結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)綜合實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

鄒 建， 龔永智， 李耀莊

（中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 410075）

0 引 言

結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)是通過儀器設(shè)備和工具，以各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)物或模型上施加荷載，通過量測與結(jié)構(gòu)構(gòu)件工作性能有關(guān)的各種參數(shù)，包括變形、撓度、應(yīng)變、振幅、頻率等，從強(qiáng)度、剛度、抗裂性以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際破壞形態(tài)，判斷結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作性能，估計(jì)結(jié)構(gòu)的承載能力，確定結(jié)構(gòu)對使用要求的符合程度［1］。如果沒有實(shí)驗(yàn)作為實(shí)踐載體，學(xué)生對結(jié)構(gòu)構(gòu)成和原理很難形成清晰的概念［2-5］。為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，在原有的實(shí)驗(yàn)平臺基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，可用于鋼筋混凝土梁抗彎和抗剪實(shí)驗(yàn)，也可用于柱的抗壓實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺主要進(jìn)行了如下改進(jìn)：為了便于觀察跨中裂縫，采用四立柱形式；為了方便運(yùn)輸和增加可擴(kuò)展性，采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)；增加了柱子加載功能；為了方便千斤頂?shù)拇怪倍日{(diào)整，設(shè)計(jì)了垂直度校正器；為了方便測試不同跨距的試件，在底座上安裝了標(biāo)尺，便于精確調(diào)整不同尺寸跨距；為了便于測試小跨距試件和方便架設(shè)磁性表座，增加了2 個(gè)小臺座和2 個(gè)工字梁。該實(shí)驗(yàn)平臺不僅可用于結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還可用于土木工程的科研實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺

1.1 自平衡式實(shí)驗(yàn)平臺

自平衡式實(shí)驗(yàn)平臺采用由槽鋼和鋼板制成的預(yù)制件，通過螺栓連接組裝而成，如圖1 所示。自平衡式實(shí)驗(yàn)平臺長2.00 m、寬0.95 m、高1.93 m，設(shè)計(jì)承載力196 kN，采用四立柱形式，主要由加載橫梁、分載梁、立柱、底座、臺座等組成，附加配件有工字梁、支座、架梁裝置、對中尺、架表臺等。采用四立柱形式是為了便于在加載過程中觀察實(shí)驗(yàn)梁的跨中裂縫及柱子的加載。該裝置由各個(gè)獨(dú)立的鋼梁和配件通過螺栓連接組裝而成，采用自平衡原理，加載時(shí)靠裝置自身受力。

圖1 自平衡式實(shí)驗(yàn)平臺

加載橫梁由2 塊200 mm高的槽鋼和鋼板焊接而成，2 塊槽鋼并列在一起，兩端焊有2 塊端板，端板上有4 個(gè)圓孔，用于安裝。槽鋼的中部上下各焊有20 mm厚鋼板，可增加抗彎承載力。底板上安裝垂直度校正器和連接件，用于安裝傳感器和千斤頂，垂直度校正器校正千斤頂?shù)拇怪倍取?/p>

分載梁由250 mm 高的槽鋼和鋼板焊接而成，槽鋼兩端焊接了10 mm 厚的鋼板，有6 個(gè)圓孔，用于連接立柱，槽鋼中間部分有4 個(gè)圓孔，用于連接加載橫梁。

立柱由10 mm厚鋼板焊接而成，并在中心留有空間，便于油管插入，使油管不外露。立柱上端內(nèi)側(cè)有12 個(gè)圓孔，用于連接分載梁并調(diào)節(jié)高度。立柱底端焊10 mm厚鋼板，有4 個(gè)圓孔，用于連接底座豎梁。

底座豎梁、底座橫梁及底座連接板通過螺栓連接組成底座，底座上端裝有標(biāo)尺，用于標(biāo)注跨距。底座中間放置了2 個(gè)工字梁，用于小跨距試件加載。

底座上安放了4 個(gè)臺座，臺座上刻畫了對中線，用于定位支座位置及試件的對中，臺座用于安放支座及調(diào)整跨距。臺座有2 個(gè)大的、2 個(gè)小的，大的臺座用于安放大跨距試件，小的臺座用于安放小跨距試件和安裝磁性表座。

1.2 地槽式實(shí)驗(yàn)平臺

地槽式實(shí)驗(yàn)平臺采用地槽固定，利用地槽反力加載。該實(shí)驗(yàn)平臺由4 根焊接鋼柱、4 根鋼梁組成的底座，型鋼焊接成的加載橫梁及分載梁和臺座組成，如圖2 所示。地槽式實(shí)驗(yàn)平臺長2.40 m、寬0.89 m、高2.80 m，設(shè)計(jì)承載力588 kN，由4 根立柱固定于地槽中，底座由4 根鋼梁組合而成，置于4 根立柱之間，并與4 根立柱在橫向和縱向上保持對稱。臺座置于底座上，用于安放支座和試件。

圖2 地槽式實(shí)驗(yàn)平臺

由于底座長度只有2.40 m，因此最多可以加載2.00 m左右的試件。當(dāng)試件長度大于2.00 m 時(shí)，可采用擴(kuò)展臺加載，因此在底座的兩頭放置2 個(gè)擴(kuò)展臺，便于加載長試件。加載橫梁與分載梁連接在一起，并固定在4 根立柱上，將加載橫梁與分載梁升到頂，可以加載2.00 m以上的長柱。為了方便長梁安裝，設(shè)計(jì)了一個(gè)送梁裝置，送梁裝置由滾筒和固定座組成，1 套固定座安裝在送梁端的臺座上，2 套固定座安裝在豎向放置的臺座上。固定座安裝好后，將滾筒安裝在固定座上，即送梁裝置安裝完成。當(dāng)需要安裝長梁時(shí)，可以將試件吊裝在送梁裝置的滾筒上，平行推動(dòng)，即可將長梁輸送到需要的位置，用叉車抬起試件，卸下送梁裝置，然后安裝支座，對中校正，將試件安裝就位。

該實(shí)驗(yàn)平臺可用于柱的加載。當(dāng)加載長柱時(shí)，試件失穩(wěn)破壞后開始卸載。為防止卸載過程中試件和支座傾覆，設(shè)計(jì)了一個(gè)卡座，并安裝了防護(hù)門，卡座固定在加載橫梁上。當(dāng)試件破壞后，在卸載過程中，由于卡座的作用，試件靠在卡座上，支座落在試件上，避免了試件和支座的傾覆，并且支座可以方便取下。防護(hù)門用來防止試件破壞過程中碎塊四處飛散，確保了實(shí)驗(yàn)安全。為了測試試件的位移，設(shè)計(jì)了架表裝置。架表裝置由一塊10 mm厚的鋼板兩頭焊接固定座構(gòu)成，固定座開有螺紋孔，將架表裝置通過固定座固定在2 根立柱翼緣的內(nèi)側(cè)。裝好位移傳感器的磁性表座可以固定在架表裝置上，方便測量試件的位移。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 一體支座

一體支座如圖3 所示。

圖3 一體支座

目前所用的支座由滾軸和鋼板組成，不是一體的，所以在上梁過程中需要用手扶住鋼板，上完梁還要對支座進(jìn)行微調(diào)，而當(dāng)試件需要調(diào)整時(shí)，支座又偏離了位置。為了克服上述問題，設(shè)計(jì)了一體支座。一體支座不同于傳統(tǒng)支座。在閑置狀態(tài)時(shí)，通過連接件連接為一個(gè)整體，便于收納；當(dāng)處于工作狀態(tài)時(shí)，擰開連接件，與普通支座工作狀態(tài)一樣。一體支座由上支座、下支座、滾軸、槽板、固定板、螺栓等組成。通過固定板將上下支座及滾軸連接在一起，方便試件的安裝。當(dāng)試件位置確定后，松開或取下固定板，支座處于工作狀態(tài)。

2.2 對中系統(tǒng)

對中系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 對中系統(tǒng)

在結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，試件與千斤頂位置不對中或誤差較大導(dǎo)致加載過程中產(chǎn)生偏載現(xiàn)象，影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。為了便于對中，設(shè)計(jì)了一個(gè)對中系統(tǒng)，對中系統(tǒng)包括對中尺、臺座上對中線槽。設(shè)計(jì)了一個(gè)對中尺，對中尺由移動(dòng)尺和對中座組成，移動(dòng)尺上設(shè)有對中頭，對中座上設(shè)有基準(zhǔn)對中頭。先在立柱上畫好對中線，作為基準(zhǔn)位置，對中尺沿著對中線移動(dòng)，即可對中試件。臺座上刻有縱橫向?qū)χ芯€槽，可用于支座和梁對中。

2.3 垂直度校正器

垂直度校正器用于千斤頂?shù)拇怪倍刃Ｕ?，如圖5所示。

圖5 垂直度校正器

垂直度校正器由安裝座、球鉸連接軸、固定螺栓組成。安裝座設(shè)有球鉸槽，球鉸連接軸的球鉸頭安裝在球鉸槽中，由安裝座上4 個(gè)方向的鎖定螺栓固定。安裝座固定在實(shí)驗(yàn)平臺的加載橫梁上，球鉸連接軸下端連接螺栓與傳感器和千斤頂相連，松開4 個(gè)方向固定螺栓，便可校正千斤頂。千斤頂校正后，用千斤頂輕微加載鋼柱或鋼梁，確保球鉸連接軸壓緊球鉸槽，擰緊4個(gè)方向固定螺栓，從而保持住千斤頂?shù)男Ｕ隣顟B(tài)。

2.4 上梁裝置

為了減輕上梁的工作量，設(shè)計(jì)了一個(gè)上梁裝置。在實(shí)驗(yàn)平臺橫梁上采用螺栓和點(diǎn)焊的方式安裝導(dǎo)槽。上梁裝置由升降臺和導(dǎo)桿組成。升降臺由底座和升降桿組成，升降桿為雙導(dǎo)桿式，焊接在底座上；底座上裝有4 個(gè)輪子，可伸縮，當(dāng)需要移動(dòng)升降臺時(shí)，將4 個(gè)輪子旋出，當(dāng)升降臺需要固定時(shí)，將4 個(gè)輪子旋進(jìn)。導(dǎo)槽固定在實(shí)驗(yàn)平臺橫梁上，將導(dǎo)桿一端與導(dǎo)槽連接，并用螺栓固定。將導(dǎo)桿另一端架在升降臺的升降桿上，上梁裝置導(dǎo)桿中裝有軸承［6］，可在導(dǎo)桿中滑動(dòng)，滑動(dòng)軸承與手動(dòng)葫蘆連接，手動(dòng)葫蘆鉤子鉤住鋼絲繩，將試件梁套在鋼絲上。本裝置采用雙導(dǎo)軌雙手動(dòng)葫蘆形式，通過移動(dòng)推桿，帶動(dòng)雙手動(dòng)葫蘆一起聯(lián)動(dòng)，可使實(shí)驗(yàn)梁沿中心位置送進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺。當(dāng)梁的位置確定好后，調(diào)節(jié)手動(dòng)葫蘆，將梁降落在臺座上，并壓在支座上。上梁裝置采用拼接式設(shè)計(jì)，升降臺與導(dǎo)桿、推桿、手動(dòng)葫蘆均可拆卸。每個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺橫梁上鉆有安裝孔，因此可以共用一個(gè)上梁裝置，特別適合沒有行吊設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室使用。

2.5 試件加載系統(tǒng)

梁的位置調(diào)整好后，就可以架上磁性表座，安裝位移計(jì)或百分表，測量梁的位移。在梁上四分點(diǎn)的位置上放置2 個(gè)支座，將分載梁放在支座上，手動(dòng)加載液壓千斤頂，荷載通過分載梁傳遞給混凝土梁產(chǎn)生受彎的力［7］。實(shí)驗(yàn)加載方式如圖6 所示。

圖6 梁加載方式

實(shí)驗(yàn)平臺除了可進(jìn)行抗彎實(shí)驗(yàn)外，還可進(jìn)行柱子抗壓實(shí)驗(yàn)。將柱子放在底座連接板中心位置，臺座移到靠近柱子的位置，用于架設(shè)磁性表座，柱子頂部放置鋼板，也可在柱子的底部和頂部放置支座。為了確保安全，可在實(shí)驗(yàn)平臺的立柱上安裝防護(hù)罩和防護(hù)門。在加載過程中為了觀察柱子受力變化情況，防護(hù)門是打開的，接近破壞時(shí)關(guān)上防護(hù)門，保障安全。柱子加載方式如圖7 所示。實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)際加載如圖8 所示。

圖7 柱子加載方式

圖8 混凝梁加載圖

3 實(shí)驗(yàn)平臺承載力驗(yàn)算

3.1 加載橫梁承載力驗(yàn)算

實(shí)驗(yàn)平臺加載橫梁采用螺栓與分載梁連接，由于是單面連接，可視為鉸支，按兩端鉸支的簡支梁計(jì)算［8-9］，受力圖如圖9 所示。

圖9 加載橫梁受力和彎矩圖（mm）

彎矩、剪力、中點(diǎn)慣性矩、彎曲正應(yīng)力計(jì)算式為：

式中：M為跨中彎矩；MC和MD分別為C、D點(diǎn)彎矩；l為跨距；F為跨中集中力；lAC、lBD分別為AC、BD段長度；FA和FB分別為A、B點(diǎn)剪力；I為跨中慣性矩；a和b為加載橫梁上下焊接板截面尺寸；y為梁頂端距中性軸的距離；Ic為型鋼慣性矩；σ 為跨中彎曲正應(yīng)力；σC和σD分別為C、D點(diǎn)彎曲正應(yīng)力；Wx為截面抵抗剛度。彎曲正應(yīng)力滿足要求。

抗剪承載力［10］撓度計(jì)算式為

式中：V為計(jì)算截面沿腹板平面作用的剪力設(shè)計(jì)值；S為中和軸以上毛截面對中和軸的面矩；IA為毛截面慣性矩；tW為腹板厚度?？辜舫休d力滿足要求。泊松比計(jì)算式為

式中，E為彈性模量。撓度滿足要求。

加載橫梁采用4 個(gè)直徑22 mm螺栓連接，單個(gè)螺栓抗剪承載力和單個(gè)螺栓承壓承載力計(jì)算式為：

式中：nV為受剪面數(shù)目；d為螺栓桿有效直徑；∑t為不同受力方向中同一個(gè)受力方向承壓構(gòu)件總厚度的較小值；fbV、fbC分別為螺栓的抗剪和承壓強(qiáng)度，由查表得到。螺栓承載力滿足要求。

3.2 分載梁承載力驗(yàn)算

實(shí)驗(yàn)平臺分載梁采用螺栓與立柱連接，由于是單面連接，因此可視為鉸支座，受力圖如圖10 所示。

圖10 分載梁受力圖（mm）

分載梁承載力計(jì)算與加載橫梁相同。彎曲正應(yīng)力、抗剪承載力、撓度、螺栓承載力均滿足要求。

4 結(jié) 語

所提出的實(shí)驗(yàn)平臺可用于梁的抗彎、抗剪實(shí)驗(yàn)，各種小型試件抗彎實(shí)驗(yàn)，小型柱子抗壓實(shí)驗(yàn)等。實(shí)驗(yàn)平臺本身剛度大，不易產(chǎn)生變形，能確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。由于千斤頂在上方，符合正位加載方式，因此更容易被學(xué)生接受。實(shí)驗(yàn)平臺采用預(yù)制鋼梁組裝而成，因此方便運(yùn)輸，可擴(kuò)展性較強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)平臺可以安裝上梁裝置，上梁裝置有效減輕了上梁難度，節(jié)省了體力。實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)造簡單明了，便于操作，固定方式靈活，可以固定地槽上，也可以通過膨脹螺栓固定在地上。千斤頂垂直度可以通過垂直度校正器校正，從而避免實(shí)驗(yàn)梁偏載受力。裝配式綜合實(shí)驗(yàn)平臺是一種用于結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺，也是結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式的新探索。