(zhǎng)度為1.8m、寬0.6m，內(nèi)側(cè)翼緣厚80mm，外側(cè)翼緣厚40mm，兩塊腹板厚30mm，中間還布置有一道20mm柱長(zhǎng)度方向肋板以增強(qiáng)剛度.腹板、翼緣上布置有螺栓孔.柱總高度為10m，底部與臺(tái)座相連，臺(tái)座上的高度為8m.柱截面圖見圖 3.

圖1　臺(tái)座平面圖

圖2　臺(tái)座下層肋板布置及通行示意圖

圖3　柱截面圖

1.3梁的設(shè)計(jì)

在最初設(shè)計(jì)中，曾構(gòu)想將梁設(shè)計(jì)為可垂直升降，但由于橫梁自重大，且可能承受的荷載噸位大，橫梁的固定、升降、連接都是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，最終梁升降方案沒有實(shí)現(xiàn).梁截面為亦箱型截面，截面高2 000mm、寬1 560mm.上、下翼緣厚度80mm，腹板厚50mm，內(nèi)部布置有40mm厚肋板，肋板中間留有600mm×1 090mm通行孔.上、下翼緣板均布置有直徑50mm、間距250mm螺栓孔，試驗(yàn)時(shí)可穿過鋼絞線通過梁頂放置的穿心千斤頂為試驗(yàn)提供拉力.梁截面圖見圖4.

圖4　梁截面圖

2有限元分析

為了保證反力架能夠滿足試驗(yàn)強(qiáng)度和剛度要求，以及試驗(yàn)過程中人員的安全、試驗(yàn)結(jié)果的精度、反力架本身的安全，必須對(duì)反力架進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析.在此基礎(chǔ)上，對(duì)反力架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的過程中，通常是應(yīng)用靜力試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載試驗(yàn)，主要原因是大部分的建筑結(jié)構(gòu)在使用中承受的都是靜力荷載[6].反力架在實(shí)際使用過程中可能需要對(duì)試件施加多種工況，在設(shè)計(jì)計(jì)算中主要考慮了梁、臺(tái)座承受豎向最大50MN荷載和一側(cè)兩根柱子中部共同承受10MN水平荷載兩種工況.經(jīng)分析對(duì)比，水平荷載工況結(jié)構(gòu)受力變形較豎向荷載工況較小，限于篇幅，只列出50MN豎向荷載工況有限元分析結(jié)果.

該反力架采用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)加載裝置進(jìn)行靜力分析，板件全部采用solid185實(shí)體單元建模.鋼材鋼號(hào)為Q345，材料密度7 850kg/m3，彈性模量為206GPa，泊松比為0.3.建模時(shí)，在盡量保證力學(xué)效果與實(shí)際相符的情況下，為了便于分析計(jì)算，采取了以下原則：(1)反力架配套的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、試驗(yàn)輔助構(gòu)件在裝置模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)主體尺寸一致，但忽略了對(duì)分析沒有影響的結(jié)構(gòu)和特征，忽略裝置上布置的直徑50mm的螺栓孔，忽略梁頂板及柱子底部的通行孔；(2)不考慮焊縫的影響，假設(shè)焊縫材料與母體有相同的力學(xué)性能，焊縫與母體為一個(gè)整體，且無焊接缺陷.

網(wǎng)格劃分是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)， 網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算進(jìn)度.由于裝置結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，內(nèi)部不同尺寸板件繁多，網(wǎng)格劃分時(shí)全部采用四面體自由網(wǎng)格劃分，控制單元最大尺寸200.最終計(jì)算得出有限元模型共有節(jié)點(diǎn)47 927個(gè)，單元156 544個(gè).

在臺(tái)座上表面、梁下表面中心區(qū)域定義兩個(gè)加載面(面積為2 060mm×1 560mm)，作為50MN豎向荷載的作用區(qū)域，將其力轉(zhuǎn)化為均布荷載作用在加載面上.再輸入豎直方向的重力加速度，ANSYS可根據(jù)前處理塊中所定義的材料密度，自動(dòng)計(jì)算重力作用.加載裝置設(shè)計(jì)采用內(nèi)力自平衡方式，因此只在底部中心小塊區(qū)域施加約束，定義約束面為臺(tái)座底板底面幾何中心小塊矩形區(qū)域，自由度全部約束.

3計(jì)算結(jié)果及分析

3.1應(yīng)力分析

整個(gè)模型、荷載、約束對(duì)稱布置，應(yīng)力、變形分析結(jié)果亦成對(duì)稱分布，模型的一半應(yīng)力分布如圖6所示，最大vonMises應(yīng)力為476.4MPa，位于梁中間內(nèi)部豎向肋板相連拐角處，因?yàn)?(1)此處為荷載直接作用區(qū)域，且梁的剛度相小于臺(tái)座剛度，所以梁內(nèi)應(yīng)力較大；(2)此處結(jié)構(gòu)的幾何形狀有突變，導(dǎo)致應(yīng)力集中.兩方面原因致使此處的反力值很大，需要采取一定加固措施，如加密、加厚該區(qū)域肋板.

選取局部單元查看應(yīng)力分析結(jié)果可得：柱最大vonMises應(yīng)力約為200MPa，受力相對(duì)較小.梁腹板最大vonMises應(yīng)力為345.9MPa，對(duì)稱分布于靠近柱子兩側(cè)，亦需要采取加固措施，可適當(dāng)加厚板件厚度.

臺(tái)座肋板應(yīng)力分布云圖見圖5，框架平面內(nèi)肋板應(yīng)力較大，最大vonMises應(yīng)力為332.1MPa.

圖5　臺(tái)座肋板von Mises應(yīng)力云圖(MPa)

3.2變形分析

反力裝置的強(qiáng)度應(yīng)大于試體的強(qiáng)度,并應(yīng)有數(shù)倍的安全儲(chǔ)備,但設(shè)計(jì)反力裝置時(shí),強(qiáng)度往往不是主要控制因素,因?yàn)榉戳ρb置一旦滿足變形要求,其強(qiáng)度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所需要的強(qiáng)度[7].本裝置整體的變形云圖見圖6，由圖6可見，變形的分布概況以及最大變形值.最大變形為11.8mm，位于在荷載作用區(qū)域梁中間內(nèi)部肋板，沿荷載作用方向.其中，柱自身受荷伸長(zhǎng)3.6mm，則梁自身的最大變形為8.2mm.臺(tái)座最大變形約為2.8mm，位于與柱連接區(qū)域.

反力架在極限荷載下工作，反力架的強(qiáng)度和變形值整體上基本滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，但在局部上需要采取一定加強(qiáng)措施，并對(duì)反力架的強(qiáng)度和剛度作進(jìn)一步復(fù)核.

圖6　整體變形云圖

4結(jié)束語

在總結(jié)部分高校及科研單位大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，并對(duì)許多已完成的大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，針對(duì)試驗(yàn)中遇到的不便以及欠缺之處，設(shè)計(jì)了此50MN大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)反力架.在現(xiàn)有反力架方案的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)者只需要目標(biāo)明確，針對(duì)具體實(shí)驗(yàn)試件結(jié)構(gòu)形式、受荷狀況設(shè)計(jì)制作一些輔助構(gòu)件，反力架的安裝完成可為結(jié)構(gòu)試驗(yàn)提供很好的平臺(tái).反力架加載能力突出，結(jié)構(gòu)形式合理，有廣泛的應(yīng)用前景.研究分析結(jié)果可為大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)反力架設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考依據(jù).

參 考 文 獻(xiàn)

[1]卜德嶺. 空間結(jié)構(gòu)大型節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)全方位加載系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[2]張娥. 特大型多功能結(jié)構(gòu)試驗(yàn)加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2005.

[3]沈祖炎，郭小農(nóng).10 000kN大型多功能結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)加載性能檢驗(yàn)試驗(yàn)和分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2006，22(4): 54-59.

[4]清華大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所，北京佛力系統(tǒng)公司. 大型結(jié)構(gòu)多功能空間加載裝置的研制[C].土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與檢測(cè)技術(shù)暨結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課教學(xué)研討會(huì)論文集,2006：364-370.

[5]劉方，竇立軍.大型結(jié)構(gòu)多功能加載試驗(yàn)反力架的研究與設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)， 2009，10(3): 13-16.

[6]邢晨曦,管東芝.自內(nèi)力加載裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].工程與試驗(yàn)， 2010， 50(2): 68-70.

[7]陳瑜,江文雅.大比例結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)的加載裝置設(shè)計(jì)實(shí)例[J].建筑科學(xué)，1995(1): 12-16.

中圖法分類號(hào)：TU391

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.043

收稿日期：2014-04-20

ResearchandAnalysisofthe50MN
StructureCounterforceFrame

MENGZhongyongDUXinxiXUJunLIUZhijun

(School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan University,Wuhan 430072,China)

Abstract：Because of the complexity of the structure and the stress state of the test specimen, the designing of the large counterforce frame structure should give full consideration to the structure of the specimens, the specimens’ load conditions, the test site environment, economy and other factors,it’s a complex structure design. The paper designs a three-dimensional space steel counterforce frame with the load capacity of 50 MN,and the static analysis has been carried on the frame by using the large- scale finite element software ANSYS, reveals the distribution of the stress and deformation when the counterforce frame is under the maximum vertical load,finds out the weak links and rich place of the counterforce frame on the strength and rigidity design, provides the basis for design and optimization of the large structure counterforce frame.

Key words：structural testing；counter force frame；finite element analysis；ansys；static analysis