一種大型全方位通用自平衡移動加載試驗系統

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

大型節點試驗一般要求采用足尺空間結構模型，目前大多數加載裝置通用性差，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。我司聯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，系統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及輔助加載系統組成。

2 加載系統——通用球形試驗反力架

通用球形反力架由同濟大學根據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，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)。球體環向由分別位于上下半球的2道赤道環梁和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)可以實現全方位加載；2)可以實現內力自平衡，減小對下部支撐柱的作用；3)節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、數據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

為了實現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難度以及受力可靠性，我司設計了一套提升滑移系統，實現了上下半球的自由對接。

3.1 提升滑移原理

提升滑移系統的工作原理如圖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

本提升滑移系統優點：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，既提高了節點試驗效率，又不受實驗室場地狹小環境影響，也大大節省了吊裝費用。

本系統實現過程如下(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

4.1 連接件

為實現節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

為實現固定約束，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，該系統由加載系統、提升滑移系統和加載輔助系統組成。本系統能對各種復雜節點實現全方位的空間多點加載，能滿足各種類型節點試驗要求。

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研制與應用[J].建筑鋼結構進展，2014，16(2)：49-57.