古建木構(gòu)架大位移低周往復(fù)荷載試驗(yàn) 加載同步裝置及應(yīng)用

魏劍偉，李鐵英，萬(wàn) 佳，孟憲杰

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，太原 030024)

低周往復(fù)荷載試驗(yàn)稱為擬靜力試驗(yàn)，是利用加載裝置對(duì)試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行逐漸增大、減小的往復(fù)荷載或往復(fù)位移，是結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)的一種方法。

低周往復(fù)荷載試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象的不同其加載裝置而不同，加載裝置呈多樣化[2-4]。

通常低周往復(fù)荷載試驗(yàn)多采用電液伺服系統(tǒng)作為加載設(shè)備。采用電液伺服系統(tǒng)作為加載設(shè)備在試驗(yàn)中存在有三個(gè)問題：

1) 作動(dòng)器前端、后端都有球鉸，試驗(yàn)時(shí)作動(dòng)器水平置于一固定高度，作動(dòng)器前端通過球鉸連接件與試驗(yàn)對(duì)象加載點(diǎn)連接，作動(dòng)器對(duì)試驗(yàn)對(duì)象施加水平低周往復(fù)荷載，施加的位移越大作動(dòng)器前端球鉸的轉(zhuǎn)角越大，說明作動(dòng)器施加在試驗(yàn)對(duì)象的荷載有誤差，位移越大誤差越大。

2) 試驗(yàn)對(duì)象的位移“測(cè)控點(diǎn)”，隨著試驗(yàn)對(duì)象的位移增大，“測(cè)控點(diǎn)”的高度和角度都在變化，而“測(cè)控點(diǎn)”處測(cè)量位移的位移計(jì)安裝高度是固定不變的，所以“測(cè)控點(diǎn)”處的位移計(jì)測(cè)得的位移是不準(zhǔn)確的。

3) 關(guān)于水平低周反復(fù)荷載試驗(yàn)中的豎向加載問題，現(xiàn)在的豎向加載一般用作動(dòng)器加載(也有用千斤頂加載)，隨著試驗(yàn)對(duì)象位移變化，豎向作動(dòng)器或千斤頂施加在試驗(yàn)對(duì)象上的豎向荷載不是恒定的，是變化的。這些問題在類似的文章中都沒有提到，但是在實(shí)際中是存在的。

在古建木構(gòu)架水平低周反復(fù)荷載試驗(yàn)中，同樣的三個(gè)問題擺在面前，第二個(gè)問題通過研制位移計(jì)得以解決，一、三問題解決不了，經(jīng)過反復(fù)論證和計(jì)算，最后自制了一套古建木構(gòu)架水平低周反復(fù)荷載試驗(yàn)加載裝置，豎向荷載采用配重加載，通過試驗(yàn)認(rèn)為基本解決了這三個(gè)問題。本文僅介紹在古建木構(gòu)架水平低周往復(fù)荷載試驗(yàn)中解決的第一個(gè)問題。

1 加載同步裝置的計(jì)算

古建木構(gòu)架(按宋代《營(yíng)造法式》[1]七等材設(shè)計(jì))大位移低周往復(fù)荷載試驗(yàn)加載同步裝置[5-6]的計(jì)算，如圖1所示。圖2為雙刀口支座構(gòu)造簡(jiǎn)圖。古建木構(gòu)架模型直接放在地面，試驗(yàn)時(shí)古建木構(gòu)架模型一端的加載絞車加載時(shí)，如圖3所示，古建木構(gòu)架模型另一端的加載絞車放松。

圖1 古建木構(gòu)架大位移低周往復(fù)荷載試驗(yàn)加載同步裝置簡(jiǎn)圖Fig.1 Loading synchronization device for low cycle cyclic loading test of ancient timber frame under large displacement

圖2 雙刀口支座的構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.2 Simple diagram of bracket

1.1 古建木構(gòu)架模型柱與平面搖擺柱的直徑相等，高不相等的計(jì)算

如圖1所示，古建木構(gòu)架模型的鋪?zhàn)鲗拥膭偠冗h(yuǎn)遠(yuǎn)大于古建木構(gòu)架模型柱的剛度。在古建木構(gòu)架大位移低周往復(fù)荷載試驗(yàn)時(shí)，古建木構(gòu)架模型的鋪?zhàn)鲗涌煽醋魇且粍傂詫覽7-8]。這樣，如圖4所示，平面搖擺柱加載高度大于古建木構(gòu)架模型柱的高度[9-11]。古建木構(gòu)架模型柱高H=2 760 mm，在力平面搖擺柱的直徑與古建木構(gòu)架模型柱的直徑相等，古建筑木構(gòu)架模型柱的直徑D=389 mm，模型柱的高H=2 760 mm，平面搖擺柱的加載高為H+h=2 760+1 135=3 895 mm.

圖3 搖擺柱工作簡(jiǎn)圖Fig.3 Mechanic of rocking column loading system

F的作用下，A點(diǎn)沿半徑為R的圓弧運(yùn)動(dòng)。平面搖擺柱高為H+h=2 760+1 135=3 895 mm，在力F的作用下，B點(diǎn)沿半徑為r的圓弧運(yùn)動(dòng)。

圖4 搖擺柱與模型柱直徑相等高不相等的計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.4 Calculation diagram of rocking column and model column (equal diameter, unequal height)

古建木構(gòu)架模型柱在力F的作用下，古建木構(gòu)架模型柱A點(diǎn)沿半徑為R的圓弧運(yùn)動(dòng)，A點(diǎn)的最大增量高為ΔH：

平面搖擺柱在力F的作用下，平面搖擺柱B點(diǎn)沿半徑為r的圓弧運(yùn)動(dòng)，B點(diǎn)的最大增量高為Δh：

R≠r，ΔH≠Δh，α≠α'，古建木構(gòu)架模型柱A點(diǎn)與平面搖擺柱B點(diǎn)不同步。

1.2 古建木構(gòu)架模型與平面搖擺柱的同步

如圖4所示，若ΔH=Δh，則古建木構(gòu)架模型柱A點(diǎn)與平面搖擺柱B點(diǎn)同步[11-12]。古建木構(gòu)架模型柱的直徑為D=389 mm，平面搖擺柱的直徑為d.

∵ΔH=Δh,

∴d=462 .

當(dāng)平面搖擺柱的直徑d=462 mm時(shí)，ΔH=Δh，古建木構(gòu)架模型柱A點(diǎn)與平面搖擺柱B點(diǎn)同步。根據(jù)計(jì)算，只要變化一下平面搖擺柱的直徑，就可以對(duì)古建木構(gòu)架模型的低周往復(fù)荷載試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)加載同步。

2 實(shí)例

古建木構(gòu)架大位移低周往復(fù)荷載試驗(yàn)加載同步裝置由兩套焊接在雙刀口支座上的平面搖擺柱、耳板、測(cè)力桿、加載絞車組成。

如圖1所示，將一根有一定長(zhǎng)度和有足夠剛度儲(chǔ)備的鋼管一端焊接在有足夠剛度儲(chǔ)備的雙刀口支座墊板上面的中心位置，雙刀口支座下墊板固定在地面，組成平面搖擺柱。測(cè)力桿的一端連接古建木構(gòu)架模型，測(cè)力桿的另一端與平面搖擺柱上的耳板連接。加載絞車的鋼絲繩連接平面搖擺柱耳板的另一端，加載絞車固定于地面。在古建木構(gòu)架模型加載點(diǎn)位置處布置自制的一種應(yīng)變式線性雙向大位移傳感器，測(cè)量古建木構(gòu)架模型在低周往復(fù)荷載試驗(yàn)過程中的位移。測(cè)力桿是一定長(zhǎng)度和剛度足夠呈桿狀的測(cè)力傳感器，用于測(cè)量對(duì)古建木構(gòu)架模型施加水平力的大小。在測(cè)力桿上布置一傾角傳感器，監(jiān)測(cè)低周往復(fù)荷載試驗(yàn)過程中測(cè)力桿是否呈水平狀態(tài)。

根據(jù)計(jì)算，對(duì)于不同等材的古建木構(gòu)架模型進(jìn)行大位移低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，就需要用相應(yīng)不同等材柱直徑和不同高度的平面搖擺柱，這樣做很不經(jīng)濟(jì)。本文制作了可以調(diào)節(jié)兩個(gè)刀口距離的雙刀口支座，通過改變雙刀口支座兩個(gè)“刀口”的距離和耳板的孔到平面搖擺柱中心軸的距離，實(shí)現(xiàn)了不同等材的古建木構(gòu)架模型共用一套平面搖擺柱。

此次試驗(yàn)共有4個(gè)模型，按宋代《營(yíng)造法式》[1]七等材設(shè)計(jì)了足尺4柱模型一個(gè)，足尺2柱模型一個(gè)，八等材設(shè)計(jì)了足尺2柱模型一個(gè)和1/2七等材設(shè)計(jì)的一個(gè)4柱比例模型。

圖5為八等材足尺2柱模型第2級(jí)豎向荷載下的水平低周往復(fù)荷載試驗(yàn)。圖6為八等材足尺2柱模型第2級(jí)豎向荷載下 8級(jí)水平低周往復(fù)荷載試驗(yàn)的測(cè)力桿上的傾角傳感器的實(shí)測(cè)傾角數(shù)據(jù)，每級(jí)加載的位移為10 mm.從圖6中可知，實(shí)測(cè)傾角不大于0.4°，說明在8級(jí)水平往復(fù)荷載試驗(yàn)中測(cè)力桿基本保持在水平狀態(tài)，此次使用的傾角傳感器，分辨率為0.05°.從圖6中可知3級(jí)荷載后傾角增大明顯，這是因?yàn)椋谠囼?yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)第3級(jí)荷載以后闌額與兩柱的榫卯在0位置時(shí)闌額的榫頭不能全部回到柱子的卯口中，第4級(jí)荷載時(shí)柱子卯口出現(xiàn)裂縫，兩柱腳在0位置時(shí)也沒有回到原位；試驗(yàn)后在拆解和測(cè)量古建木構(gòu)架模型構(gòu)件時(shí)發(fā)現(xiàn)闌額的榫頭與柱子的卯口均有擠壓變形，普拍枋與柱頭的接觸面有較深的壓痕，說明從3級(jí)荷載后古建木構(gòu)架模型隨著荷載級(jí)別的增大其變形增大，古建木構(gòu)架模型的原始高度也發(fā)生了變化，所以測(cè)力桿上的傾角度數(shù)也有所增大，與古建木構(gòu)架模型和平面搖擺柱的同步計(jì)算無(wú)關(guān)。試驗(yàn)時(shí)在第4級(jí)荷載時(shí)就發(fā)現(xiàn)傾角增大，通過計(jì)算需要將平面搖擺柱上的耳板下降不足1 mm就可以解決傾角增大的問題，考慮到傾角度數(shù)變化很小不足1°，故沒有在試驗(yàn)時(shí)調(diào)整平面搖擺柱上耳板的高度。

圖5 古建木構(gòu)架大位移低周往復(fù)荷載試驗(yàn)加載同步裝置的應(yīng)用Fig.5 Application of loading synchronization device for low cycle cyclic loading test of ancient timber frame under large displacement

圖6 測(cè)力桿上的傾角傳感器實(shí)測(cè)傾角數(shù)據(jù)Fig.6 Measured data of the obliquity sensor on the stress bar

4個(gè)古建木構(gòu)架模型的大位移低周往復(fù)荷載試驗(yàn)表明，當(dāng)古建木構(gòu)架模型一端的加載絞車加載時(shí)，古建木構(gòu)架模型另一端的加載絞車放松，測(cè)力桿基本保持在水平狀態(tài)，驗(yàn)證了“古建木構(gòu)架大位移低周往復(fù)荷載試驗(yàn)加載同步裝置”的“同步”性。這種低周往復(fù)荷載試驗(yàn)加載同步裝置，克服了現(xiàn)有電液伺服系統(tǒng)作為加載設(shè)備作用在試驗(yàn)對(duì)象的荷載或位移的誤差，制造成本低，加載裝置的結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，便于加載控制和安裝，適用于古建木構(gòu)架模型低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，特別適用于足尺的古建木構(gòu)架大位移低周往復(fù)荷載試驗(yàn)。

3 結(jié)論

1) 通過改變平面搖擺柱的雙刀口支座的兩個(gè)“刀口”距離和耳板孔到平面搖擺柱中心軸的距離，作用在古建木構(gòu)架模型的荷載與加載裝置輸出的荷載同步。

2) 通過改變平面搖擺柱的雙刀口支座的兩個(gè)“刀口”距離和耳板孔到平面搖擺柱中心軸的距離，實(shí)現(xiàn)了不同等材的古建木構(gòu)架模型共用一套平面搖擺柱。

3) 克服了現(xiàn)有電液伺服系統(tǒng)作為加載設(shè)備作用在試驗(yàn)對(duì)象的荷載誤差。

4) 為古建木構(gòu)架模型低周往復(fù)荷載試驗(yàn)提供了一種新的加載裝置。