結構實驗綜合實驗平臺設計

鄒 建， 龔永智， 李耀莊

（中南大學土木工程學院，長沙 410075）

0 引 言

結構實驗是通過儀器設備和工具，以各種實驗技術手段，在結構構件實物或模型上施加荷載，通過量測與結構構件工作性能有關的各種參數，包括變形、撓度、應變、振幅、頻率等，從強度、剛度、抗裂性以及結構構件的實際破壞形態，判斷結構的實際工作性能，估計結構的承載能力，確定結構對使用要求的符合程度［1］。如果沒有實驗作為實踐載體，學生對結構構成和原理很難形成清晰的概念［2-5］。為了提高實驗教學效果，在原有的實驗平臺基礎上設計了一種新的教學實驗平臺，可用于鋼筋混凝土梁抗彎和抗剪實驗，也可用于柱的抗壓實驗。實驗平臺主要進行了如下改進：為了便于觀察跨中裂縫，采用四立柱形式；為了方便運輸和增加可擴展性，采用裝配式鋼結構；增加了柱子加載功能；為了方便千斤頂的垂直度調整，設計了垂直度校正器；為了方便測試不同跨距的試件，在底座上安裝了標尺，便于精確調整不同尺寸跨距；為了便于測試小跨距試件和方便架設磁性表座，增加了2 個小臺座和2 個工字梁。該實驗平臺不僅可用于結構實驗教學，還可用于土木工程的科研實驗。

1 實驗平臺

1.1 自平衡式實驗平臺

自平衡式實驗平臺采用由槽鋼和鋼板制成的預制件，通過螺栓連接組裝而成，如圖1 所示。自平衡式實驗平臺長2.00 m、寬0.95 m、高1.93 m，設計承載力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驗梁的跨中裂縫及柱子的加載。該裝置由各個獨立的鋼梁和配件通過螺栓連接組裝而成，采用自平衡原理，加載時靠裝置自身受力。

圖1 自平衡式實驗平臺

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的垂直度。

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 個圓孔，用于連接立柱，槽鋼中間部分有4 個圓孔，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。立柱上端內側有12 個圓孔，用于連接分載梁并調節高度。立柱底端焊10 mm厚鋼板，有4 個圓孔，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，底座上端裝有標尺，用于標注跨距。底座中間放置了2 個工字梁，用于小跨距試件加載。

底座上安放了4 個臺座，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整跨距。臺座有2 個大的、2 個小的，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 地槽式實驗平臺

地槽式實驗平臺采用地槽固定，利用地槽反力加載。該實驗平臺由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。地槽式實驗平臺長2.40 m、寬0.89 m、高2.80 m，設計承載力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 地槽式實驗平臺

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。當試件長度大于2.00 m 時，可采用擴展臺加載，因此在底座的兩頭放置2 個擴展臺，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，設計了一個送梁裝置，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。當需要安裝長梁時，可以將試件吊裝在送梁裝置的滾筒上，平行推動，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。

該實驗平臺可用于柱的加載。當加載長柱時，試件失穩破壞后開始卸載。為防止卸載過程中試件和支座傾覆，設計了一個卡座，并安裝了防護門，卡座固定在加載橫梁上。當試件破壞后，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。防護門用來防止試件破壞過程中碎塊四處飛散，確保了實驗安全。為了測試試件的位移，設計了架表裝置。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 根立柱翼緣的內側。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 結構設計

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行微調，而當試件需要調整時，支座又偏離了位置。為了克服上述問題，設計了一體支座。一體支座不同于傳統支座。在閑置狀態時，通過連接件連接為一個整體，便于收納；當處于工作狀態時，擰開連接件，與普通支座工作狀態一樣。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。當試件位置確定后，松開或取下固定板，支座處于工作狀態。

2.2 對中系統

對中系統如圖4 所示。

圖4 對中系統

在結構實驗教學中，試件與千斤頂位置不對中或誤差較大導致加載過程中產生偏載現象，影響了實驗教學效果。為了便于對中，設計了一個對中系統，對中系統包括對中尺、臺座上對中線槽。設計了一個對中尺，對中尺由移動尺和對中座組成，移動尺上設有對中頭，對中座上設有基準對中頭。先在立柱上畫好對中線，作為基準位置，對中尺沿著對中線移動，即可對中試件。臺座上刻有縱橫向對中線槽，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的垂直度校正，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 個方向的鎖定螺栓固定。安裝座固定在實驗平臺的加載橫梁上，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個方向固定螺栓，從而保持住千斤頂的校正狀態。

2.4 上梁裝置

為了減輕上梁的工作量，設計了一個上梁裝置。在實驗平臺橫梁上采用螺栓和點焊的方式安裝導槽。上梁裝置由升降臺和導桿組成。升降臺由底座和升降桿組成，升降桿為雙導桿式，焊接在底座上；底座上裝有4 個輪子，可伸縮，當需要移動升降臺時，將4 個輪子旋出，當升降臺需要固定時，將4 個輪子旋進。導槽固定在實驗平臺橫梁上，將導桿一端與導槽連接，并用螺栓固定。將導桿另一端架在升降臺的升降桿上，上梁裝置導桿中裝有軸承［6］，可在導桿中滑動，滑動軸承與手動葫蘆連接，手動葫蘆鉤子鉤住鋼絲繩，將試件梁套在鋼絲上。本裝置采用雙導軌雙手動葫蘆形式，通過移動推桿，帶動雙手動葫蘆一起聯動，可使實驗梁沿中心位置送進實驗平臺。當梁的位置確定好后，調節手動葫蘆，將梁降落在臺座上，并壓在支座上。上梁裝置采用拼接式設計，升降臺與導桿、推桿、手動葫蘆均可拆卸。每個實驗平臺橫梁上鉆有安裝孔，因此可以共用一個上梁裝置，特別適合沒有行吊設備的實驗室使用。

2.5 試件加載系統

梁的位置調整好后，就可以架上磁性表座，安裝位移計或百分表，測量梁的位移。在梁上四分點的位置上放置2 個支座，將分載梁放在支座上，手動加載液壓千斤頂，荷載通過分載梁傳遞給混凝土梁產生受彎的力［7］。實驗加載方式如圖6 所示。

圖6 梁加載方式

實驗平臺除了可進行抗彎實驗外，還可進行柱子抗壓實驗。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，可在實驗平臺的立柱上安裝防護罩和防護門。在加載過程中為了觀察柱子受力變化情況，防護門是打開的，接近破壞時關上防護門，保障安全。柱子加載方式如圖7 所示。實驗平臺實際加載如圖8 所示。

圖7 柱子加載方式

圖8 混凝梁加載圖

3 實驗平臺承載力驗算

3.1 加載橫梁承載力驗算

實驗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、中點慣性矩、彎曲正應力計算式為：

式中：M為跨中彎矩；MC和MD分別為C、D點彎矩；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 為跨中彎曲正應力；σC和σD分別為C、D點彎曲正應力；Wx為截面抵抗剛度。彎曲正應力滿足要求。

抗剪承載力［10］撓度計算式為

式中：V為計算截面沿腹板平面作用的剪力設計值；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 個直徑22 mm螺栓連接，單個螺栓抗剪承載力和單個螺栓承壓承載力計算式為：

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

3.2 分載梁承載力驗算

實驗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）

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

4 結 語

所提出的實驗平臺可用于梁的抗彎、抗剪實驗，各種小型試件抗彎實驗，小型柱子抗壓實驗等。實驗平臺本身剛度大，不易產生變形，能確保實驗數據準確。由于千斤頂在上方，符合正位加載方式，因此更容易被學生接受。實驗平臺采用預制鋼梁組裝而成，因此方便運輸，可擴展性較強。實驗平臺可以安裝上梁裝置，上梁裝置有效減輕了上梁難度，節省了體力。實驗平臺構造簡單明了，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，從而避免實驗梁偏載受力。裝配式綜合實驗平臺是一種用于結構實驗教學的綜合實驗平臺，也是結構實驗教學形式的新探索。