空間復雜節點試驗裝置改進設計

朱文正,張季超,王富慶

(1.廣州大學 土木工程學院，廣東 廣州 510006； 2.河南中原黃金建筑安裝工程公司，河南 三門峽 472000)

由于試驗手段的限制，工科學生的課題研究多是進行有限元的模擬分析，但是結構試驗研究是科學研究不可或缺的[1-2]。為了拓展試驗研究項目，本文對實驗室原有設備進行了改造，以滿足空間復雜節點的試驗專題研究需求?？臻g結構節點形狀特殊、受力復雜，通?；谠突蚩s尺模型試驗研究其在荷載作用下的應力分布、極限承載力以及變形情況，以指導節點的計算、設計與施工。

反力墻加載裝置作為土木工程實驗室的重要加載裝備，可以用來完成多種平面結構的加載試驗[3-5]。對于復雜空間節點，可以通過增加附加裝置(如加工底盤等)的方式，實現簡化的加載試驗[6-7]。另外，為滿足復雜空間節點的加載試驗需求，國內外學者還設計制作了形式和功能各異的自平衡加載裝置，如日本東京大學設計制作了最大加載量為1 200 kN的鋼結構環形加載裝置，圓環采用箱形截面，內外徑分別為2.6 m和3.6 m[8]；張禁[9]設計了最大加載量為4 000 kN的多功能鋼結構加載環，其內外徑4.0 m和6.6 m；武振宇等[10]設計了一個L型反力架用于平面和特定空間節點的試驗加載；韓小雷等[11]設計制作了由一個平面矩形剛架和一個豎直的門式剛架組成的適合平面和幾種空間節點的試驗加載裝置。

針對某重點工程復雜空間節點的加載試驗，結合結構工程研究及實驗教學的需要，分別對反力墻加載裝置和自平衡加載裝置[12-13]進行設計改造。

1 節點構造與加載方案

1.1 節點試件

試驗節點為主管周圍焊接多個支管的復雜異型節點，支管間有搭接，主管中設置內加勁板，節點具體形狀如圖1和圖2所示。試驗節點試件與原型結構按1∶1的比例制作[14]。

圖1 試驗節點

圖2 節點桿件圖

1.2 加載方案

根據設計單位提供的桿件內力，并考慮試驗研究的需要，得到的各個桿件試驗加載值見表1。加載試驗分彈性、彈塑性2個階段進行。考慮多個桿件同步加載比較困難，試驗時采用部分桿件加載,其余桿件分別約束的方案。節點的有限元分析結果表明，對G6-1和G6-2施加主動力，而其他桿件被動受力時節點的內力與其在最不利荷載作用下的設計值非常接近。根據反力墻和自平衡加載裝置的特點，反力墻裝置加載的最大荷載為1.2倍的設計值，自平衡裝置加載的最大荷載為1.6倍的設計值。桿G6-1和G6-2施加的荷載及其他桿件的約束見表1。

表1 桿件試驗加載值及約束 kN

注：R為反力墻裝置加載；S為自平衡裝置加載。

2 兩種加載裝置的改進設計

2.1 反力墻加載裝置

反力墻加載裝置通過對復雜空間節點各個平面內的桿件分別進行彈性階段的加載試驗以及各平面加載結果的組合，實現復雜空間結構節點的加載試驗。水平荷載和斜向荷載由反力墻或者地面通過水平千斤頂施加；豎向荷載由門式剛架通過垂直千斤頂施加。

反力墻加載布置如圖3所示，加載連接裝置如圖4所示。

2.2 自平衡加載裝置

空間自平衡加載裝置可以通過對節點各個桿件同時進行約束或加載，準確模擬節點在彈、塑形階段的受力狀況?？紤]到反力架的空間要求以及節點的尺寸問題，在安裝前截短部分支桿，以使反力裝置的空間能夠容納節點；G1支承在放置在反力裝置下的反力梁上，反力裝置與反力梁之間設置墊塊；由于G7與垂直于主管的平面有約35°夾角，則另設一根反力梁通過兩根導梁與反力裝置連接，以承受G7的拉力。試驗裝配圖見圖5所示，連接裝置可參考反力墻裝置的連接構造。

3 對比分析

本研究分別對上述兩種加載裝置進行改進，完成了廣東科學中心空間復雜鋼結構節點的加載試驗，節點加載試驗如圖6和圖7所示。

圖3 反力墻加載布置示意圖

圖4 反力墻加載連接裝置

圖5 自平衡加載裝置試驗裝配圖

圖6 反力墻裝置鋼節點加載

圖7 自平衡反力裝置鋼節點加載

對空間復雜節點進行加載試驗時，基于反力墻的改進加載裝置可以先對空間節點的各個組成平面分別進行加載，然后合并為節點的空間受力狀態，可用于節點彈性階段受力狀況的研究。對于復雜空間節點，可以取其主要桿件加載，或者將試件的內力分解為幾個平面的力分別進行加載，因而較難準確地反映節點的實際受力狀態和性能，但不適用于節點極限承載力的研究。另外附屬構件與反力墻、地槽等的連接裝置和安裝工藝也較為復雜。

自平衡加載裝置可以較為真實地反映節點實際受力狀況，滿足復雜節點，特別是多個主要支管節點極限承載力研究的需求。另外，加載裝置及連接裝置的安裝也較利用反力墻加載裝置的改造容易。但自平衡加載裝置一般具有特定形式，在使用范圍上受到限制，其加載空間一般不易擴展，需要進行設計改造，有時需要截取試件中的桿件以滿足加載空間要求。

試驗表明，反力墻加載裝置對于由平面桿件體系組成的較簡單空間節點的加載試驗是有效和實用的；對于特別復雜的空間異型節點，利用自平衡裝置加載的效果較好，并且可以實現節點彈塑性階段受力狀態的研究。

4 結論

通過兩種試驗方案的對比分析，得出如下結論：

(1) 反力墻加載裝置對平面桿件體系組成節點彈性階段受力狀態的驗證效果較好；

(2) 自平衡加載裝置可以較為準確地反映節點的實際受力狀況，可用于復雜空間鋼節點，特別是多支管鋼節點彈塑性階段和極限承載力的試驗研究。

另外，本改進設計滿足空間復雜節點試驗的需求，拓展了結構試驗教學研究范圍。

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