基于 BIM 的自平衡加載架設計

韓 石，張翼飛，呂宇宣，陳 恒，楊旻予，曾 俊

（1.新疆生產建設兵團興新職業技術學院 建筑與水利工程學院，新疆維吾爾自治區 鐵門關 841007；2.石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北省 石家莊 050043）

0 引言

隨著結構跨度及高度的增大，以及結構及結點形式越來越復雜，各種大型的通用試驗機系統應運而生［1］。這些加載系統加載能力強、行程大，且測量數據穩定可靠，具有優越的通用性及加載性能。但加載系統購買費用高，一個試驗室很多時候僅有有限幾臺大型加載系統，當科研項目較多時，同一時間段內可能很多項目在等待試驗時就難以同時滿足要求。同時，加載系統一旦出現問題，常需要廠家進行維修，耽誤較長的時間，且維修成本較大，導致很多大型的加載設備長期擱置，試驗無法按時完成。對于一些時間緊迫，加載方式較為簡單的項目，在項目資金充裕的前提下，就可以設計制作加載架，配合千斤頂，很快完成試驗。

加載架是完成工程結構或構件試驗的主要裝置。為滿足不同結構構件形式、大小及加載條件的需求，出現了各種不同形式的加載架，包括絲杠與橫梁組合的反力架、二維自平衡加載架、二維四連桿機構、大型結構多功能空間加載裝置及多功能電液伺服加載試驗系統等［2，3］。其中，二維自平衡加載架由主梁、立柱和四面封閉的框組成，可將構件置于框內完成加載，實現自身的平衡加載。此類加載架因加載方便、移動靈活而得到廣泛應用。

BIM（Building Information Modeling）中文名稱為建筑信息模型，是以三維設計概念為基礎的，把工程項目的各項相關信息數據作為模型的基礎信息，進行建筑模型的相關建立［4-9］。Revit 因具有可視化的能力而成為了實現 BIM 理念的常用工具之一［10］。

本文以 300 t 自平衡加載架為例，采用有限元軟件完成加載架主體結構設計，采用 Revit 軟件建立三維實體模型，統計各方案的用鋼量。給出了滿足 100～300 t 不同噸位要求的加載架設計備選方案，實際加工出了 200 t 的加載架，并采用該加載架完成了構件試驗，試驗結果表明所設計的加載架可滿足要求。本文研究成果為此類自平衡加載架的設計提供參考。

1 設計要求

經過理論分析可知，加載架在加載過程中主要是橫梁跨中撓度較大，通過調研實驗室加載架并參照相關文獻，將主梁按豎向荷載作用在簡支梁進行計算，使其滿足強度和剛度要求，最大撓度控制為 L/2 000，柱構件按照拉彎構件進行計算。結構整體強度驗算時，不考慮橫梁與縱梁連接板上的高強螺栓，按照鋼結點考慮。

2 計算過程

以跨度 2 500 mm 的 300 t 自平衡加載架為例，采用有限元軟件完成各部分設計［11，12］。鋼架中鋼材均選用 Q345 結構鋼，鋼材的屈服強度為 345 MPa，泊松比取 0.3。鋼材本構采用理想彈塑性模型。

2.1 橫梁計算

為方便與柱子連接，橫梁一般采用箱型構件［見圖 1（a）］，為增加構件剛度，還可設置水平縱向加勁肋［見圖 1（b）］、沿構件跨度放置橫向加勁肋［見圖 1（c）］。將截面高度取為 640 mm、鋼板厚度為 50 mm，采用如圖 2 所示的橫梁截面形式，將橫梁看作跨中作用集中力的簡支梁，建立有限元模型，所得結果如圖 3 所示。

圖1 橫梁截面形式及加勁肋

圖2 橫梁示意圖（單位：mm）

圖3 簡支橫梁計算結果

從圖 3（a）可以看出，橫梁最大撓度為 1.42 mm，小于橫梁撓度限值 1.59 mm，基本滿足要求。由應力云圖［見圖 3（b）和（c）］可看出，其x方向應力為 96.881 MPa，等效應力為 86.085 MPa，均不超過屈服強度的三分之一，可見圖 2 所示橫梁形式可以滿足 300 t 加載要求。

實際上，截面高度、翼緣及腹板厚度、縱橫向加勁肋的設置都會影響到橫梁強度及剛度［13］。如圖 4 所示為將橫梁截面高度分別設計為 600、800、1 000 mm，腹板和翼緣厚度設計為 40、60、80 mm，同時設置水平及橫向加勁肋時，通過有限元分析所得橫梁跨中撓度值。從圖 4 可以看出，隨著截面高度及鋼板厚度的增加，橫梁的剛度逐漸增大，撓度降低。顯然，當采用某一個截面高度不能滿足要求時，可以通過增加鋼板厚度滿足要求。實際上有無數個截面高度與鋼板厚度的組合可以滿足要求，同時橫梁加勁肋數量、厚度及分布均對構件剛度有影響。本研究從實用的角度給出滿足不同加載等級的要求橫梁截面設計方案，同時采用 Revit 軟件計算不同方案的用鋼量，所得結果如表 1 所示。

表1 針對不同噸位的備選橫梁截面方案

圖4 不同設計參數對承載能力影響

從圖 4 可以看出：相比而言，橫向加勁肋的數量的增減和厚度的變化對梁的承載能力影響較小，但鋼板厚度和截面高度的變化對于梁的承載能力影響較大。

由表 1 可以看出，鋼板的厚度和橫向加勁肋的變化對用鋼量的影響較小，但截面高度的增減對于用鋼量的影響非常大。所以在考慮鋼架的較佳經濟方式時，應著重考慮截面高度的取值。

2.2 TOPSIS 分析

本文對多種設計方案進行評價，以鋼架的性能、工藝復雜程度、所占空間為評價指標，通過 TOPSIS 法作出評價。其中鋼架性能以單位體積承載力表示，單位體積承載力越大越好，工藝復雜程度以橫向加勁肋數量表示，橫向加勁肋數量越小越好，所占空間由截面高度表示，截面高度越小越好。各評價指標所占權重如表 2 所示。

表2 權重表

經過計算，可以設計出如圖 5 所示的結構。

圖5 剖視圖（單位：mm）

橫向加筋肋的位置對于加載架的撓度影響很小，但是對于局部應力的減小有著顯著的作用，故需要對中間橫向加筋肋位置進行分析。采用如圖 6 所示的三種橫隔板分布形式，得到撓度以及應力分布如圖 7 及圖 8 所示，根據應力分布結果可知，將橫隔板分布等間距分布時，應力集中最小，為最優方案。

考慮到某些工況下，柱子上會承受集中荷載，如節點加載，故對柱構件進行計算，確定滿足撓度要求時的最大側向荷載值，同時考慮到構件長度太大，設置加勁肋。300 t 加載架采用的柱構件截面如圖 9 所示。

柱構件的有限元［9，10］計算結果如圖 10 所示，水平方向 1/2 柱高位置在水平方向最大加載至 210 N 時，柱構件的撓度達到撓度限值 4 800/2 000=2.4 mm，此時應力值為 77.98 MPa，柱處于彈性狀態。

圖6 橫隔板尺寸分布圖（單位：mm）

圖7 撓度分布

圖8 應力分布

圖9 柱示意圖（單位：mm）

圖10 柱計算結果

2.3 整體結構計算

確定橫梁及柱的截面后，進行整體結構計算，建立模型在下橫梁設置千斤頂的位置給結構施加約束，固定各方向的轉動及平動自由度。

整體結構的有限元計算結果如圖 11 所示，橫梁最大位移出現在跨中，為 3.19 mm，實際結構為自平衡裝置，上橫梁位移為 3.19/2=1.59 mm，符合撓度限值1.59 mm，滿足要求。柱中最大撓度為 2 mm 左右，同樣出現在跨中，柱撓度限值 2.4 mm。

圖11 整體結構計算結果

加載梁在x方向應力為 100 MPa 左右，柱在z方向最大應力為 70 MPa 左右，最大等效應力為 80 MPa 左右。結構各部位均處于較低水平，未超過屈服強度的三分之一。

綜上，數值計算驗證結構安全性滿足要求。同時，由于為受拉構件，整體穩定性不必計算，自然滿足。

3 設計實例

根據項目需求，設計完成如圖 12 所示 200 t 加載架，并按照設計圖加工實際加載架如圖 13 所示。將加載架用于試件加載，結果顯示加載架的強度、剛度均可滿足試驗精度要求。

4 結語

圖12 鋼架 Revit 模型

本文采用有限元軟件完成了二維自平衡加載架設計，通過一系列計算給出了滿足 50～300 t 不同噸位要求的加載架橫梁備選方案。加工制造了 200 t 加載架，并采用所設計的加載架完成了構件試驗，試驗結果表明所設計的加載架剛度、強度及穩定性均可滿足要求。Q