古建木構(gòu)架大位移低周往復荷載試驗 加載同步裝置及應用

魏劍偉，李鐵英，萬 佳，孟憲杰

(太原理工大學 建筑與土木工程學院，太原 030024)

低周往復荷載試驗稱為擬靜力試驗，是利用加載裝置對試驗對象進行逐漸增大、減小的往復荷載或往復位移，是結(jié)構(gòu)抗震試驗的一種方法。

低周往復荷載試驗根據(jù)試驗對象的不同其加載裝置而不同，加載裝置呈多樣化[2-4]。

通常低周往復荷載試驗多采用電液伺服系統(tǒng)作為加載設備。采用電液伺服系統(tǒng)作為加載設備在試驗中存在有三個問題：

1) 作動器前端、后端都有球鉸，試驗時作動器水平置于一固定高度，作動器前端通過球鉸連接件與試驗對象加載點連接，作動器對試驗對象施加水平低周往復荷載，施加的位移越大作動器前端球鉸的轉(zhuǎn)角越大，說明作動器施加在試驗對象的荷載有誤差，位移越大誤差越大。

2) 試驗對象的位移“測控點”，隨著試驗對象的位移增大，“測控點”的高度和角度都在變化，而“測控點”處測量位移的位移計安裝高度是固定不變的，所以“測控點”處的位移計測得的位移是不準確的。

3) 關(guān)于水平低周反復荷載試驗中的豎向加載問題，現(xiàn)在的豎向加載一般用作動器加載(也有用千斤頂加載)，隨著試驗對象位移變化，豎向作動器或千斤頂施加在試驗對象上的豎向荷載不是恒定的，是變化的。這些問題在類似的文章中都沒有提到，但是在實際中是存在的。

在古建木構(gòu)架水平低周反復荷載試驗中，同樣的三個問題擺在面前，第二個問題通過研制位移計得以解決，一、三問題解決不了，經(jīng)過反復論證和計算，最后自制了一套古建木構(gòu)架水平低周反復荷載試驗加載裝置，豎向荷載采用配重加載，通過試驗認為基本解決了這三個問題。本文僅介紹在古建木構(gòu)架水平低周往復荷載試驗中解決的第一個問題。

1 加載同步裝置的計算

古建木構(gòu)架(按宋代《營造法式》[1]七等材設計)大位移低周往復荷載試驗加載同步裝置[5-6]的計算，如圖1所示。圖2為雙刀口支座構(gòu)造簡圖。古建木構(gòu)架模型直接放在地面，試驗時古建木構(gòu)架模型一端的加載絞車加載時，如圖3所示，古建木構(gòu)架模型另一端的加載絞車放松。

圖1 古建木構(gòu)架大位移低周往復荷載試驗加載同步裝置簡圖Fig.1 Loading synchronization device for low cycle cyclic loading test of ancient timber frame under large displacement

圖2 雙刀口支座的構(gòu)造簡圖Fig.2 Simple diagram of bracket

1.1 古建木構(gòu)架模型柱與平面搖擺柱的直徑相等，高不相等的計算

如圖1所示，古建木構(gòu)架模型的鋪作層的剛度遠遠大于古建木構(gòu)架模型柱的剛度。在古建木構(gòu)架大位移低周往復荷載試驗時，古建木構(gòu)架模型的鋪作層可看作是一剛性層[7-8]。這樣，如圖4所示，平面搖擺柱加載高度大于古建木構(gòu)架模型柱的高度[9-11]。古建木構(gòu)架模型柱高H=2 760 mm，在力平面搖擺柱的直徑與古建木構(gòu)架模型柱的直徑相等，古建筑木構(gòu)架模型柱的直徑D=389 mm，模型柱的高H=2 760 mm，平面搖擺柱的加載高為H+h=2 760+1 135=3 895 mm.

圖3 搖擺柱工作簡圖Fig.3 Mechanic of rocking column loading system

F的作用下，A點沿半徑為R的圓弧運動。平面搖擺柱高為H+h=2 760+1 135=3 895 mm，在力F的作用下，B點沿半徑為r的圓弧運動。

圖4 搖擺柱與模型柱直徑相等高不相等的計算簡圖Fig.4 Calculation diagram of rocking column and model column (equal diameter, unequal height)

古建木構(gòu)架模型柱在力F的作用下，古建木構(gòu)架模型柱A點沿半徑為R的圓弧運動，A點的最大增量高為ΔH：

平面搖擺柱在力F的作用下，平面搖擺柱B點沿半徑為r的圓弧運動，B點的最大增量高為Δh：

R≠r，ΔH≠Δh，α≠α'，古建木構(gòu)架模型柱A點與平面搖擺柱B點不同步。

1.2 古建木構(gòu)架模型與平面搖擺柱的同步

如圖4所示，若ΔH=Δh，則古建木構(gòu)架模型柱A點與平面搖擺柱B點同步[11-12]。古建木構(gòu)架模型柱的直徑為D=389 mm，平面搖擺柱的直徑為d.

∵ΔH=Δh,

∴d=462 .

當平面搖擺柱的直徑d=462 mm時，ΔH=Δh，古建木構(gòu)架模型柱A點與平面搖擺柱B點同步。根據(jù)計算，只要變化一下平面搖擺柱的直徑，就可以對古建木構(gòu)架模型的低周往復荷載試驗實現(xiàn)加載同步。

2 實例

古建木構(gòu)架大位移低周往復荷載試驗加載同步裝置由兩套焊接在雙刀口支座上的平面搖擺柱、耳板、測力桿、加載絞車組成。

如圖1所示，將一根有一定長度和有足夠剛度儲備的鋼管一端焊接在有足夠剛度儲備的雙刀口支座墊板上面的中心位置，雙刀口支座下墊板固定在地面，組成平面搖擺柱。測力桿的一端連接古建木構(gòu)架模型，測力桿的另一端與平面搖擺柱上的耳板連接。加載絞車的鋼絲繩連接平面搖擺柱耳板的另一端，加載絞車固定于地面。在古建木構(gòu)架模型加載點位置處布置自制的一種應變式線性雙向大位移傳感器，測量古建木構(gòu)架模型在低周往復荷載試驗過程中的位移。測力桿是一定長度和剛度足夠呈桿狀的測力傳感器，用于測量對古建木構(gòu)架模型施加水平力的大小。在測力桿上布置一傾角傳感器，監(jiān)測低周往復荷載試驗過程中測力桿是否呈水平狀態(tài)。

根據(jù)計算，對于不同等材的古建木構(gòu)架模型進行大位移低周往復荷載試驗，就需要用相應不同等材柱直徑和不同高度的平面搖擺柱，這樣做很不經(jīng)濟。本文制作了可以調(diào)節(jié)兩個刀口距離的雙刀口支座，通過改變雙刀口支座兩個“刀口”的距離和耳板的孔到平面搖擺柱中心軸的距離，實現(xiàn)了不同等材的古建木構(gòu)架模型共用一套平面搖擺柱。

此次試驗共有4個模型，按宋代《營造法式》[1]七等材設計了足尺4柱模型一個，足尺2柱模型一個，八等材設計了足尺2柱模型一個和1/2七等材設計的一個4柱比例模型。

圖5為八等材足尺2柱模型第2級豎向荷載下的水平低周往復荷載試驗。圖6為八等材足尺2柱模型第2級豎向荷載下 8級水平低周往復荷載試驗的測力桿上的傾角傳感器的實測傾角數(shù)據(jù)，每級加載的位移為10 mm.從圖6中可知，實測傾角不大于0.4°，說明在8級水平往復荷載試驗中測力桿基本保持在水平狀態(tài)，此次使用的傾角傳感器，分辨率為0.05°.從圖6中可知3級荷載后傾角增大明顯，這是因為，在試驗時發(fā)現(xiàn)第3級荷載以后闌額與兩柱的榫卯在0位置時闌額的榫頭不能全部回到柱子的卯口中，第4級荷載時柱子卯口出現(xiàn)裂縫，兩柱腳在0位置時也沒有回到原位；試驗后在拆解和測量古建木構(gòu)架模型構(gòu)件時發(fā)現(xiàn)闌額的榫頭與柱子的卯口均有擠壓變形，普拍枋與柱頭的接觸面有較深的壓痕，說明從3級荷載后古建木構(gòu)架模型隨著荷載級別的增大其變形增大，古建木構(gòu)架模型的原始高度也發(fā)生了變化，所以測力桿上的傾角度數(shù)也有所增大，與古建木構(gòu)架模型和平面搖擺柱的同步計算無關(guān)。試驗時在第4級荷載時就發(fā)現(xiàn)傾角增大，通過計算需要將平面搖擺柱上的耳板下降不足1 mm就可以解決傾角增大的問題，考慮到傾角度數(shù)變化很小不足1°，故沒有在試驗時調(diào)整平面搖擺柱上耳板的高度。

圖5 古建木構(gòu)架大位移低周往復荷載試驗加載同步裝置的應用Fig.5 Application of loading synchronization device for low cycle cyclic loading test of ancient timber frame under large displacement

圖6 測力桿上的傾角傳感器實測傾角數(shù)據(jù)Fig.6 Measured data of the obliquity sensor on the stress bar

4個古建木構(gòu)架模型的大位移低周往復荷載試驗表明，當古建木構(gòu)架模型一端的加載絞車加載時，古建木構(gòu)架模型另一端的加載絞車放松，測力桿基本保持在水平狀態(tài)，驗證了“古建木構(gòu)架大位移低周往復荷載試驗加載同步裝置”的“同步”性。這種低周往復荷載試驗加載同步裝置，克服了現(xiàn)有電液伺服系統(tǒng)作為加載設備作用在試驗對象的荷載或位移的誤差，制造成本低，加載裝置的結(jié)構(gòu)形式簡單，便于加載控制和安裝，適用于古建木構(gòu)架模型低周往復荷載試驗，特別適用于足尺的古建木構(gòu)架大位移低周往復荷載試驗。

3 結(jié)論

1) 通過改變平面搖擺柱的雙刀口支座的兩個“刀口”距離和耳板孔到平面搖擺柱中心軸的距離，作用在古建木構(gòu)架模型的荷載與加載裝置輸出的荷載同步。

2) 通過改變平面搖擺柱的雙刀口支座的兩個“刀口”距離和耳板孔到平面搖擺柱中心軸的距離，實現(xiàn)了不同等材的古建木構(gòu)架模型共用一套平面搖擺柱。

3) 克服了現(xiàn)有電液伺服系統(tǒng)作為加載設備作用在試驗對象的荷載誤差。

4) 為古建木構(gòu)架模型低周往復荷載試驗提供了一種新的加載裝置。