结构实验综合实验平台设计

邹 建， 龚永智， 李耀庄

（中南大学土木工程学院，长沙 410075）

0 引 言

结构实验是通过仪器设备和工具，以各种实验技术手段，在结构构件实物或模型上施加荷载，通过量测与结构构件工作性能有关的各种参数，包括变形、挠度、应变、振幅、频率等，从强度、刚度、抗裂性以及结构构件的实际破坏形态，判断结构的实际工作性能，估计结构的承载能力，确定结构对使用要求的符合程度［1］。如果没有实验作为实践载体，学生对结构构成和原理很难形成清晰的概念［2-5］。为了提高实验教学效果，在原有的实验平台基础上设计了一种新的教学实验平台，可用于钢筋混凝土梁抗弯和抗剪实验，也可用于柱的抗压实验。实验平台主要进行了如下改进：为了便于观察跨中裂缝，采用四立柱形式；为了方便运输和增加可扩展性，采用装配式钢结构；增加了柱子加载功能；为了方便千斤顶的垂直度调整，设计了垂直度校正器；为了方便测试不同跨距的试件，在底座上安装了标尺，便于精确调整不同尺寸跨距；为了便于测试小跨距试件和方便架设磁性表座，增加了2 个小台座和2 个工字梁。该实验平台不仅可用于结构实验教学，还可用于土木工程的科研实验。

1 实验平台

1.1 自平衡式实验平台

自平衡式实验平台采用由槽钢和钢板制成的预制件，通过螺栓连接组装而成，如图1 所示。自平衡式实验平台长2.00 m、宽0.95 m、高1.93 m，设计承载力196 kN，采用四立柱形式，主要由加载横梁、分载梁、立柱、底座、台座等组成，附加配件有工字梁、支座、架梁装置、对中尺、架表台等。采用四立柱形式是为了便于在加载过程中观察实验梁的跨中裂缝及柱子的加载。该装置由各个独立的钢梁和配件通过螺栓连接组装而成，采用自平衡原理，加载时靠装置自身受力。

图1 自平衡式实验平台

加载横梁由2 块200 mm高的槽钢和钢板焊接而成，2 块槽钢并列在一起，两端焊有2 块端板，端板上有4 个圆孔，用于安装。槽钢的中部上下各焊有20 mm厚钢板，可增加抗弯承载力。底板上安装垂直度校正器和连接件，用于安装传感器和千斤顶，垂直度校正器校正千斤顶的垂直度。

分载梁由250 mm 高的槽钢和钢板焊接而成，槽钢两端焊接了10 mm 厚的钢板，有6 个圆孔，用于连接立柱，槽钢中间部分有4 个圆孔，用于连接加载横梁。

立柱由10 mm厚钢板焊接而成，并在中心留有空间，便于油管插入，使油管不外露。立柱上端内侧有12 个圆孔，用于连接分载梁并调节高度。立柱底端焊10 mm厚钢板，有4 个圆孔，用于连接底座竖梁。

底座竖梁、底座横梁及底座连接板通过螺栓连接组成底座，底座上端装有标尺，用于标注跨距。底座中间放置了2 个工字梁，用于小跨距试件加载。

底座上安放了4 个台座，台座上刻画了对中线，用于定位支座位置及试件的对中，台座用于安放支座及调整跨距。台座有2 个大的、2 个小的，大的台座用于安放大跨距试件，小的台座用于安放小跨距试件和安装磁性表座。

1.2 地槽式实验平台

地槽式实验平台采用地槽固定，利用地槽反力加载。该实验平台由4 根焊接钢柱、4 根钢梁组成的底座，型钢焊接成的加载横梁及分载梁和台座组成，如图2 所示。地槽式实验平台长2.40 m、宽0.89 m、高2.80 m，设计承载力588 kN，由4 根立柱固定于地槽中，底座由4 根钢梁组合而成，置于4 根立柱之间，并与4 根立柱在横向和纵向上保持对称。台座置于底座上，用于安放支座和试件。

图2 地槽式实验平台

由于底座长度只有2.40 m，因此最多可以加载2.00 m左右的试件。当试件长度大于2.00 m 时，可采用扩展台加载，因此在底座的两头放置2 个扩展台，便于加载长试件。加载横梁与分载梁连接在一起，并固定在4 根立柱上，将加载横梁与分载梁升到顶，可以加载2.00 m以上的长柱。为了方便长梁安装，设计了一个送梁装置，送梁装置由滚筒和固定座组成，1 套固定座安装在送梁端的台座上，2 套固定座安装在竖向放置的台座上。固定座安装好后，将滚筒安装在固定座上，即送梁装置安装完成。当需要安装长梁时，可以将试件吊装在送梁装置的滚筒上，平行推动，即可将长梁输送到需要的位置，用叉车抬起试件，卸下送梁装置，然后安装支座，对中校正，将试件安装就位。

该实验平台可用于柱的加载。当加载长柱时，试件失稳破坏后开始卸载。为防止卸载过程中试件和支座倾覆，设计了一个卡座，并安装了防护门，卡座固定在加载横梁上。当试件破坏后，在卸载过程中，由于卡座的作用，试件靠在卡座上，支座落在试件上，避免了试件和支座的倾覆，并且支座可以方便取下。防护门用来防止试件破坏过程中碎块四处飞散，确保了实验安全。为了测试试件的位移，设计了架表装置。架表装置由一块10 mm厚的钢板两头焊接固定座构成，固定座开有螺纹孔，将架表装置通过固定座固定在2 根立柱翼缘的内侧。装好位移传感器的磁性表座可以固定在架表装置上，方便测量试件的位移。

2 结构设计

2.1 一体支座

一体支座如图3 所示。

图3 一体支座

目前所用的支座由滚轴和钢板组成，不是一体的，所以在上梁过程中需要用手扶住钢板，上完梁还要对支座进行微调，而当试件需要调整时，支座又偏离了位置。为了克服上述问题，设计了一体支座。一体支座不同于传统支座。在闲置状态时，通过连接件连接为一个整体，便于收纳；当处于工作状态时，拧开连接件，与普通支座工作状态一样。一体支座由上支座、下支座、滚轴、槽板、固定板、螺栓等组成。通过固定板将上下支座及滚轴连接在一起，方便试件的安装。当试件位置确定后，松开或取下固定板，支座处于工作状态。

2.2 对中系统

对中系统如图4 所示。

图4 对中系统

在结构实验教学中，试件与千斤顶位置不对中或误差较大导致加载过程中产生偏载现象，影响了实验教学效果。为了便于对中，设计了一个对中系统，对中系统包括对中尺、台座上对中线槽。设计了一个对中尺，对中尺由移动尺和对中座组成，移动尺上设有对中头，对中座上设有基准对中头。先在立柱上画好对中线，作为基准位置，对中尺沿着对中线移动，即可对中试件。台座上刻有纵横向对中线槽，可用于支座和梁对中。

2.3 垂直度校正器

垂直度校正器用于千斤顶的垂直度校正，如图5所示。

图5 垂直度校正器

垂直度校正器由安装座、球铰连接轴、固定螺栓组成。安装座设有球铰槽，球铰连接轴的球铰头安装在球铰槽中，由安装座上4 个方向的锁定螺栓固定。安装座固定在实验平台的加载横梁上，球铰连接轴下端连接螺栓与传感器和千斤顶相连，松开4 个方向固定螺栓，便可校正千斤顶。千斤顶校正后，用千斤顶轻微加载钢柱或钢梁，确保球铰连接轴压紧球铰槽，拧紧4个方向固定螺栓，从而保持住千斤顶的校正状态。

2.4 上梁装置

为了减轻上梁的工作量，设计了一个上梁装置。在实验平台横梁上采用螺栓和点焊的方式安装导槽。上梁装置由升降台和导杆组成。升降台由底座和升降杆组成，升降杆为双导杆式，焊接在底座上；底座上装有4 个轮子，可伸缩，当需要移动升降台时，将4 个轮子旋出，当升降台需要固定时，将4 个轮子旋进。导槽固定在实验平台横梁上，将导杆一端与导槽连接，并用螺栓固定。将导杆另一端架在升降台的升降杆上，上梁装置导杆中装有轴承［6］，可在导杆中滑动，滑动轴承与手动葫芦连接，手动葫芦钩子钩住钢丝绳，将试件梁套在钢丝上。本装置采用双导轨双手动葫芦形式，通过移动推杆，带动双手动葫芦一起联动，可使实验梁沿中心位置送进实验平台。当梁的位置确定好后，调节手动葫芦，将梁降落在台座上，并压在支座上。上梁装置采用拼接式设计，升降台与导杆、推杆、手动葫芦均可拆卸。每个实验平台横梁上钻有安装孔，因此可以共用一个上梁装置，特别适合没有行吊设备的实验室使用。

2.5 试件加载系统

梁的位置调整好后，就可以架上磁性表座，安装位移计或百分表，测量梁的位移。在梁上四分点的位置上放置2 个支座，将分载梁放在支座上，手动加载液压千斤顶，荷载通过分载梁传递给混凝土梁产生受弯的力［7］。实验加载方式如图6 所示。

图6 梁加载方式

实验平台除了可进行抗弯实验外，还可进行柱子抗压实验。将柱子放在底座连接板中心位置，台座移到靠近柱子的位置，用于架设磁性表座，柱子顶部放置钢板，也可在柱子的底部和顶部放置支座。为了确保安全，可在实验平台的立柱上安装防护罩和防护门。在加载过程中为了观察柱子受力变化情况，防护门是打开的，接近破坏时关上防护门，保障安全。柱子加载方式如图7 所示。实验平台实际加载如图8 所示。

图7 柱子加载方式

图8 混凝梁加载图

3 实验平台承载力验算

3.1 加载横梁承载力验算

实验平台加载横梁采用螺栓与分载梁连接，由于是单面连接，可视为铰支，按两端铰支的简支梁计算［8-9］，受力图如图9 所示。

图9 加载横梁受力和弯矩图（mm）

弯矩、剪力、中点惯性矩、弯曲正应力计算式为：

式中：M为跨中弯矩；MC和MD分别为C、D点弯矩；l为跨距；F为跨中集中力；lAC、lBD分别为AC、BD段长度；FA和FB分别为A、B点剪力；I为跨中惯性矩；a和b为加载横梁上下焊接板截面尺寸；y为梁顶端距中性轴的距离；Ic为型钢惯性矩；σ 为跨中弯曲正应力；σC和σD分别为C、D点弯曲正应力；Wx为截面抵抗刚度。弯曲正应力满足要求。

抗剪承载力［10］挠度计算式为

式中：V为计算截面沿腹板平面作用的剪力设计值；S为中和轴以上毛截面对中和轴的面矩；IA为毛截面惯性矩；tW为腹板厚度。抗剪承载力满足要求。泊松比计算式为

式中，E为弹性模量。挠度满足要求。

加载横梁采用4 个直径22 mm螺栓连接，单个螺栓抗剪承载力和单个螺栓承压承载力计算式为：

式中：nV为受剪面数目；d为螺栓杆有效直径；∑t为不同受力方向中同一个受力方向承压构件总厚度的较小值；fbV、fbC分别为螺栓的抗剪和承压强度，由查表得到。螺栓承载力满足要求。

3.2 分载梁承载力验算

实验平台分载梁采用螺栓与立柱连接，由于是单面连接，因此可视为铰支座，受力图如图10 所示。

图10 分载梁受力图（mm）

分载梁承载力计算与加载横梁相同。弯曲正应力、抗剪承载力、挠度、螺栓承载力均满足要求。

4 结 语

所提出的实验平台可用于梁的抗弯、抗剪实验，各种小型试件抗弯实验，小型柱子抗压实验等。实验平台本身刚度大，不易产生变形，能确保实验数据准确。由于千斤顶在上方，符合正位加载方式，因此更容易被学生接受。实验平台采用预制钢梁组装而成，因此方便运输，可扩展性较强。实验平台可以安装上梁装置，上梁装置有效减轻了上梁难度，节省了体力。实验平台构造简单明了，便于操作，固定方式灵活，可以固定地槽上，也可以通过膨胀螺栓固定在地上。千斤顶垂直度可以通过垂直度校正器校正，从而避免实验梁偏载受力。装配式综合实验平台是一种用于结构实验教学的综合实验平台，也是结构实验教学形式的新探索。