變空間Π型剪切試驗裝置研制與應用

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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·儀器設備研制與開發·

變空間Π型剪切試驗裝置研制與應用

柴振嶺， 郭子雄， 黃群賢

(華僑大學 土木工程學院，福建 泉州 362021)

以砌體墻片抗震性能試驗研究為背景,針對抗震試驗中剪切試驗裝置存在的問題，研制了一種適用于教學與科研試驗的變空間Π型剪切試驗裝置。試驗裝置主要由轉換梁、平剪梁、可調水平傳力支架和可變平衡配重組成，具有試驗空間可調、配重大小與位置可調、水平加載中心位置可調等突出設計特點，可滿足長度達3.0 m，水平載能力達500 kN墻體類構件的平剪加載試驗要求。應用實踐表明，該裝置安裝拆卸方便，性能穩定，通過調整水平加載中心高度可一定程度降低或消除附加彎矩對試驗結果的影響。

抗震試驗； 變空間； Π型； 試驗裝置； 實驗教學

0 引 言

抗震試驗是開展土木工程結構抗震性能研究的重要手段[1]，也是土木工程本科專業“結構抗震實驗”教學課程中的核心內容[2]。試驗方法是通過采用專業加載設備和專業剪切試驗裝置對結構或構件施加多次往復循環作用，用以模擬地震時結構在往復振動中的受力特點和變形特點，并進一步從強度、變形和能量等多方面判斷和鑒定結構的抗震性能[3-4]。

目前用于抗震試驗的剪切試驗裝置主要有懸臂式剪切試驗裝置和日本建研式剪切試驗裝置[5]。懸臂式剪切試驗裝置突出優點是安裝拆卸方便；主要缺點是不能考慮附加彎矩作用對構件的影響，主要適用于構件高寬比較小構件，適用范圍小，且裝置可重復使用性差。日本建研式剪切試驗裝置的優點是考慮了彎矩作用的影響，能實現對構件平動加載；缺點是投資巨大、試件安裝、拆卸不便、不易分解且占用場地、對試件尺寸及加工精度有嚴格限制等，目前國內用戶非常少。

綜上所述，目前用于抗震試驗的剪切試驗裝置存在諸多問題，因此研制結構簡單、適用范圍廣、使用方便且可降低或消除附加彎矩作用的新型剪切試驗裝置具有重要實際意義[6-12]。鑒于此，本文以砌體類墻式構件抗震性能試驗研究采用平剪加載方法為背景，研制了一種適于平剪加載的新型剪切試驗裝置——變空間Π型剪切試驗裝置，并介紹了裝置的研制思路與研制過程。

1 裝置設計

1.1 設計原則

(1) 邊界條件一致性。試驗中應滿足試件與原型結構在邊界條件上一致，否則試驗研究結果未必能揭示事物的客觀規律，研制裝置使用價值也大大降低。

(2) 剛度設計。按照邊界條件一致性原則，試驗中試驗裝置應滿足不變形或小變形條件，按照強度設計變形條件通常不能滿足使用要求，而按照剛度設計，變形與強度指標一般都可滿足要求。本裝置變形設計參照吊車梁剛度設計[13]。

(3) 高安全儲備原則。本裝置屬于重復使用的特殊反力裝置，試驗過程中應避免處于高應力狀態。否則，試驗裝置一旦出現強度安全問題，對實驗室將造成難以彌補的不良影響和損傷。因此，根據本人多套試驗裝置設計經驗，用于土木工程結構試驗的試驗裝置任何部件強度安全系數不宜小于1.5，關鍵部件的安全系數不宜小于2.5。

1.2 設計方案

根據國內外大量震害調查結果，砌體房屋在地震反復荷載作用下，墻體一般發生交叉斜裂縫破壞[14-15]。為模擬這種破壞模式，單從受力邊界條件上，日本建研式剪切試驗裝置較為合理，但因諸多其他不利因素，該裝置在世界范圍內一直未被廣泛采用，而懸臂式剪切試驗裝置，對試件高寬比又要求比較嚴格。如何減小懸臂加載方式產生的附加彎矩，同時又不可必須滿足類似日本建研式剪切試驗裝置對試件尺寸、安裝等嚴格要求，是本裝置研制的關鍵。

(1) 減小附加彎矩。為減小附加彎矩作用，應該設法使水平加載中心通過試件形心，于是試驗裝置至少應該設計成L型。通常試驗裝置重心應盡可能與試件形心在同一豎向平面內，如果采用L型試驗裝置，則試件長度尺寸將受到明顯限制，裝置適用范圍大大減小。將裝置設計成Π型則可同時解決上述問題。

(2) 減少試驗裝置 “約束”。日本建研式剪切試驗裝置之所以存在諸多應用方面問題，一個主要因素就是“約束”過多。因此，通過對日本建研式剪切裝置中非關鍵性鏈桿的受力情況分析及用戶調研情況，Π型剪切試驗裝置應盡量減少非關鍵性“約束”。

(3) 多用途和方便使用。將Π型剪切試驗裝置一端設計為固定加載端，另一端則設計為多功能“活動”端，即本文提出的變空間Π型剪切試驗裝置(見圖1)。變空間Π型剪切試驗裝置在功能設計、實際應用等方面具有獨特優點，也是該裝置設計精髓所在。

平剪梁截面尺寸圖轉換梁截面尺寸圖

圖1 變空間Π型剪切試驗裝置設計圖

1.3 部件設計

試驗裝置一般選用鋼材制作，裝置對材料的要求主要包括強度、硬度、韌性以及可焊性等指標。綜合考慮各方面利弊因素，本裝置鋼材選用Q345鋼材。該裝置主要由四部分組成：轉換梁、平剪梁、可調水平傳力支架以及可變平衡配重。

1.3.1 轉換梁設計

轉換梁是傳遞水平荷載的關鍵部件，主要包括如下設計內容：

(1) 轉換梁截面設計。轉換梁直接傳遞水平荷載，容易發生扭轉，因此應選用箱型截面，以滿足抗扭轉受力要求。梁截面尺寸以及加勁肋主要依據轉換梁的截面彎曲剛度、平剪梁截面寬度、連接螺桿長度等綜合因素確定，轉換梁截面設計如圖1所示。

圖2 轉換梁

(2) 轉換梁連接孔設計。試驗中為減小彎矩影響，通常需調節加載中心與試件高度中心在同一水平高度。為使裝置適用范圍更廣，轉換梁上應設置橢圓形連接孔，以最大限度滿足水平加載中心高度調節，本裝置轉換梁橢圓孔布置如圖2所示。

(3) 轉換梁高度設計。轉換梁的設計高度主要考慮：試件高度范圍、平剪梁截面高度以及加載用豎向加載設備高度。根據如上三方面考慮，本裝置轉換梁總高度設計為1 900 mm(見圖2)，其中加載中心靜高為1 250 mm，因此可滿足高度不超過2 500 mm各類結構構件采用完全消除彎曲作用的平剪試驗要求。

(4) 轉換梁剛度驗算。本裝置設計最大水平荷載為500 kN。經分析計算加載端在不利情況下相對位移小于1.25 mm，滿足常規使用要求。

1.3.2 平剪梁設計

(1) 平剪梁截面設計。平剪梁主要作用是傳遞壓力與水平剪力，一般設計成工字型截面。梁截面尺寸及加勁肋主要依據轉換梁的截面彎曲剛度、轉換梁截面寬度、連接孔間距等綜合因素確定，平剪梁截面設計如圖1所示。

(2) 平剪梁長度。平剪梁的長度主要與試件最大長度、可調水平傳力支架尺寸以及拐角加勁肋尺寸等有關。一般結構構件單元不超過3 000 mm，因此本平剪梁以此尺寸為標準，設計總長為4 350 mm(見圖3)。

圖3 平剪梁輔助孔布置圖

(3) 平剪梁輔助孔設計。平剪梁輔助孔主要有吊裝孔、可調水平傳力支架連接孔、可變平衡配重連接孔以及重心孔。兩吊裝孔的設置應滿足其形心與整套裝置的重心重合。支架連接孔孔徑應根據支架最大剪力計算所需螺桿直徑來設計，本平剪梁連接孔徑設計為30 mm。配重連接孔主要是為了考慮吊裝平衡配重，因為構件形式不同，配重大小及位置往往也不同，本平剪梁配重連接孔設計間距為200 mm。重心孔主要是用來標記重心位置。該裝置輔助孔設計如圖3所示。

1.3.3 可調水平傳力支架設計

水平傳力支架是將平剪梁的大部分剪力直接傳遞給試件的關鍵部件。設計主要依據分析支架所受剪力大小來確定剪切螺栓和微調螺栓型號、直徑以及數量，本裝置支架中螺栓均采用10.9級M27高強螺栓。

1.3.4 可變平衡配重設計

可變平衡配重最主要作用是利用杠杠原理通過調節配重大小及配重位置確保整套裝置的重心與試件的形心重合，從而實現Π型剪切試驗裝置試驗空間的“可變性”，以至于滿足不同尺寸試件試驗需要。平衡配重大小主要依據轉換梁重量、裝置重心位置、配重孔位置以及試件重心位置設計。另外，可變平衡配重根據需要亦可直接利用實驗室已有重物。

2 應用實踐

任何設備或配套加載裝置，只有在實際應用過程中，其使用價值方可得以體現，也只有經過實踐驗證，方可推廣應用[16-18]。

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華僑大學土木工程學院領導、專業技術教師以及國內同行專家的高度評價，部分高校也正準備加工制作本套裝置用于教學與科研，其示范作用日趨明顯。自2010年投入使用以來，3項國家自然科學基金項目、近10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，多數碩士研究生畢業論文中試驗利用該裝置完成。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。

除土木工程本科專業開設“結構抗震實驗”課程外，隨著研究生招生規模的擴大，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，結合我院在電液伺服加載技術在實驗教學方面的應用[19]，預計于明年通過利用該試驗裝置增開了新試驗項目。

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

變空間Π型剪切試驗裝置是在多年試驗、課堂教學和科研工作經驗基礎上研制而成，該裝置設計新穎、功能獨特，且高度優化，具有結構簡單、安裝拆卸方便、性能穩定、造價低廉等諸多優點。

3年來的應用實踐表明：該裝置安裝拆卸方便，性能穩定，通過調整水平加載中心高度可達到最大程度降低附加彎矩對試驗結果影響的設計目的。

試驗裝置研制是一個創造和發現的過程[20]。該裝置的成功研制，在科研及實驗教學中起到了一定的示范作用，節約了實驗經費、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設計參考。

[1] 陳志鵬, 張天申, 邱法維, 等. 結構試驗與工程檢測[M]. 北京:中國水利水電出版社, 2005: 1-2.

[2] 盧文勝, 黃寶鋒. 結構抗震實驗教學探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2009, 28(3): 217-219.

[3] 熊仲明, 王杜良. 土木工程結構試驗[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2007: 1-2.

[4] 王春武, 劉 平. 土木工程專業本科段開設抗震實驗的嘗試[J]. 實驗技術與管理, 2005, 22(10): 120-123.

[5] 建筑抗震試驗方法規程(JGJ101-96)[S]. 中華人民共和國行標準, 1996: 9-11.

[6] 周宦銀, 馬果花, 房宗良, 等. 自制實驗教學儀器提高實驗教學質量[J]. 實驗室科學, 2008(2): 153-155.

[7] 廖慶敏, 秦鋼年, 蒙艷玫. 把自制設備作為實驗教學示范中心的特色來建設[J]. 實驗技術與管理, 2010, 27(7): 121-123.

[8] 仲崇楠, 汪 曣, 孫 景. 加強自制儀器設備的管理,充分發揮設備的綜合效益[J]. 實驗室研究與探索, 2004, 23(9): 99-101.

[9] 應安明. 自制儀器設備在教學中的應用[J]. 實驗室研究與探索, 2003, 22(1): 20-24.

[10] 陳發堂, 熊慧萍, 陳東生. 加強自制儀器的研發實現創新能力的培養[J]. 實驗室研究與探索, 2009, 28(2): 41-43.

[11] 楊 宏, 李國輝. 走自制設備之路促進實驗教學改革[J]. 實驗技術與管理, 2013, 30(1): 225-227.

[12] 李 斌, 譚 鵬, 陳國杰, 等. 自制物理實驗儀器的探索與實踐[J]. 實驗技術與管理, 2013, 30(6): 46-49.

[13] 鋼結構設計規范(GB 50017-2003)[S]. 中華人民共和國國家標準, 2003: 17-18.

[14] 建筑抗震設計規范(GB 50011-2010)[S]. 中華人民共和國國家標準,2010:74-78

[15] 鄭山鎖, 薛建陽, 王 斌. 砌體結構抗震[M]. 北京: 中國建材工業出版社, 2008: 1-12.

[16] 余世策, 劉承斌, 賞星云, 等. 鋼筋混凝土綜合實驗裝置的開發與應用[J]. 實驗室研究與探索, 2008, 27(4): 36-38.

[17] 韋 林, 劉五祥, 方明霞, 等. 新型摩擦實驗裝置的研制與應用[J]. 實驗室研究與探索, 2011, 30(6): 30-33.

[18] 王少杰, 段緒勝, 劉福勝, 等. 微機控制液壓加載裝置研制與應用[J]. 實驗技術與管理, 2012, 29(3): 84-86.

[19] 柴振嶺, 鄭涌林, 莊思思. 伺服控制技術的工程結構實驗教學改革[J]. 實驗科學與技術, 2011, 9(6): 127-130.

[20] 王長遠, 霍曉奎, 劉 琦, 等. 自制儀器對促進教學改革的作用[J]. 實驗室研究與探索, 2012, 31(1): 117-118.

Development and Application of Variable Space Π-type Experimental Device for Shearing

CHAIZhen-ling,GUOZi-xiong,HUANGQun-xian

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

Based on the existing problems of experimental device for shearing in the course of the seismic experiments, a new Π-type variable space experimental device for shearing which is applicable to experimental teaching and research is developed. The device is mainly composed of transfer beam, parallel shearing beam, adjustable force transmission bracket and a variable balance weight. It has several advantages such as variable space, variable balance weight and position, adjustable horizontal loading center etc. The length of the applicable specimen for the device is 3.0 m and the maximum carrying capacity of it is 500 kN. The practical application shows that the device is convenient for assembly and disassembly, is stable to perform and easy to minimize the effect of additional bending moment on the test results by adjusting the horizontal loading center. The device plays an exemplary role in scientific research and experiment teaching, the design method of it can provide reference for other colleges and universities to develop similar devices.

seismic experiment； variable space； Π-type； experimental device； experimental teaching

2014-08-24

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)08-0050-03