柴振嶺， 郭子雄， 黃群賢

(華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 泉州 362021)

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·儀器設(shè)備研制與開(kāi)發(fā)·

變空間Π型剪切試驗(yàn)裝置研制與應(yīng)用

柴振嶺， 郭子雄， 黃群賢

(華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 泉州 362021)

以砌體墻片抗震性能試驗(yàn)研究為背景,針對(duì)抗震試驗(yàn)中剪切試驗(yàn)裝置存在的問(wèn)題，研制了一種適用于教學(xué)與科研試驗(yàn)的變空間Π型剪切試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置主要由轉(zhuǎn)換梁、平剪梁、可調(diào)水平傳力支架和可變平衡配重組成，具有試驗(yàn)空間可調(diào)、配重大小與位置可調(diào)、水平加載中心位置可調(diào)等突出設(shè)計(jì)特點(diǎn)，可滿足長(zhǎng)度達(dá)3.0 m，水平載能力達(dá)500 kN墻體類構(gòu)件的平剪加載試驗(yàn)要求。應(yīng)用實(shí)踐表明，該裝置安裝拆卸方便，性能穩(wěn)定，通過(guò)調(diào)整水平加載中心高度可一定程度降低或消除附加彎矩對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

抗震試驗(yàn)； 變空間； Π型； 試驗(yàn)裝置； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 引 言

抗震試驗(yàn)是開(kāi)展土木工程結(jié)構(gòu)抗震性能研究的重要手段[1]，也是土木工程本科專業(yè)“結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)”教學(xué)課程中的核心內(nèi)容[2]。試驗(yàn)方法是通過(guò)采用專業(yè)加載設(shè)備和專業(yè)剪切試驗(yàn)裝置對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件施加多次往復(fù)循環(huán)作用，用以模擬地震時(shí)結(jié)構(gòu)在往復(fù)振動(dòng)中的受力特點(diǎn)和變形特點(diǎn)，并進(jìn)一步從強(qiáng)度、變形和能量等多方面判斷和鑒定結(jié)構(gòu)的抗震性能[3-4]。

目前用于抗震試驗(yàn)的剪切試驗(yàn)裝置主要有懸臂式剪切試驗(yàn)裝置和日本建研式剪切試驗(yàn)裝置[5]。懸臂式剪切試驗(yàn)裝置突出優(yōu)點(diǎn)是安裝拆卸方便；主要缺點(diǎn)是不能考慮附加彎矩作用對(duì)構(gòu)件的影響，主要適用于構(gòu)件高寬比較小構(gòu)件，適用范圍小，且裝置可重復(fù)使用性差。日本建研式剪切試驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)是考慮了彎矩作用的影響，能實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件平動(dòng)加載；缺點(diǎn)是投資巨大、試件安裝、拆卸不便、不易分解且占用場(chǎng)地、對(duì)試件尺寸及加工精度有嚴(yán)格限制等，目前國(guó)內(nèi)用戶非常少。

綜上所述，目前用于抗震試驗(yàn)的剪切試驗(yàn)裝置存在諸多問(wèn)題，因此研制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用范圍廣、使用方便且可降低或消除附加彎矩作用的新型剪切試驗(yàn)裝置具有重要實(shí)際意義[6-12]。鑒于此，本文以砌體類墻式構(gòu)件抗震性能試驗(yàn)研究采用平剪加載方法為背景，研制了一種適于平剪加載的新型剪切試驗(yàn)裝置——變空間Π型剪切試驗(yàn)裝置，并介紹了裝置的研制思路與研制過(guò)程。

1 裝置設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

(1) 邊界條件一致性。試驗(yàn)中應(yīng)滿足試件與原型結(jié)構(gòu)在邊界條件上一致，否則試驗(yàn)研究結(jié)果未必能揭示事物的客觀規(guī)律，研制裝置使用價(jià)值也大大降低。

(2) 剛度設(shè)計(jì)。按照邊界條件一致性原則，試驗(yàn)中試驗(yàn)裝置應(yīng)滿足不變形或小變形條件，按照強(qiáng)度設(shè)計(jì)變形條件通常不能滿足使用要求，而按照剛度設(shè)計(jì)，變形與強(qiáng)度指標(biāo)一般都可滿足要求。本裝置變形設(shè)計(jì)參照吊車梁剛度設(shè)計(jì)[13]。

(3) 高安全儲(chǔ)備原則。本裝置屬于重復(fù)使用的特殊反力裝置，試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)避免處于高應(yīng)力狀態(tài)。否則，試驗(yàn)裝置一旦出現(xiàn)強(qiáng)度安全問(wèn)題，對(duì)實(shí)驗(yàn)室將造成難以彌補(bǔ)的不良影響和損傷。因此，根據(jù)本人多套試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，用于土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置任何部件強(qiáng)度安全系數(shù)不宜小于1.5，關(guān)鍵部件的安全系數(shù)不宜小于2.5。

1.2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量震害調(diào)查結(jié)果，砌體房屋在地震反復(fù)荷載作用下，墻體一般發(fā)生交叉斜裂縫破壞[14-15]。為模擬這種破壞模式，單從受力邊界條件上，日本建研式剪切試驗(yàn)裝置較為合理，但因諸多其他不利因素，該裝置在世界范圍內(nèi)一直未被廣泛采用，而懸臂式剪切試驗(yàn)裝置，對(duì)試件高寬比又要求比較嚴(yán)格。如何減小懸臂加載方式產(chǎn)生的附加彎矩，同時(shí)又不可必須滿足類似日本建研式剪切試驗(yàn)裝置對(duì)試件尺寸、安裝等嚴(yán)格要求，是本裝置研制的關(guān)鍵。

(1) 減小附加彎矩。為減小附加彎矩作用，應(yīng)該設(shè)法使水平加載中心通過(guò)試件形心，于是試驗(yàn)裝置至少應(yīng)該設(shè)計(jì)成L型。通常試驗(yàn)裝置重心應(yīng)盡可能與試件形心在同一豎向平面內(nèi)，如果采用L型試驗(yàn)裝置，則試件長(zhǎng)度尺寸將受到明顯限制，裝置適用范圍大大減小。將裝置設(shè)計(jì)成Π型則可同時(shí)解決上述問(wèn)題。

(2) 減少試驗(yàn)裝置 “約束”。日本建研式剪切試驗(yàn)裝置之所以存在諸多應(yīng)用方面問(wèn)題，一個(gè)主要因素就是“約束”過(guò)多。因此，通過(guò)對(duì)日本建研式剪切裝置中非關(guān)鍵性鏈桿的受力情況分析及用戶調(diào)研情況，Π型剪切試驗(yàn)裝置應(yīng)盡量減少非關(guān)鍵性“約束”。

(3) 多用途和方便使用。將Π型剪切試驗(yàn)裝置一端設(shè)計(jì)為固定加載端，另一端則設(shè)計(jì)為多功能“活動(dòng)”端，即本文提出的變空間Π型剪切試驗(yàn)裝置(見(jiàn)圖1)。變空間Π型剪切試驗(yàn)裝置在功能設(shè)計(jì)、實(shí)際應(yīng)用等方面具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，也是該裝置設(shè)計(jì)精髓所在。

平剪梁截面尺寸圖轉(zhuǎn)換梁截面尺寸圖

圖1 變空間Π型剪切試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖

1.3 部件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置一般選用鋼材制作，裝置對(duì)材料的要求主要包括強(qiáng)度、硬度、韌性以及可焊性等指標(biāo)。綜合考慮各方面利弊因素，本裝置鋼材選用Q345鋼材。該裝置主要由四部分組成：轉(zhuǎn)換梁、平剪梁、可調(diào)水平傳力支架以及可變平衡配重。

1.3.1 轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換梁是傳遞水平荷載的關(guān)鍵部件，主要包括如下設(shè)計(jì)內(nèi)容：

(1) 轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)換梁直接傳遞水平荷載，容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，因此應(yīng)選用箱型截面，以滿足抗扭轉(zhuǎn)受力要求。梁截面尺寸以及加勁肋主要依據(jù)轉(zhuǎn)換梁的截面彎曲剛度、平剪梁截面寬度、連接螺桿長(zhǎng)度等綜合因素確定，轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖2 轉(zhuǎn)換梁

(2) 轉(zhuǎn)換梁連接孔設(shè)計(jì)。試驗(yàn)中為減小彎矩影響，通常需調(diào)節(jié)加載中心與試件高度中心在同一水平高度。為使裝置適用范圍更廣，轉(zhuǎn)換梁上應(yīng)設(shè)置橢圓形連接孔，以最大限度滿足水平加載中心高度調(diào)節(jié)，本裝置轉(zhuǎn)換梁橢圓孔布置如圖2所示。

(3) 轉(zhuǎn)換梁高度設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)高度主要考慮：試件高度范圍、平剪梁截面高度以及加載用豎向加載設(shè)備高度。根據(jù)如上三方面考慮，本裝置轉(zhuǎn)換梁總高度設(shè)計(jì)為1 900 mm(見(jiàn)圖2)，其中加載中心靜高為1 250 mm，因此可滿足高度不超過(guò)2 500 mm各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用完全消除彎曲作用的平剪試驗(yàn)要求。

(4) 轉(zhuǎn)換梁剛度驗(yàn)算。本裝置設(shè)計(jì)最大水平荷載為500 kN。經(jīng)分析計(jì)算加載端在不利情況下相對(duì)位移小于1.25 mm，滿足常規(guī)使用要求。

1.3.2 平剪梁設(shè)計(jì)

(1) 平剪梁截面設(shè)計(jì)。平剪梁主要作用是傳遞壓力與水平剪力，一般設(shè)計(jì)成工字型截面。梁截面尺寸及加勁肋主要依據(jù)轉(zhuǎn)換梁的截面彎曲剛度、轉(zhuǎn)換梁截面寬度、連接孔間距等綜合因素確定，平剪梁截面設(shè)計(jì)如圖1所示。

(2) 平剪梁長(zhǎng)度。平剪梁的長(zhǎng)度主要與試件最大長(zhǎng)度、可調(diào)水平傳力支架尺寸以及拐角加勁肋尺寸等有關(guān)。一般結(jié)構(gòu)構(gòu)件單元不超過(guò)3 000 mm，因此本平剪梁以此尺寸為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)總長(zhǎng)為4 350 mm(見(jiàn)圖3)。

圖3 平剪梁輔助孔布置圖

(3) 平剪梁輔助孔設(shè)計(jì)。平剪梁輔助孔主要有吊裝孔、可調(diào)水平傳力支架連接孔、可變平衡配重連接孔以及重心孔。兩吊裝孔的設(shè)置應(yīng)滿足其形心與整套裝置的重心重合。支架連接孔孔徑應(yīng)根據(jù)支架最大剪力計(jì)算所需螺桿直徑來(lái)設(shè)計(jì)，本平剪梁連接孔徑設(shè)計(jì)為30 mm。配重連接孔主要是為了考慮吊裝平衡配重，因?yàn)闃?gòu)件形式不同，配重大小及位置往往也不同，本平剪梁配重連接孔設(shè)計(jì)間距為200 mm。重心孔主要是用來(lái)標(biāo)記重心位置。該裝置輔助孔設(shè)計(jì)如圖3所示。

1.3.3 可調(diào)水平傳力支架設(shè)計(jì)

水平傳力支架是將平剪梁的大部分剪力直接傳遞給試件的關(guān)鍵部件。設(shè)計(jì)主要依據(jù)分析支架所受剪力大小來(lái)確定剪切螺栓和微調(diào)螺栓型號(hào)、直徑以及數(shù)量，本裝置支架中螺栓均采用10.9級(jí)M27高強(qiáng)螺栓。

1.3.4 可變平衡配重設(shè)計(jì)

可變平衡配重最主要作用是利用杠杠原理通過(guò)調(diào)節(jié)配重大小及配重位置確保整套裝置的重心與試件的形心重合，從而實(shí)現(xiàn)Π型剪切試驗(yàn)裝置試驗(yàn)空間的“可變性”，以至于滿足不同尺寸試件試驗(yàn)需要。平衡配重大小主要依據(jù)轉(zhuǎn)換梁重量、裝置重心位置、配重孔位置以及試件重心位置設(shè)計(jì)。另外，可變平衡配重根據(jù)需要亦可直接利用實(shí)驗(yàn)室已有重物。

2 應(yīng)用實(shí)踐

任何設(shè)備或配套加載裝置，只有在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，其使用價(jià)值方可得以體現(xiàn)，也只有經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，方可推廣應(yīng)用[16-18]。

該裝置無(wú)論從設(shè)計(jì)方案、邊界條件、整體剛度、安裝與拆卸方便程度、適用范圍等方面都得到了華僑大學(xué)土木工程學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)、專業(yè)技術(shù)教師以及國(guó)內(nèi)同行專家的高度評(píng)價(jià)，部分高校也正準(zhǔn)備加工制作本套裝置用于教學(xué)與科研，其示范作用日趨明顯。自2010年投入使用以來(lái)，3項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、近10項(xiàng)省部級(jí)科研項(xiàng)目以及多項(xiàng)地市級(jí)項(xiàng)目的試驗(yàn)研究工作利用該裝置完成，多數(shù)碩士研究生畢業(yè)論文中試驗(yàn)利用該裝置完成。該裝置的成功研制與實(shí)踐應(yīng)用，為多項(xiàng)科研項(xiàng)目的順利開(kāi)展、結(jié)題提供了有力支持，同時(shí)也為我院申請(qǐng)科研項(xiàng)目在試驗(yàn)條件方面提供了有力保障。

除土木工程本科專業(yè)開(kāi)設(shè)“結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)”課程外，隨著研究生招生規(guī)模的擴(kuò)大，多數(shù)高校已開(kāi)設(shè)或正準(zhǔn)備開(kāi)設(shè)面向研究生的“高等結(jié)構(gòu)試驗(yàn)”課程。例如，我院于2012年開(kāi)設(shè)“高等結(jié)構(gòu)試驗(yàn)”課程，結(jié)合我院在電液伺服加載技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的應(yīng)用[19]，預(yù)計(jì)于明年通過(guò)利用該試驗(yàn)裝置增開(kāi)了新試驗(yàn)項(xiàng)目。

由此可見(jiàn)，無(wú)論從本科生和研究生培養(yǎng)方面，還是從科學(xué)研究方面，該裝置的研制與應(yīng)用，其各方面效益顯著。

3 結(jié) 語(yǔ)

變空間Π型剪切試驗(yàn)裝置是在多年試驗(yàn)、課堂教學(xué)和科研工作經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上研制而成，該裝置設(shè)計(jì)新穎、功能獨(dú)特，且高度優(yōu)化，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝拆卸方便、性能穩(wěn)定、造價(jià)低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)。

3年來(lái)的應(yīng)用實(shí)踐表明：該裝置安裝拆卸方便，性能穩(wěn)定，通過(guò)調(diào)整水平加載中心高度可達(dá)到最大程度降低附加彎矩對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的設(shè)計(jì)目的。

試驗(yàn)裝置研制是一個(gè)創(chuàng)造和發(fā)現(xiàn)的過(guò)程[20]。該裝置的成功研制，在科研及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中起到了一定的示范作用，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、鍛煉了教師隊(duì)伍，而且為我院今后進(jìn)一步研制更復(fù)雜試驗(yàn)裝置以及為其他院校研制相關(guān)試驗(yàn)裝置提供了設(shè)計(jì)參考。

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Development and Application of Variable Space Π-type Experimental Device for Shearing

CHAIZhen-ling,GUOZi-xiong,HUANGQun-xian

(College of Civil Engineering, Huaqiao University, Quanzhou 362021, China)

Based on the existing problems of experimental device for shearing in the course of the seismic experiments, a new Π-type variable space experimental device for shearing which is applicable to experimental teaching and research is developed. The device is mainly composed of transfer beam, parallel shearing beam, adjustable force transmission bracket and a variable balance weight. It has several advantages such as variable space, variable balance weight and position, adjustable horizontal loading center etc. The length of the applicable specimen for the device is 3.0 m and the maximum carrying capacity of it is 500 kN. The practical application shows that the device is convenient for assembly and disassembly, is stable to perform and easy to minimize the effect of additional bending moment on the test results by adjusting the horizontal loading center. The device plays an exemplary role in scientific research and experiment teaching, the design method of it can provide reference for other colleges and universities to develop similar devices.

seismic experiment； variable space； Π-type； experimental device； experimental teaching

2014-08-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51178197)；華僑大學(xué)實(shí)驗(yàn)教改項(xiàng)目(66661213Z)；華僑大學(xué)科研基金資助項(xiàng)目(11HZR09)

柴振嶺(1977-)，男，河北邯鄲人，實(shí)驗(yàn)師，主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震和實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究等。

Tel.：13959906055；E-mail: dlzlc@hqu.edu.cn

TU 317.1

A

1006-7167(2015)08-0050-03