某結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室反力墻的設(shè)計(jì)

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1 工程概況

隨著新的結(jié)構(gòu)理論和計(jì)算方法的不斷出現(xiàn)，許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)都需要結(jié)構(gòu)試驗(yàn)來驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的重要性也日益突出。在對試件施加側(cè)向推力或低周反復(fù)荷載時(shí)，反力墻與試驗(yàn)臺座連成一體，形成剛度很大的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，以承受水平荷載產(chǎn)生的反作用力，如圖1所示［1］。

本文主要介紹某結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的反力墻的設(shè)計(jì)方法，不包括試驗(yàn)臺座和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。本反力墻高8m，寬8m，厚2．2m，總反力標(biāo)準(zhǔn)值為4000kN。

2 結(jié)構(gòu)選型

反力墻的平面外形主要分為兩種。一種是“一”字形，這種類型的反力墻能給試件提供一維的推力和拉力，配合豎向反力架施加豎向力，則可完成平面內(nèi)的二維加載。另一種是“L”形，這種類型的反力墻能給試件提供二維的推力和拉力，和豎向反力架一起可完成三維加載。而且L形的兩個(gè)墻肢能相互提供支援，剛度較“一”字形的要大。正是由于這種較廣地適應(yīng)性，L形反力墻被大多數(shù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室所采用。

由于反力墻的變形要求較高，一般要求在最不利荷載條件下頂點(diǎn)位移不大于墻高的1/2000，所以對水平荷載較大的反力墻一般均采用鋼筋混凝土墻體。

本工程反力墻采用了“一”字形鋼筋混凝土箱形墻體，平面尺寸如圖2所示。

為了固定施加水平荷載的作動(dòng)器，反力墻上在縱橫兩個(gè)方向均設(shè)置了很多的穿墻錨孔，如圖3所示。國內(nèi)絕大多數(shù)反力墻都采用此種方式。然而這種錨孔存在一個(gè)缺點(diǎn):每調(diào)整一次作動(dòng)器都要耗費(fèi)相當(dāng)?shù)娜肆蜁r(shí)間。在本工程中，應(yīng)用了一種新型的水平方向的鑄鋼錨槽，如圖4所示。這種錨槽允許作動(dòng)器在水平方向任意滑動(dòng)，極大地方便了作動(dòng)器位置的調(diào)整。

3 荷載取值

在結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，主要有兩種常用荷載工況:一是單點(diǎn)集中加載，比如做節(jié)點(diǎn)試驗(yàn);二是多點(diǎn)加載，比如做多層框架的偽靜力試驗(yàn)。這兩種情況下，單個(gè)作動(dòng)器均能提供最大1000kN的反力。根據(jù)工藝資料，可以發(fā)現(xiàn)單點(diǎn)集中加載不是控制工況;同時(shí)，考慮到結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的特殊性，采用了1．5的荷載動(dòng)力系數(shù)。以下僅列出三種主要的多點(diǎn)加載工況，如圖5所示。圖中所示均為荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

4 設(shè)計(jì)計(jì)算

反力墻這種結(jié)構(gòu)，因其使用用途的特殊性，在工程實(shí)踐中并不多見。因此，我國結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)手冊中并沒有關(guān)于反力墻的設(shè)計(jì)方法。觀察反力墻的特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)其具有良好的空間整體性，當(dāng)在墻上作用有荷載時(shí)，全墻都將參與工作。作者使用有限元程序ANSYS分析了反力墻在各種荷載工況下的受力狀態(tài)和變形情況，較深入地考察了反力墻的行為。然而，在設(shè)計(jì)過程中，能否在保證一定的精度的條件下，用簡單、實(shí)用的方法快速地完成反力墻的分析。作者引入了橋梁工程中常用的比擬正交異性板法(G—M法)［2～4］，完成了反力墻的分析，并將計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比。計(jì)算結(jié)果的對比證明了將G—M法用于反力墻的設(shè)計(jì)是可靠的。

圖6是反力墻在工況2的ANSYS分析結(jié)果。兩種方法的計(jì)算結(jié)果列于表1。從中可以看出，G—M法的計(jì)算結(jié)果與有限元分析的結(jié)果比較接近，最大誤差不超過5%，其計(jì)算結(jié)果是可信的。

表1 工況2和工況3下G—M法與ANSYS分析結(jié)果對比

5 結(jié)論

在反力墻的設(shè)計(jì)中引入比擬正交異性板理論是可行的，G—M法快捷、實(shí)用，不僅能反映反力墻的空間整體受力狀態(tài)，而且其分析結(jié)果也是可靠的。作者旨在提出，在設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的過程中，廣大設(shè)計(jì)人員應(yīng)拓寬思路，尋找高效、準(zhǔn)確的分析方法，同時(shí)與有限元分析結(jié)果相互印證，以確保結(jié)構(gòu)的安全。