一種大型全方位通用自平衡移動加載試驗系統(tǒng)

隋炳強 羅興隆 何樂洽

(1.上海寶冶集團有限公司,上海 201908； 2.福州大學，福建 福州 350001)

1 實驗室建設背景

大型節(jié)點試驗一般要求采用足尺空間結構模型，目前大多數(shù)加載裝置通用性差，試驗完成后隨即報廢，造成了巨大的浪費[1-3]，這迫切需要設計和建設一套大型可重復利用的加載系統(tǒng)。我司聯(lián)合同濟大學在上海寶冶建設了鋼結構試驗室，實驗室的主要設備為一個大型全方位通用自平衡移動加載試驗系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由能全方位加載的通用球形反力架和與之配套的提升滑移系統(tǒng)及輔助加載系統(tǒng)組成。

2 加載系統(tǒng)——通用球形試驗反力架

通用球形反力架由同濟大學根據(jù)結構試驗的需要進行設計[4]。該反力架為一種新型的全方位通用加載系統(tǒng)，由固定在下部支撐柱上的上下半球組成，反力架重量約150 t，外徑8 m，內部凈加載空間6 m，加載能力達到3 000 t，可以對各種復雜節(jié)點進行空間全方位的多點同步加載。

通用球形反力架由上下兩個半球組成(見圖1)。球體環(huán)向由分別位于上下半球的2道赤道環(huán)梁和2道緯度梁組成；球體經向均勻布置8道弧形經圈梁。上述經圈梁與環(huán)向圈梁(赤道梁和緯度梁)可以互為約束，加強了彼此的面外剛度。此外緯度梁還可以作為試件安裝提供操作平臺。

反力架設計為球形結構的主要原因：1)可以實現(xiàn)全方位加載；2)可以實現(xiàn)內力自平衡，減小對下部支撐柱的作用；3)節(jié)點反力可以轉化為球形反力架的軸力，從而增大加載能力，充分發(fā)揮反力架材料的受力性能，降低造價。

反力架之所以設計為上下2個半球，主要考慮到：1)很多節(jié)點由下半球足以完成試驗任務，不需要由整個球形結構加載；2)半球無論是前期的試件安裝調試、數(shù)據(jù)采集設備的安裝布線還是操作空間都非常方便快捷。只有當下半球不能實現(xiàn)全方位或大噸位加載時，才使用上半球反力架。

上下半球的赤道環(huán)梁上分別設置了16個安裝耳板，耳板通過高強錨栓相連使上下半球接成一個整體。此外反力架底部設有8根箱型支撐柱，支撐柱上端與下半球的經圈梁連接，下端與實驗室的基礎相連。可以把反力架和試件的重量直接傳給地基。

3 上半球的提升滑移系統(tǒng)

為了實現(xiàn)上下半球迅速的組裝和分離，綜合考慮上、下半球連接形式的實現(xiàn)難度以及受力可靠性，我司設計了一套提升滑移系統(tǒng)，實現(xiàn)了上下半球的自由對接。

3.1 提升滑移原理

提升滑移系統(tǒng)的工作原理如圖2所示，上半球平時不用時，置于反力架一側的固定鋼架頂部，當需要用到上半球時，通過位于滑移鋼架上的提升系統(tǒng)將上半球從固定鋼架上提升3 m然后利用滑移鋼架滑移到下半球一側，并將上半球置于下半球上；試驗完成后，將上半球體提升3 m，再連同滑移鋼架水平滑移9 m，放置在固定鋼架上。

3.2 提升滑移系統(tǒng)

本提升滑移系統(tǒng)優(yōu)點：不僅能將上下半球快速組裝，方便試件及其部件在球內外進行組裝和提升滑移，還可以承載上半球，既提高了節(jié)點試驗效率，又不受實驗室場地狹小環(huán)境影響，也大大節(jié)省了吊裝費用。

本系統(tǒng)實現(xiàn)過程如下(見圖3)。

1)試件安裝前，將本裝置滑移到反力架位置，將反力架上半球提升3 m并移動到反力架以外的固定鋼架上；2)試件安裝時，本裝置沿滑移軌道將試件從反力架外吊裝到內部；3)試件安裝就位后，將上半球提升到裝置頂部，再滑移到下半球的正上方位置，方便上下半球完美組裝，然后將裝置滑移到固定鋼架的位置以方便試驗；4)試驗完畢后，本裝置將上半球提升并移動到固定鋼架位置，然后重復上述過程進行下一輪試驗。

本系統(tǒng)提升時采用1套液壓提升裝置，提升高度為3 m，滑移時采用液壓推移裝置，滑移距離可達9 m。

本裝置的固定鋼架上部可以承載上半球體，下部可以作為實驗室的觀測和控制間，可以充分利用實驗室的空間。

4 反力架加載輔助系統(tǒng)

4.1 連接件

為實現(xiàn)節(jié)點試件與加載裝置的可靠連接，必須設計制造相應的連接件。為此首先需要將節(jié)點放在反力架的三維模型中進行定位，然后設計相應的連接件。

連接件分為標準件和非標準件。標準件按照一定的模數(shù)設計，可細分為標準弧度轉換件、標準柱、標準連梁等，可以在各個試驗中通用；非標準連接件需要根據(jù)桿件的特殊情況進行設計。連接件大部分可與反力架直接連接，個別實在無法連接的，則通過連梁與反力架的經圈梁連接。

本司和同濟大學3年來已設計制作了若干標準件和非標準件，其中標準件已在多次試驗中得到重復利用，節(jié)省了鋼材和加工成本，縮短了試驗周期(見圖4)。

4.2 邊界條件的實現(xiàn)

為實現(xiàn)固定約束，固定約束端將通過螺栓與標準支座連接，見圖5a)。

為實現(xiàn)滑動約束，主管的滑動端將設有滑動頭，而滑動支座裝置帶有滑動套筒，可將滑動頭插入滑動套筒中，通過在二者內壁涂抹黃油并于間隙中放置圓鋼，以實現(xiàn)軸向滑動，同時約束滑動套筒另外兩個平動自由度和轉動自由度(見圖5b))。

4.3 拉力轉換裝置

為實現(xiàn)拉力荷載的施加，同濟大學專門設計了一套拉力轉換裝置。該裝置的核心思想為：通過錨栓將拉桿與反力梁L1相連、將反力梁L2與底座相連，借用千斤頂活塞頭頂壓反力梁L2產生的支座反力使拉桿受拉，見圖6。

5 結語

本文介紹了一種大型全方位通用自平衡移動加載試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)由加載系統(tǒng)、提升滑移系統(tǒng)和加載輔助系統(tǒng)組成。本系統(tǒng)能對各種復雜節(jié)點實現(xiàn)全方位的空間多點加載，能滿足各種類型節(jié)點試驗要求。

參考文獻:

[1] 江德保，顧曉靜.新建結構試驗室的設計要點[J].山西建筑，2005，31(19)：38-39.

[2] 陳 瑜，江文雅.大比例結構模型試驗的加載裝置設計實例[J].建筑科學，1995(5):45-47.

[3] 朱文正.空間復雜節(jié)點試驗裝置改進設計[J].實驗技術與管理，2014，31(6)：76-80.

[4] 程曉波.結構試驗全方位通用加載系統(tǒng)研制與應用[J].建筑鋼結構進展，2014，16(2)：49-57.