隋炳強(qiáng) 羅興隆 何樂洽

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

1 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)背景

大型節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)一般要求采用足尺空間結(jié)構(gòu)模型，目前大多數(shù)加載裝置通用性差，試驗(yàn)完成后隨即報(bào)廢，造成了巨大的浪費(fèi)[1-3]，這迫切需要設(shè)計(jì)和建設(shè)一套大型可重復(fù)利用的加載系統(tǒng)。我司聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)在上海寶冶建設(shè)了鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室的主要設(shè)備為一個(gè)大型全方位通用自平衡移動(dòng)加載試驗(yàn)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(yàn)反力架

通用球形反力架由同濟(jì)大學(xué)根據(jù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)[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(nèi)部凈加載空間6 m，加載能力達(dá)到3 000 t，可以對各種復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行空間全方位的多點(diǎn)同步加載。

通用球形反力架由上下兩個(gè)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(jīng)向均勻布置8道弧形經(jīng)圈梁。上述經(jīng)圈梁與環(huán)向圈梁(赤道梁和緯度梁)可以互為約束，加強(qiáng)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(shè)計(jì)為球形結(jié)構(gòu)的主要原因：1)可以實(shí)現(xiàn)全方位加載；2)可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)力自平衡，減小對下部支撐柱的作用；3)節(jié)點(diǎn)反力可以轉(zhuǎn)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(jià)。

反力架之所以設(shè)計(jì)為上下2個(gè)半球，主要考慮到：1)很多節(jié)點(diǎn)由下半球足以完成試驗(yàn)任務(wù)，不需要由整個(gè)球形結(jié)構(gòu)加載；2)半球無論是前期的試件安裝調(diào)試、數(shù)據(jù)采集設(shè)備的安裝布線還是操作空間都非常方便快捷。只有當(dāng)下半球不能實(shí)現(xiàn)全方位或大噸位加載時(shí)，才使用上半球反力架。

上下半球的赤道環(huán)梁上分別設(shè)置了16個(gè)安裝耳板，耳板通過高強(qiáng)錨栓相連使上下半球接成一個(gè)整體。此外反力架底部設(shè)有8根箱型支撐柱，支撐柱上端與下半球的經(jīng)圈梁連接，下端與實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)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(shí)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(shí)現(xiàn)難度以及受力可靠性，我司設(shè)計(jì)了一套提升滑移系統(tǒng)，實(shí)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(shí)不用時(shí)，置于反力架一側(cè)的固定鋼架頂部，當(dāng)需要用到上半球時(shí)，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(cè)，并將上半球置于下半球上；試驗(yàn)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(diǎn)：不僅能將上下半球快速組裝，方便試件及其部件在球內(nèi)外進(jìn)行組裝和提升滑移，還可以承載上半球，既提高了節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)效率，又不受實(shí)驗(yàn)室場地狹小環(huán)境影響，也大大節(jié)省了吊裝費(fèi)用。

本系統(tǒng)實(shí)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(dòng)到反力架以外的固定鋼架上；2)試件安裝時(shí)，本裝置沿滑移軌道將試件從反力架外吊裝到內(nèi)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(yàn)；4)試驗(yàn)完畢后，本裝置將上半球提升并移動(dòng)到固定鋼架位置，然后重復(fù)上述過程進(jìn)行下一輪試驗(yàn)。

本系統(tǒng)提升時(shí)采用1套液壓提升裝置，提升高度為3 m，滑移時(shí)采用液壓推移裝置，滑移距離可達(dá)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(shí)驗(yàn)室的觀測和控制間，可以充分利用實(shí)驗(yàn)室的空間。

4 反力架加載輔助系統(tǒng)

4.1 連接件

為實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)試件與加載裝置的可靠連接，必須設(shè)計(jì)制造相應(yīng)的連接件。為此首先需要將節(jié)點(diǎn)放在反力架的三維模型中進(jìn)行定位，然后設(shè)計(jì)相應(yīng)的連接件。

連接件分為標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)件。標(biāo)準(zhǔn)件按照一定的模數(shù)設(shè)計(jì)，可細(xì)分為標(biāo)準(zhǔn)弧度轉(zhuǎn)換件、標(biāo)準(zhǔn)柱、標(biāo)準(zhǔn)連梁等，可以在各個(gè)試驗(yàn)中通用；非標(biāo)準(zhǔn)連接件需要根據(jù)桿件的特殊情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。連接件大部分可與反力架直接連接，個(gè)別實(shí)在無法連接的，則通過連梁與反力架的經(jīng)圈梁連接。

本司和同濟(jì)大學(xué)3年來已設(shè)計(jì)制作了若干標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)件，其中標(biāo)準(zhǔn)件已在多次試驗(yàn)中得到重復(fù)利用，節(jié)省了鋼材和加工成本，縮短了試驗(yàn)周期(見圖4)。

4.2 邊界條件的實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)固定約束，固定約束端將通過螺栓與標(biāo)準(zhǔn)支座連接，見圖5a)。

為實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)約束，主管的滑動(dòng)端將設(shè)有滑動(dòng)頭，而滑動(dòng)支座裝置帶有滑動(dòng)套筒，可將滑動(dòng)頭插入滑動(dòng)套筒中，通過在二者內(nèi)壁涂抹黃油并于間隙中放置圓鋼，以實(shí)現(xiàn)軸向滑動(dòng)，同時(shí)約束滑動(dòng)套筒另外兩個(gè)平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(見圖5b))。

4.3 拉力轉(zhuǎn)換裝置

為實(shí)現(xiàn)拉力荷載的施加，同濟(jì)大學(xué)專門設(shè)計(jì)了一套拉力轉(zhuǎn)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(chǎn)生的支座反力使拉桿受拉，見圖6。

5 結(jié)語

本文介紹了一種大型全方位通用自平衡移動(dòng)加載試驗(yàn)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(fù)雜節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全方位的空間多點(diǎn)加載，能滿足各種類型節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)要求。

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