刘 方, 窦立军, 邹向阳, 朱 坤

(长春工程学院土木工程学院, 长春130012)

摘 要: 为了对大型工程结构或构件进行试验, 分析比较了10种反力架形式, 最终确定三维空间加载钢结构反力架与钢筋砼反力墙配合使用的形式。经2年的使用检验, 反力架具有足够的强度、刚度、稳定性, 而且经济实用。

关键词: 反力架; 三维空间加载; 反力墙

中图分类号: TU 352. 1 文献标识码: A

文章编号: 1009-8984( 2009) 03-0013-04

1. 概述

该装置由三维空间钢结构反力架(简称反力架)、钢筋砼锚孔台座基础(简称台座)、双向布置的钢筋砼反力墙(简称反力墙)、双向布置的电液伺服作动器、二维跟动滑板装置、美国MTS 电液伺服控制系统、DGS- 3 000kN 微机控制电液伺服加载试验系统组成。反力架在台座上的高度为8. 1m、长度为6. 5m、宽度为3. 5m, 它的基础是通过螺栓将柱脚固定在台座上。梁的高度和跨度都通过螺栓来定位调整; 采用摩擦系数较小的二维跟动滑板装置, 降低摩擦力对设备以及试验的不利影响。反力架与反力墙及台座配合使用, 能够实现对大型构件或空间结构的三维空间加载。反力架的总用钢量为35t。适用试验对象的最大尺寸为长6. 5m、宽1. 7m、高5. 57m, 当试件长度为3. 6m时, 试件宽度可做成8m(与台座宽度相同) , 高度5. 57m 不变。

2 反力架的结构与特点

反力架与其下部的台座、两侧的反力墙构成了三维空间加载的自平衡受力系统(图1)。反力架的受力构件由1个主梁、4个副梁、4个立柱、4个柱脚以及连接件组成。4 个立柱分别插入4个柱脚内,与柱脚底板焊接, 柱脚与台座用螺栓固定。重8. 5t的主梁两端上翼缘与副梁跨中的下翼缘用螺栓连接, 4个副梁总重11 t。2个副梁中间夹2个立柱, 总共4个副梁与4个立柱, 通过96个8. 8级普通螺栓连接起来, 可以实现1. 13) 7. 20m 高度范围内有级升降, 步距为立柱翼缘的锚孔间距120mm。主梁下部可悬挂一台3 000kN 油压千斤顶或一台1 600kN作动器。千斤顶或作动器与主梁下翼缘之间装有二维跟动滑板装置, 可实现千斤顶或作动器的双向跟动。水平滑板可沿梁的长度方向移动, 以便在不同位置对试件进行竖向加载。

水平加载是通过安装在反力墙上的作动器进行加载的, 作动器的最大安装高度为反力架横梁下千斤顶或作动器距离地面的高度5. 57m, 高度方向的步距为反力墙锚孔的间距500mm。实验室现有2个垂直设置的反力墙以及与之整浇在一起的台座,反力架与反力墙以及台座配合, 可以实现大型结构或构件的空间加载。

3 反力架的设计与实施

3. 1 设计方案

反力架的形式多种多样, 可以根据实验试件的类型、大小、荷载等条件来决定, 目前国内各高校的反力架一般采用钢结构, 这是充分利用钢结构轻质高强、装卸方便的材料特性, 来达到节省空间、提高效率、经济可靠的目的。下面逐一介绍几个典型的钢结构反力架。

( 1)丝杠与横梁组合的反力架.

( 2)二维自平衡反力架,

( 3)二维四连杆机构

( 4)大型结构多功能空间加载装置,

( 5) 40 000kN 多功能电液伺服加载试验系统

1到5, 基本涵盖了目前国内的各种反力架形式。下面逐一分析, 图2为丝杠与横梁组合的反力架, 由于丝杠较细而且长细比较大, 所以丝杠虽有一定的抗拉强度, 但其抗压和弯剪强度太弱。这种反力架可以对小型的构件进行竖向加载试验,而且加载方便、移动灵活。

(2)为二维自平衡反力架, 由于四框是封闭的,所以在框内施加平面内的荷载, 可以实现自身的平衡, 在四角加腋, 可以保证在增加荷载的前提下, 仍然维持四框的刚度与连接。它的缺点是无法进行平面外加载, 因而无法实现三维空间加载, 也就不能对一个由若干构件组成的结构体系进行空间加载。

(3)为二维四连杆机构, 它可以在平面内同时施加竖向荷载和水平荷载, 而且可以保证2种荷载同时作用时的良好跟动性, 缺点也是无法进行三维空间加载。

还有二维四连杆机构与三维反力架组合, 由于四连杆机构是平面内的, 是二维的, 所以, 尽管三维反力架可以进行空间加载, 但是四连杆机构与三维反力架组合后, 仍然无法实现三维空间加载, 且由于连杆高度有限, 从而限制了反力架的高度。

还有二维四连杆机构与二维自平衡反力架组合, 由于四连杆机构和二维自平衡反力架都是二维的, 因此对没有平面外荷载要求的平面内加载试验,能够充分发挥其性能且经济可靠。缺点是无法实现三维空间加载, 且平面内的构件尺寸和变形都严格受限制。

(4)为大型结构多功能空间加载装置, 它由3根立柱、1根横梁、2根静压支撑以及混凝土基础组成, 在立柱上和横梁下设置作动器可三维加载, 横梁在立柱上的移动是通过销杠在垛口间的移动与锁定来实现的。目前, 由清华大学和北京佛力系统公司研制的此项设备, 可以对6m 长、6m 宽、8m 高的工程构件或结构进行三维空间加载, 竖向力可达20

000kN, 水平力可达3 000kN。此装置制作复杂, 并且集成了土木、机械、能源动力等多项学科的专业知识, 造价高昂。

(5)为40 000kN 多功能电液伺服加载试验系统。它有4层楼高, 最大试件高度8m, 上下可连续调节, 十字节点梁宽最大为6m, 活塞最大行程>20cm, 柱间净间距2. 5 @ 2. 5m, 可抵消最大侧向力4 000kN。它是由北京工业大学研究制造的, 可用于足尺结构或大型构件的试验, 在体型与荷载方面是国内最大的。

开篇所介绍的反力架为三维空间加载反力架, 它要同反力墙以及台座配合使用, 对于那些具有反力墙的实验室来说, 采用这种装置, 可以将水平荷载作用在反力墙上, 而不用反力架自身来承担, 同时反力架顶端与反力墙连接又可以经济有效地提升反力架的水平刚度, 所以, 在经济可靠的前提下, 能够充分提升反力架的高度, 从而为能够开展足尺构件或大型结构的试验提供了必要条件。

本校实验室目前具有2个垂直布置的反力墙,主反力墙12. 8m 高, 为箱型结构, 可以承受底部剪力5 000kN, 底部弯矩50 000kN # m; 副反力墙高8m, 可以承受底部剪力3 000kN, 底部弯矩28 500kN#m;2个反力墙均与锚孔式台座整浇在一起, 锚孔式台座长35. 3m, 宽8m, 台座厚度1m, 台座容许面荷载为60kN /m2。通过以上反力架的简介与对比, 再结合本校实验室的现状以及学校的经济实力, 最终将反力架的设计方案定格在图1这种形式上, 其性价

比是较高的。根据台座宽度方向边缘锚孔的最大距离以及柱脚的尺寸, 将反力架的主梁跨度定为5m;根据土木构件的一般宽度, 将反力架的副梁跨度定为3m。

3. 2 立柱的设计

由于主梁下水平滑板的摩擦系数为0. 005, 竖向荷载引起的水平滑动摩擦力很小, 所以仅考虑竖向荷载的作用。又因为竖向荷载的受力方向可上可下, 因此, 立柱既是拉弯构件, 又是压弯构件。而柱子作为压弯构件受力是最不利的, 柱子作为拉弯构件螺栓受力是最不利的。柱高随8m 高副反力墙高度, 采用8. 1m 柱高; 截面采用300 @ 600 @ 20 @ 20的工字钢组合柱。柱子按压弯构件计算, 反力架最大竖向力为1 000kN; 柱子按拉弯构件计算, 反力架最大竖向力为3 000kN。1个柱脚用4 根M70 螺栓锚固即可满足要求, 为防止个别螺栓质量不好而引起的连锁反应, 每个柱用6根地锚螺栓固定; 柱顶最大位移2. 97mm。

3. 3 主梁的设计

主梁按简支梁计算是最不利的, 但是, 对柱子、螺栓、实验精度的控制是最有利的。因此, 主梁按竖向荷载作用在简支梁跨中时进行计算。主梁采用双腹板焊接工字钢梁II1 000 @ 500 @ 50 @ 50, 满足强度和刚度的要求, 最大挠度控制为L /2 000。

3. 4 副梁设计

副梁的荷载与水平滑板在主梁上滑动的位置有关。当水平滑板滑到副梁的下方时, 为副梁的最不利受力位置。由于安装方式采用2根副梁夹2根立柱的形式是最简洁的, 所以副梁截面采用槽形790 @400 @ 30 @ 50, 副梁与立柱用12根螺栓连接, 螺栓双列布置, 每排2 个, 水平间距150mm, 竖向间距120mm, 与立柱翼缘上的孔距对应。在最不利荷载作用下, 副梁挠度为1 /3 464, 因此, 若将副梁挠度控制在1 /2 000, 副梁跨度可以在现有的3m 基础上再加长2m, 也完全可以保证副梁强度、刚度、实验精度的要求。

3. 5 主副梁连接螺栓的验算

当主梁下作用的是压力千斤顶时, 主副梁连接螺栓不受力。当主梁下作用的是拉压千斤顶或作动器时, 主副梁连接螺栓受拉力。由于反立架的工况要求, 螺栓应该是可拆卸的。因此, 选用普通螺栓的连接方式, 直径36mm, 8. 8 级普通螺栓的拉力设计值为326. 8kN, 主副梁连接螺栓共8个, 全部连接螺栓的抗拉力设计值2 614kN。水平加载时, 主副梁连接螺栓还要承受二维跟动滑板装置克服不掉的水平摩擦力, 经验算, 螺栓满足抗剪要求。实验时必须严格控制主副梁连接螺栓的抗拉力, 同时, 还要防止由于个别螺栓质量缺陷而发生的各个击破的严重后果。

3. 6 地锚螺栓

地锚螺栓的作用是将柱脚与砼台座固定在一起。由于滑板的水平滑动抵消了大部分的水平荷载, 使得水平推力作用在反力架上的仅是竖向荷载引起的水平摩擦力, 而滑板的摩擦系数为0. 005, 用最大竖向力3 000kN 计算出的摩擦力仅为15kN, 水平摩擦力分给1根地锚螺栓的剪力仅为0. 625 kN,远远小于M70地锚螺栓的抗剪承载力。最大竖向力3 000kN 分给每根地锚螺栓的拉力为125 kN, 远小于地锚螺栓抗拉承载力。

4 结语

反力架经2年来使用检验, 它具有足够的强度、刚度、稳定性, 能够保证实验精度要求。它可以满足工程结构或足尺构件的试验。

参考文献

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