拉壓雙作用梁式反力架的研制

柴振嶺， 郭子雄， 黃群賢

(華僑大學 土木工程學院， 福建 泉州 362021)

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拉壓雙作用梁式反力架的研制

柴振嶺， 郭子雄， 黃群賢

(華僑大學 土木工程學院， 福建 泉州 362021)

采用有限元數值模擬與理論分析相結合的方法,研制了一種適用于教學與科研的拉壓雙作用梁式反力架。反力架主要由縱梁、立柱、橫梁、高強拉桿和其他輔助件組成，最大試驗凈空為5.9 m×5.2 m(長×高),可滿足拉1 MN和壓2 MN的豎向往復荷載使用要求。應用實踐表明，該反力架不僅能夠滿足強度、剛度和穩定性等力學指標，而且還具有安裝調節方便、適用范圍廣等優點，在科研及實驗教學中具有一定的示范應用推廣價值。

土木工程試驗； 雙作用； 梁式反力架； 實驗教學

0 引 言

土木工程結構試驗在工程結構科學研究和技術革新等方面起著重要的作用[1]。荷載支承裝置與臺座是滿足土木工程結構試驗荷載設計、實現荷載圖式、結構受力和邊界條件要求以及保證試驗加載正常進行的關鍵之一[2-4]。反力架作為一種常用荷載支承裝置在各高校及廠礦企業廣泛應用，但現有的反力架尚存在如下幾方面問題：① 功能單一，應用范圍小。作為一種通用荷載支承裝置，反力架應盡可能滿足多種類型試驗需要，但現有多數反力架主要用來提供單向反力(一般為壓力)，不能提供拉、壓雙作用反力；另外多數反力架只能滿足單點加載要求，無法開展多點加載試驗，反力架應用范圍嚴重受限。② 安裝、拆卸、調節性能差。為滿足不同試件尺寸、不同試件類型試驗需要，反力架需要經常拆卸與調節，安裝調節是否方便是直接影響反力架使用效率，也是反力架能否具有示范宣傳價值的關鍵因素。③ 與試驗設備配套性能差。通常情況下，豎向加載設備固定在反力架上，但目前多數反力架因在孔位設計、截面設計等方面考慮不周，反力架與試驗設備配套性能差，不但影響試驗效果，而且還很容易發生安全事故。

綜上所述，目前用于土木工程結構試驗研究的反力架尚存在諸多問題，因此研制結構簡單、適用范圍廣、安裝調節方便的新型反力架具有重要實際意義，部分高校已根據各自實際情況在該方面進行了探索并取得了一定進展[5-17]。鑒于此，本文研制了一種用于土木工程結構試驗研究的新型反力架——拉壓雙作用梁式反力架。通過本裝置的研制與應用，希望能為其他高校提供設計與應用參考。

1 研制過程

1.1 設計方案

反力架作為土木工程結構試驗研究的核心荷載支承裝置，其合理的設計通常應從功能特性、試驗能力定位、結構形式、安裝調節便利性、及后期可改造性、加工難度及造價等諸多方面全面考慮。本裝置設計主要從如下幾方面綜合考慮：

(1) 功能特性。為使反力架具備雙作用加載功能，以滿足開展梁式構件疲勞試驗、阻尼器性能試驗等研究性試驗需要，本裝置通過巧妙合理增設4根高強預應力剛性拉桿，相對于傳統的反力架，在總造價增加不足1%情況下，裝置的試驗功能大幅增加，而且增強了其安裝拆卸便利性。

(2) 試驗能力。對于荷載支承裝置而言，其試驗能力主要指其能提供的最大反力以及其最大允許試驗凈空間兩方面。反力架荷載能力直接與造價以及實驗室現場條件等相關，不同單位應根據各自實際情況，結合可能開展的試驗項目，確定試驗裝置的試驗能力。目前工科高校實驗室現有梁式反力架的荷載試驗能力：0.5～1.5 MN；凈空間試驗能力：2.5～4.0 m(長)，3.0～5.0 m(高)。

根據華僑大學土木工程學院結構實驗室實際發展情況以及科研試驗項目需要，本文研制的雙作用反力架，其荷載能力設計為：1.0 MN(拉)與2.0 MN(壓)，凈空間能力為：5.9 m×5.2 m(長×高)，基本可滿足大多數結構與構件試驗要求。

(3) 結構形式。對荷載能力較高而對凈空間能力要求不高的反力架采用“單門式”結構形式比較合理；同時對荷載能力與凈空間能力要求較高的反力架采用“大梁式”比較合理。本文提出的雙作用反力架采用“大梁式”結構形式設計制作。

(4) 安裝調節便利性。與試驗設備不同，反力架屬于荷載支承裝置，為滿足不同尺寸試件試驗要求，試驗空間經常需要調整。梁端固定形式、大梁有無專門設計吊環、立柱是否設計吊孔、反力架預留孔大小、間距是否考慮通用設備的安裝固定等細節問題均影響反力架使用便利性。本文設計的雙作用反力架均綜合考慮如上細節問題，最大限度增加其使用便利性。

(5) 升級改造及可擴展性。隨著社會高速發展，結構新材料、新體系、新工藝不斷涌現，試驗要求與形式也各不相同，因此試驗裝置應具有一定的可改造性及可擴展性，方可適應社會高速發展對試驗的新要求。各高校應從實驗預期開展室試驗項目的情況考慮反力架的可改造性及可擴展性。

根據我院結構實驗室開展試驗項目情況，今后可能開展大比例或足尺結構與構件的試驗，因此本反力架設計時考慮了立柱與箱型梁的拓展連接性，以最大限度滿足今后升級改造的需求。

(6) 制作可行性及造價。方案設計時應考慮到施工的可行性及造價等因素。過分追求方案設計而忽略制作可行性也是不可取的。綜合考慮如上因素，課題組經過反復論證，反力架設計加工圖如圖1所示。

1.2 部件設計及驗算

該裝置主要由1根縱梁、4根立柱(含柱腳)、4根橫梁、4根特制高強拉桿及其他配件組成。考慮到鋼材強度及可焊性等因素，梁、柱選用Q345鋼材制作。

1.2.1 縱梁設計

(1) 截面設計。目前工科高校豎向反力架縱梁多采用組合工字鋼制作，優點是上下翼緣容易設計制作連接孔；缺點是縱梁剛度一般較小，容易發生彎曲與扭曲變形，主要適合用于豎向荷載較小、跨度較小的本科教學實驗。

為了滿足科學研究試驗對反力架高承載力與大跨度等較高要求需要，縱梁選用箱型截面。梁橫截面翼緣板寬度主要與常規加載設備尺寸、梁高寬比、連接孔設置等因素有關，一般為300～550 mm。綜合考慮各種因素，本文反力架縱梁翼緣板設計寬為400 mm，板厚為50 mm。梁高主要與抗彎剛度、高寬比、加載空間、與豎向設備的連接等因素有關，通常先由高寬比初定高度(高寬比一般0.4～0.5)，再進行剛度驗算。綜合考慮如上因素，本文反力架縱梁高設計為950 mm，雙腹板厚為30 mm，縱梁截面尺寸如圖2所示。

(2) 拉桿孔與連接孔設計。縱梁拉桿孔的設置是本反力架的特色，其設置主要是基于本反力架具有拉、壓雙作用的功能特點。拉桿孔設計的核心是孔徑大小以及拉桿孔周圍構造措施的設計，拉桿孔徑除需考慮拉桿直徑外還要考慮拉桿在反力架安裝以及試驗過程中“富裕”間隙，該間隙過小拉桿容易受到來自翼緣板的剪力，這是設計應該盡量避免的。根據計算及使用經驗，拉桿孔徑“富裕”間隙不宜小于10 mm，本文拉桿孔徑設計為75 mm，“富裕”間隙設計為15 mm。另外，拉桿孔區域是傳力的關鍵部位，本文通過采取局部加勁肋的措施解決。

縱梁連接孔設計主要包括連接孔孔徑及布置，主要與可能連接的加載設備連接孔的孔徑與布置有關。通常情況連接孔縱橫兩方向孔心間距以50 mm為模數等間距設置為宜，孔徑大小則主要與連接螺栓的受力大小(設備自重或其它外力等)有關，本文反力架縱梁連接孔直徑設計為33 mm。拉桿孔及連接孔布置如圖3所示。

圖3 箱型縱梁翼緣板孔位設計圖

(3) 吊裝設計。本文研制的反力架縱梁總長7.35 m，梁高0.95 m，梁凈重約6.5 t，對于這樣一個需要頻繁吊裝的重大構件，如何設計簡單、適用、安全的吊裝配件是設計難點。綜上各因素，通過在縱梁腹板上預留吊裝孔，并通過設計專用吊裝螺栓及吊環從而完成安全吊裝的設計。反力架的安全吊裝過程如圖4所示。

圖4 反力架吊裝過程

(4) 強度與剛度驗算。縱梁受集中荷載作用并按簡支梁計算強度與剛度最不利。在最大設計集中荷載2.0 MN作用下，受拉翼緣最大拉應力為155.9 MPa(Q345鋼材抗彎強度設計值為265 MPa[18]),跨中撓度最大為L/1 200(L為梁的計算跨度)，滿足抗彎強度與抗彎剛度要求。縱梁在端部承受最大集中荷載2.0 MN狀況下，梁截面受剪最不利，經計算梁截面最大剪應力為62.0 MPa(Q345鋼材抗剪強度設計值為155 MPa[18]),完全滿足抗剪強度要求。按最不利狀況驗算，在設計荷載2.0 MN作用下，強度與剛度均滿足使用要求，且具有較大安全儲備。

1.2.2 立柱設計

立柱是任何反力架必備的主要受力構件，其設計主要包括立柱高度、截面尺寸、螺栓孔、強度驗算等方面。 立柱截面一般采用工字型截面，螺栓孔徑主要依據螺栓直徑設計，其間距一般以100 mm為宜，立柱高度則主要根據試驗空間大小而定。立柱自身強度通常情況下都可滿足使用要求。綜合以上因素并結合實際使用要求，立柱設計如圖5所示。

1.2.3 橫梁設計

槽型橫梁主要承受縱梁傳遞的反力，并通過抗剪螺栓傳給立柱。橫梁的跨度(長度)由槽道間距確定；橫梁高度根據橫梁一端抗剪螺栓間距與數量確定；橫梁腹板厚度綜合考慮螺栓孔局壓以及橫梁剛度確定；加勁肋的設置應考慮加工制作的可行性及反力架安裝、拆卸的方便性。

1.2.4 高強拉桿設計

通過巧妙設置4根直徑為60 mm，長度為2.2 m高強拉桿實現反力架“雙作用”是本次反力架設計的關鍵。拉桿設計要點如下：

(1) 高強度。反力架拉力完全由拉桿承擔，考慮到拉桿作用重要性，拉桿按照高于10.9級高強螺栓的技術要求由專業廠家制作，拉桿極限抗拉強度不低于1 GPa。該反力架在設計最大荷載1.1 MN(其中，1.0 MN為設計受拉荷載，100 kN為梁自重及其他配件的自重)拉力，且在最不利荷載作用位置狀態下(靠近反力架一端)，拉桿最大拉應力為194.6 MPa，拉桿強度安全系數大于5.0，完全滿足使用要求，且具有很高的強度安全性。

(2) 高剛度。拉桿在受拉狀態下伸長，過大的伸長量對反力架側向穩定性以及試驗測量不利，因此，在條件允許情況下應盡可能減小拉桿的伸長量(一般不宜大于3.0 mm)。本反力架在1.1 MN拉力狀態下，每根桿平均伸長量為0.94 mm，拉桿的伸長量對反力架的穩定性幾乎可以忽略。

(3) 拉桿細部設計。 因為該拉桿為特殊拉桿，除了滿足強度和剛度設計外，也從拉桿的安裝、拆卸等細節方面進行了細部設計，例如，螺桿兩端的平頭設計以及專用的吊裝孔等。

1.2.5 連接螺栓驗算

(1) 橫梁與立柱連接抗剪強度驗算。反力架縱梁每端均通過連接螺栓與兩個橫梁連接，橫梁與立柱的連接則采用摩擦型高強螺栓連接，摩擦型高強螺栓選用10.9級M30螺栓，栓距100 mm，每根橫梁兩端分別由兩排螺栓與立柱連接，每排布置6個螺栓，在連接處構件接觸面采用噴砂處理。依據規范[18],單個摩擦型連接高強螺栓受剪承載力設計值為159.8 kN，則縱梁一端兩根橫梁連接螺栓的最大抗剪承載力理論值為7.670 MN。

當豎向荷載作用在靠近縱梁一端情況下，對橫梁連接螺栓的受力是最不利的。由此可見，即使在最不利作用位置，在最大設計荷載2.0 MN作用下，抗剪螺栓連接強度安全系數高達3.8，即使考慮螺栓不均勻受力等不利因素，也完全可滿足使用要求。

(2) 地腳螺栓驗算。地腳螺栓起到固定上部立柱與實驗室臺座間連接的作用，在加載過程中，主要承擔拉力作用。該反力架每根立柱通過2根M56高強螺桿(設計抗拉承載力為985 kN)固定于實驗室槽式臺座上，則該反力架地腳螺栓可提供的抗拉承載力為7.88 MN。在常規荷載布置情況下，地腳螺栓抗拉強度安全系數高達3.9。

(3) 吊裝螺栓驗算。吊裝螺栓主要在縱梁安裝、拆卸過程中受剪力，剪力大小主要與縱梁自重和吊裝時鋼絲繩與縱梁的夾角大小有關。反力架在縱梁上對稱設置2個8.8級M36可拆卸吊裝螺栓，單個吊裝螺栓在雙剪受力狀態下，其抗剪承載力設計值為508.7 kN。根據抗剪螺栓受力分析，單個吊裝螺栓的受剪承載力NJ=KG/(2sinα) =130.0 kN。式中:K為吊裝動力系數(本文取2.0)[19];G為梁自重(本文G=65 kN)；α為吊裝角度(一般情況30°≤α≤60°，為考慮最不利情況，取α=30°)。吊裝螺栓抗剪安全系數為3.9，滿足安全吊裝要求。

2 應用與效益

該裝置無論從設計方案、邊界條件、整體剛度、安裝與拆卸方便程度、適用范圍等方面都得到了學院領導、專業技術教師以及國內同行專家的高度評價，部分高校也正效仿我校設計制作本套裝置，其示范作用日趨明顯。自2009年投入應用以來，6項國家自然科學基金項目、近20項省部級科研項目以及多項地市級項目的試驗研究工作利用該裝置完成，同時培養碩士研究生20余名，培養博士研究生5名。本人博士論文中試驗均利用該裝置完成(見圖6)。

該裝置的成功研制與實踐應用，為多項科研項目的順利開展、結題提供了有力支持，同時也為我院申請科研項目在試驗條件方面提供了有力保障。另外，在實驗教學方面該裝置也必將發揮重要作用。目前除了土木工程本科專業開設“結構抗震實驗”課程外，多數高校已開設或正準備開設面向研究生的“高等結構試驗”課程。例如，我院于2012年開設“高等結構試驗”課程，結合我院電液伺服加載技術在實驗教學方面的應用實踐[20]，預計于明年通過利用該試驗裝置增開新試驗項目。

由此可見，無論從本科生和研究生培養方面，還是從科學研究方面，該裝置的研制與應用，其各方面效益顯著。

3 結 語

本文介紹了一種適用于土木工程試驗研究的拉壓雙作用大型梁式反力架的設計與實現過程，該反力架具有結構簡單、功能豐富、安裝調節方便、造價低廉等諸多優點。4年來的應用實踐表明，該裝置具有足夠的強度、剛度、穩定性，而且有利于試驗現象的觀測和測量參數的記錄，試驗效果良好，可滿足今后工程結構或足尺構件的試驗需求。

該裝置的成功研制，不但節約了經費、鍛煉了教師隊伍，而且為我院今后進一步研制更復雜試驗裝置以及為其他院校研制相關試驗裝置提供了有益經驗，具有示范推廣應用價值。

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Development of Beam-type Reaction Frame Based on Draw-press Double-acting Characteristic

CHAIZhen-ling,GUOZi-xiong,HUANGQun-xian

(College of Civil Engineering, Huaqiao University, Quanzhou 362021, China)

As the most common load bearing device in experimental research on civil engineering, most of reaction frames have the disadvantage of single function, inconvenience of use and hidden danger etc. In order to meet the function and security of reaction frame which is necessary to adapt to the development of modern experimental techniques, based on the investigation and summary of the experiences from some colleges and universities, a draw-press double-acting reaction frame which is applicable to experimental teaching and research is developed by adopting the analysis method of finite element numerical simulation combined with theory. The reaction frame is mainly composed of main beam, reaction column, secondary beam, pulled pole and other auxiliary components. The maximum test net space of it is 5.9 mm×5.2 m (length×high) and the vertical load capacity of it is 1 MN (tension) and 2 MN (pressure). The practical application shows that the reaction frame not only meet the strength, stiffness, stability and other mechanical properties, but also has convenient installation and adjustment, wide application range and other advantages. Conspicuous application value is presented in scientific research and experimental teaching.

civil engineering experiment； double-acting； beam-type reaction frame； experimental teaching

2014-04-17

國家自然科學基金項目(51178197)；華僑大學實驗教改項目(66661213Z)；華僑大學科研基金資助項目(11HZR09)

柴振嶺(1977-)，男，河北邯鄲人，實驗師，主要從事工程結構抗震和實驗技術研究等。

Tel.：13959906055; E-mail: dlzlc@hqu.edu.cn

TU 317.1

A

1006-7167(2015)03-0023-04