CN103196684A - 结构试验全方位通用加载系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构试验全方位通用加载系统，设有一组半球加载结构，半球加载结构包括半球反力架以及与半球反力架相连的赤道环梁，半球反力架包括经向均匀布置的八道弧形经圈梁，赤道环梁与半球反力架的大圆截面重合，经圈梁与赤道环梁均为箱型截面，内部分布有径向加劲肋，且经圈梁与赤道环梁的内翼缘板上均设有多个模数化的高强螺栓孔。本发明所示的结构试验全方位通用加载系统不仅能实现空间任意方位的多点同步加载卸载，而且能适用于各种复杂结构试验件、超大荷载条件的加载，满足近年来大型工程结构的试验要求。
Description
技术领域
本发明属于结构工程试验领域，涉及一种用于结构试验的通用加载系统结构。
背景技术
在结构构件和节点的性能研究中，试验是非常重要的手段之一，很多工程设计和分析理论的可靠性需要依靠试验的方法来验证。随着大跨空间结构和高层建筑的建设规模的增大，工程结构构件和节点形式越来越复杂，相应的试验荷载越来越大，使得加载装置的设计制作耗费越来越大的成本，并且现有的结构加载装置普遍存在通用性较差的缺点，，增大试验周期的同时也造成了资源的巨大浪费。
近年来，国内外研究机构对开发可循环使用的试验装置进行了一系列探索和实践。同济大学钢与轻型结构研究室设计了可承受4000kN荷载的4146×4878×550mm平面矩形加载框，成功应用于不同节点的试验研究；日本东京大学奥村研究室设计制作了内径2.6m外径3.6m的钢结构加载环，最大加载能力1200kN。但是，以上装置只适用于平面加载，且有诸多的功能局限性。浙江大学机械与能源工程学院研发了“空间结构大型节点试验全方位加载装置”，可实现空间尺寸4m内的空间节点加载试验，但其采用的自动定位机械连接在超大荷载下并不可靠，刚度不足引起的变形会影响测量的精度，并且装置存在加载盲区；其能提供的最大推力/拉力为1200/800吨，也不能用于一些超大试验荷载的试验研究。
因此，针对现有试验装置成本昂贵、通用性差、安装定位复杂和浪费严重的问题，有必要提供一种开发通用性强，且能实现复杂工况加载的结构试验装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通用性强，且能实现复杂工况加载的结构试验空间全方位加载系统。
为达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种结构试验全方位通用加载系统，设有一组半球加载结构，所述半球加载结构包括半球反力架以及与所述半球反力架相连的赤道环梁，所述半球反力架包括经向均匀布置的八道 圆弧型经圈梁，所述赤道环梁与所述半球反力架的大圆截面重合，所述经圈梁与所述赤道环梁均为箱型截面，内部分布有径向加劲肋，且所述经圈梁与所述赤道环梁的内翼缘板上均设有多个模数化的高强螺栓孔。
所述相邻的经圈梁之间分别设有小纬度梁。
进一步的，所述小纬度梁的内翼缘板上也设有多个模数化的高强螺栓孔。
所述高强螺栓孔均匀分布于所述经圈梁、所述小纬度梁与所述赤道环梁的内翼缘板的两侧。
优选的，所述赤道环梁的内径为6112mm，外径为8112mm，所述高强螺栓孔按弧长方向150mm间距均匀布置于所述经圈梁与所述小纬度梁的内翼缘板的两侧；按弧长间距300mm、竖向间距150mm均匀布置于所述赤道环梁的内翼缘板的两侧，使得结构试验全方位通用加载系统最大能同时承受赤道环梁径向荷载30000kN和经圈梁径向荷载10000kN。
所述赤道环梁的腹板上还设有安装手孔，所述安装手孔均匀分布于所述赤道环梁的单侧腹板上。
所述赤道环梁、经圈梁以及小纬度梁的制作材料为Q345B结构钢材，所述高强螺栓孔的孔径为
本发明还公开了另一种结构试验全方位通用加载系统，包括对称设置的上半球加载结构、下半球加载结构以及连接所述上、下半球加载结构的连接件。
所述连接件为用于高强锚栓连接的耳板连接件，所述耳板连接件分布于所述上、下半球加载结构赤道环梁的外围。
所述结构试验全方位通用加载系统还设有反力架支撑柱，所述反力架支撑柱设于一组半球加载结构下部，与所述半球加载结构的经圈梁连接，以支撑所述结构试验全方位通用加载系统。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：本发明所示的结构试验全方位通用加载系统不仅能实现任意方位的空间多点同步加载卸载，而且能适用于各种复杂结构试验件、超大荷载条件的加载，满足近年来大型建筑的结构试验要求。同时在实际应用中，此加载系统还有利于方便快捷地进行试件吊装和定位。针对每一个构件或节点试验件，只需要设计相应的连接件就能实现试件与加载系统之间的可靠连接。
附图说明
图1为本发明所示一实施例的半球加载结构示意图；
图2为本发明所示一实施例的全球加载结构示意图；
图3为图2所示实施例的总体组成和布置的正视图；
图4（a）、图4（b）、图4（c）为上下半球加载结构的提升滑移系统的工作示意系列图；
图5是为本发明所示一实施例的赤道环梁的平面构造示意图；
图6是全球加载结构用于某空间复杂多杆节点试验的案例连接结构图；
图7用下半球加载结构完成的某空间网架结构中大型空间多管铸钢节点试验案例的连接结构图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种结构试验全方位通用加载系统，设有一组半球加载结构，半球加载结构包括半球反力架10，与半球反力架10相连的赤道环梁20，赤道环梁20与半球反力架10的大圆截面重合，半球反力架10包括经向均匀布置八道经圈梁12，本实施例中，经圈梁12与赤道环梁20均为箱型截面，内部分布有径向加劲肋，且经圈梁12与赤道环梁20的内翼缘板上分别设有多个模数化的高强螺栓孔30。
本实施例中，考虑到空间任意加载点的安装以及反力架整体的刚度，若半球反力架10设置4或6道经圈梁12时，经圈梁12之间经度相差90度，需要的连梁跨度太大，无法满足加载要求，且装置刚度不足。因此本实施例中，半球反力架10由8道经圈梁12组成。
本实施例中，为有效满足试验时局部承压的要求，在赤道环梁20和经圈梁12的箱型截面内部均设置径向加劲肋。
如图2所示，一种结构试验全方位通用加载系统，包括对称设置的上半球加载结构和下半球加载结构以及连接上、下半球加载结构的连接件40。本实施例中，连接件40为耳板连接件，分布于上下半球反力架10的赤道环梁20的外围，上、下半球加载结构之间连接时通过耳板锚栓固定。所有的经圈梁12与赤道环梁20的内翼缘板上设置模数化高强螺栓孔30用于试验件的安装。
在两上下两组半球加载结构合并形成全球反力架时，赤道环梁20的连接部位会受到很大的拉力和剪力。在这种情况下，采用锚栓和耳板固定连接两者是最有效可靠的方式。本实施例中，赤道环梁20外围分布有16个用于锚栓连接的耳板，每个耳板上可连接
的高强锚栓。
由于部分试验件所有加载点并不需要整个球体来包络，故将下半球加载结构做成独立的 反力架，其适用性和加载能力相对较低，但可用于多数结构试验。当试验荷载很大需要加强装置强度刚度，或试验件过于复杂导致下半球无法包含所有加载方位时，才须使用由对称设置上下半球加载结构组成的全球反力架。
图4显示了上半球加载结构的提升滑移系统的工作机制，图4（a）为上半球加载结构顶升前的位置，图4（b）和图4（c）显示了上半球加载结构滑移至滑移钢架平面的过程。采用下半球反力架试验时，通过提升系统可以将上球体提升3m，上半球加载结构被提升后置于滑移刚架上，然后滑移刚架将其滑移到下半球加载结构的一侧；采用全球反力架进行试验时，首先将试验件在下半球定位安装，然后按前述操作的反流程将上下半球闭合，通过高强锚栓上下赤道环梁外围的耳板连接件锚固形成全球反力架，最后在内部完成试验件与上半球的连接。
本实施例中，相邻的经圈梁12之间还设有小纬度梁60，小纬度梁60组成纬度圈。小纬度梁的设置是为了提高整个半球的整体刚度，为经圈梁12提供一个面外支承，同时也避免赤道环梁20承担过大的内力。另外，小纬度梁60还是现场安装时人站立和工作的平台。经有限元计算分析，纬度圈设置一根足够满足反力架的受力要求；同时小纬度梁60的安装高度并无特殊限制，安装完毕后小纬度梁60与赤道环梁20之间能站人即可。
本实施例中，小纬度梁60的内翼缘板上也设有多个模数化的高强螺栓孔30。
本实施例中，赤道环梁20的上还设有手孔22，手孔22分别设置于赤道环梁20的腹板上，直径为200mm。由于赤道环梁20内部加劲肋的设置，因此一个手孔22内可以进行赤道环梁20内翼缘上两排螺栓的拧紧操作。
本实施例中，赤道环梁20的内径为6112mm，外径为8112mm，高强螺栓孔30均匀分布于经圈梁12、小纬度梁60的内翼缘板的两侧，按弧长方向150mm间距均匀布置。高强螺栓孔30均匀分布于赤道环梁20的内翼缘板的两侧，按弧长方向300mm、竖向150mm间距设置。赤道环梁20尺寸的设置综合考虑了多种因素，主要是内翼缘板上螺栓孔的模数化布置以及整个试验场地的空间限制。内径6112mm的安装和加载空间能满足较大空间尺度的结构试验件，使得结构试验全方位通用加载系统最大能同时承受赤道环梁径向荷载30000kN和经圈梁径向荷载10000kN，也适应试验场地的规划要求。
本实施例中，结构试验全方位通用加载系统还设有反力架支撑柱50，反力架支撑柱50设于下半球反力架下部，用于支撑整个结构试验全方位通用加载系统。本实施例中，反力架支撑柱50包括由八个钢柱支撑。实际建设中，支撑柱底座为深2.5m的基坑底部，因此加载系统的地面净高约为6m。
本发明所示的，结构试验全方位通用加载系统形成清晰的传力路径：经圈梁12上的荷载转化为其与赤道环梁20连接处的拉力或压力，半球反力架10对赤道环梁20的“紧箍”作用增大了后者刚度；为增强半球反力架10的刚度，又设置小纬度梁作为经圈梁的侧向支撑，其内翼缘板上同样设置模数化的高强螺栓孔。本加载结构中采用圆弧形梁的一大好处在于作用荷载的径向分量直接转化为曲梁截面的轴力，最大程度减小了弯矩作用，充分发挥钢材的性能。本实施例中，结构试验全方位通用加载系统的赤道环梁20、经圈梁12以及小纬度梁60的制作材料为Q345B结构钢材。
图6是全球反力架用于某空间复杂多杆节点试验的案例。试件有11个不同的空间加载点，采用10个千斤顶对各支管同步施加轴向荷载。其中，部分加载端的连接件直接连接在赤道环梁20和半球反力架10上；位于两半球反力架之间的加载点，则通过连梁提供加载端支座。试验研究了空间多管焊接节点的破坏模式及承载力，为理论分析和模型建立提供了校准基础。
图7是采用下半球反力架完成的某空间网架结构中的大型铸钢节点试验案例。试验最大荷载达10000kN，最多7个空间加载点，模拟节点在轴力和双向弯矩下的受力性能。图7中，节点试验件的一根支管通过连接件固定在反力架赤道环梁20上，五根受压弯作用支管通过端部千斤顶施加偏心的轴向压力，一根受拉弯作用的支管通过特殊设计的拉力换向装置施加偏心拉力。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种结构试验全方位通用加载系统，其特征在于：设有一组半球加载结构，所述半球加载结构包括半球反力架以及与所述半球反力架相连的赤道环梁，所述半球反力架包括经向均匀布置的八道弧形经圈梁，所述赤道环梁与所述半球反力架的大圆截面重合，所述经圈梁与所述赤道环梁均为箱型截面，内部分布有径向加劲肋，且所述经圈梁与所述赤道环梁的内翼缘板上均设有多个模数化的高强螺栓孔。
2.根据权利要求1所述的结构试验全方位通用加载系统，其特征在于：所述相邻的经圈梁之间分别设有小纬度梁。
3.根据权利要求2所述的结构试验全方位通用加载系统，其特征在于：所述小纬度梁的内翼缘板上设有多个模数化的高强螺栓孔。
4.根据权利要求3所述的结构试验全方位通用加载系统，其特征在于：所述高强螺栓孔均匀分布于所述经圈梁、所述小纬度梁与所述赤道环梁的内翼缘板的两侧。
5.根据权利要求3所述的结构试验全方位通用加载系统，其特征在于：所述赤道环梁的内径为6112mm，外径为8112mm，所述高强螺栓孔按弧长方向150mm间距均匀布置于所述经圈梁与所述小纬度梁的内翼缘板的两侧；按弧长间距300mm、竖向间距150mm均匀布置于所述赤道环梁的内翼缘板的两侧。
6.根据权利要求1所述的结构试验全方位通用加载系统，其特征在于：所述赤道环梁的腹板上还设有安装手孔，所述安装手孔均匀分布于所述赤道环梁的单侧腹板上。
7.根据权利要求1所述的结构试验全方位通用加载系统，其特征在于：所述赤道环梁、经圈梁以及小纬度梁的制作材料为Q345B结构钢材。
8.根据权利要求1所述的结构试验全方位通用加载系统，其特征在于：包括对称设置的上半球加载结构和下半球加载结构以及连接所述上、下半球加载结构的连接件。
9.根据权利要求8所述的结构试验全方位通用加载系统，其特征在于：所述连接件为用于高强锚栓连接的耳板连接件，所述耳板连接件分布于所述上、下半球加载结构赤道环梁的外围。
10.根据权利要求1或8所述的结构试验全方位通用加载系统，其特征在于：还设有反力架支撑柱，所述反力架支撑柱设于一组半球加载结构的下部，与所述半球加载结构的经圈梁连接。
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