拉压双作用梁式反力架的研制

柴振岭， 郭子雄， 黄群贤

(华侨大学 土木工程学院， 福建 泉州 362021)



拉压双作用梁式反力架的研制

柴振岭， 郭子雄， 黄群贤

(华侨大学 土木工程学院， 福建 泉州 362021)

采用有限元数值模拟与理论分析相结合的方法,研制了一种适用于教学与科研的拉压双作用梁式反力架。反力架主要由纵梁、立柱、横梁、高强拉杆和其他辅助件组成，最大试验净空为5.9 m×5.2 m(长×高),可满足拉1 MN和压2 MN的竖向往复荷载使用要求。应用实践表明，该反力架不仅能够满足强度、刚度和稳定性等力学指标，而且还具有安装调节方便、适用范围广等优点，在科研及实验教学中具有一定的示范应用推广价值。

土木工程试验； 双作用； 梁式反力架； 实验教学

0 引 言

土木工程结构试验在工程结构科学研究和技术革新等方面起着重要的作用[1]。荷载支承装置与台座是满足土木工程结构试验荷载设计、实现荷载图式、结构受力和边界条件要求以及保证试验加载正常进行的关键之一[2-4]。反力架作为一种常用荷载支承装置在各高校及厂矿企业广泛应用，但现有的反力架尚存在如下几方面问题：① 功能单一，应用范围小。作为一种通用荷载支承装置，反力架应尽可能满足多种类型试验需要，但现有多数反力架主要用来提供单向反力(一般为压力)，不能提供拉、压双作用反力；另外多数反力架只能满足单点加载要求，无法开展多点加载试验，反力架应用范围严重受限。② 安装、拆卸、调节性能差。为满足不同试件尺寸、不同试件类型试验需要，反力架需要经常拆卸与调节，安装调节是否方便是直接影响反力架使用效率，也是反力架能否具有示范宣传价值的关键因素。③ 与试验设备配套性能差。通常情况下，竖向加载设备固定在反力架上，但目前多数反力架因在孔位设计、截面设计等方面考虑不周，反力架与试验设备配套性能差，不但影响试验效果，而且还很容易发生安全事故。

综上所述，目前用于土木工程结构试验研究的反力架尚存在诸多问题，因此研制结构简单、适用范围广、安装调节方便的新型反力架具有重要实际意义，部分高校已根据各自实际情况在该方面进行了探索并取得了一定进展[5-17]。鉴于此，本文研制了一种用于土木工程结构试验研究的新型反力架——拉压双作用梁式反力架。通过本装置的研制与应用，希望能为其他高校提供设计与应用参考。

1 研制过程

1.1 设计方案

反力架作为土木工程结构试验研究的核心荷载支承装置，其合理的设计通常应从功能特性、试验能力定位、结构形式、安装调节便利性、及后期可改造性、加工难度及造价等诸多方面全面考虑。本装置设计主要从如下几方面综合考虑：

(1) 功能特性。为使反力架具备双作用加载功能，以满足开展梁式构件疲劳试验、阻尼器性能试验等研究性试验需要，本装置通过巧妙合理增设4根高强预应力刚性拉杆，相对于传统的反力架，在总造价增加不足1%情况下，装置的试验功能大幅增加，而且增强了其安装拆卸便利性。

(2) 试验能力。对于荷载支承装置而言，其试验能力主要指其能提供的最大反力以及其最大允许试验净空间两方面。反力架荷载能力直接与造价以及实验室现场条件等相关，不同单位应根据各自实际情况，结合可能开展的试验项目，确定试验装置的试验能力。目前工科高校实验室现有梁式反力架的荷载试验能力：0.5～1.5 MN；净空间试验能力：2.5～4.0 m(长)，3.0～5.0 m(高)。

根据华侨大学土木工程学院结构实验室实际发展情况以及科研试验项目需要，本文研制的双作用反力架，其荷载能力设计为：1.0 MN(拉)与2.0 MN(压)，净空间能力为：5.9 m×5.2 m(长×高)，基本可满足大多数结构与构件试验要求。

(3) 结构形式。对荷载能力较高而对净空间能力要求不高的反力架采用“单门式”结构形式比较合理；同时对荷载能力与净空间能力要求较高的反力架采用“大梁式”比较合理。本文提出的双作用反力架采用“大梁式”结构形式设计制作。

(4) 安装调节便利性。与试验设备不同，反力架属于荷载支承装置，为满足不同尺寸试件试验要求，试验空间经常需要调整。梁端固定形式、大梁有无专门设计吊环、立柱是否设计吊孔、反力架预留孔大小、间距是否考虑通用设备的安装固定等细节问题均影响反力架使用便利性。本文设计的双作用反力架均综合考虑如上细节问题，最大限度增加其使用便利性。

(5) 升级改造及可扩展性。随着社会高速发展，结构新材料、新体系、新工艺不断涌现，试验要求与形式也各不相同，因此试验装置应具有一定的可改造性及可扩展性，方可适应社会高速发展对试验的新要求。各高校应从实验预期开展室试验项目的情况考虑反力架的可改造性及可扩展性。

根据我院结构实验室开展试验项目情况，今后可能开展大比例或足尺结构与构件的试验，因此本反力架设计时考虑了立柱与箱型梁的拓展连接性，以最大限度满足今后升级改造的需求。

(6) 制作可行性及造价。方案设计时应考虑到施工的可行性及造价等因素。过分追求方案设计而忽略制作可行性也是不可取的。综合考虑如上因素，课题组经过反复论证，反力架设计加工图如图1所示。

1.2 部件设计及验算

该装置主要由1根纵梁、4根立柱(含柱脚)、4根横梁、4根特制高强拉杆及其他配件组成。考虑到钢材强度及可焊性等因素，梁、柱选用Q345钢材制作。

1.2.1 纵梁设计

(1) 截面设计。目前工科高校竖向反力架纵梁多采用组合工字钢制作，优点是上下翼缘容易设计制作连接孔；缺点是纵梁刚度一般较小，容易发生弯曲与扭曲变形，主要适合用于竖向荷载较小、跨度较小的本科教学实验。

为了满足科学研究试验对反力架高承载力与大跨度等较高要求需要，纵梁选用箱型截面。梁横截面翼缘板宽度主要与常规加载设备尺寸、梁高宽比、连接孔设置等因素有关，一般为300～550 mm。综合考虑各种因素，本文反力架纵梁翼缘板设计宽为400 mm，板厚为50 mm。梁高主要与抗弯刚度、高宽比、加载空间、与竖向设备的连接等因素有关，通常先由高宽比初定高度(高宽比一般0.4～0.5)，再进行刚度验算。综合考虑如上因素，本文反力架纵梁高设计为950 mm，双腹板厚为30 mm，纵梁截面尺寸如图2所示。

(2) 拉杆孔与连接孔设计。纵梁拉杆孔的设置是本反力架的特色，其设置主要是基于本反力架具有拉、压双作用的功能特点。拉杆孔设计的核心是孔径大小以及拉杆孔周围构造措施的设计，拉杆孔径除需考虑拉杆直径外还要考虑拉杆在反力架安装以及试验过程中“富裕”间隙，该间隙过小拉杆容易受到来自翼缘板的剪力，这是设计应该尽量避免的。根据计算及使用经验，拉杆孔径“富裕”间隙不宜小于10 mm，本文拉杆孔径设计为75 mm，“富裕”间隙设计为15 mm。另外，拉杆孔区域是传力的关键部位，本文通过采取局部加劲肋的措施解决。

纵梁连接孔设计主要包括连接孔孔径及布置，主要与可能连接的加载设备连接孔的孔径与布置有关。通常情况连接孔纵横两方向孔心间距以50 mm为模数等间距设置为宜，孔径大小则主要与连接螺栓的受力大小(设备自重或其它外力等)有关，本文反力架纵梁连接孔直径设计为33 mm。拉杆孔及连接孔布置如图3所示。

图3 箱型纵梁翼缘板孔位设计图

(3) 吊装设计。本文研制的反力架纵梁总长7.35 m，梁高0.95 m，梁净重约6.5 t，对于这样一个需要频繁吊装的重大构件，如何设计简单、适用、安全的吊装配件是设计难点。综上各因素，通过在纵梁腹板上预留吊装孔，并通过设计专用吊装螺栓及吊环从而完成安全吊装的设计。反力架的安全吊装过程如图4所示。

图4 反力架吊装过程

(4) 强度与刚度验算。纵梁受集中荷载作用并按简支梁计算强度与刚度最不利。在最大设计集中荷载2.0 MN作用下，受拉翼缘最大拉应力为155.9 MPa(Q345钢材抗弯强度设计值为265 MPa[18]),跨中挠度最大为L/1 200(L为梁的计算跨度)，满足抗弯强度与抗弯刚度要求。纵梁在端部承受最大集中荷载2.0 MN状况下，梁截面受剪最不利，经计算梁截面最大剪应力为62.0 MPa(Q345钢材抗剪强度设计值为155 MPa[18]),完全满足抗剪强度要求。按最不利状况验算，在设计荷载2.0 MN作用下，强度与刚度均满足使用要求，且具有较大安全储备。

1.2.2 立柱设计

立柱是任何反力架必备的主要受力构件，其设计主要包括立柱高度、截面尺寸、螺栓孔、强度验算等方面。 立柱截面一般采用工字型截面，螺栓孔径主要依据螺栓直径设计，其间距一般以100 mm为宜，立柱高度则主要根据试验空间大小而定。立柱自身强度通常情况下都可满足使用要求。综合以上因素并结合实际使用要求，立柱设计如图5所示。

1.2.3 横梁设计

槽型横梁主要承受纵梁传递的反力，并通过抗剪螺栓传给立柱。横梁的跨度(长度)由槽道间距确定；横梁高度根据横梁一端抗剪螺栓间距与数量确定；横梁腹板厚度综合考虑螺栓孔局压以及横梁刚度确定；加劲肋的设置应考虑加工制作的可行性及反力架安装、拆卸的方便性。

1.2.4 高强拉杆设计

通过巧妙设置4根直径为60 mm，长度为2.2 m高强拉杆实现反力架“双作用”是本次反力架设计的关键。拉杆设计要点如下：

(1) 高强度。反力架拉力完全由拉杆承担，考虑到拉杆作用重要性，拉杆按照高于10.9级高强螺栓的技术要求由专业厂家制作，拉杆极限抗拉强度不低于1 GPa。该反力架在设计最大荷载1.1 MN(其中，1.0 MN为设计受拉荷载，100 kN为梁自重及其他配件的自重)拉力，且在最不利荷载作用位置状态下(靠近反力架一端)，拉杆最大拉应力为194.6 MPa，拉杆强度安全系数大于5.0，完全满足使用要求，且具有很高的强度安全性。

(2) 高刚度。拉杆在受拉状态下伸长，过大的伸长量对反力架侧向稳定性以及试验测量不利，因此，在条件允许情况下应尽可能减小拉杆的伸长量(一般不宜大于3.0 mm)。本反力架在1.1 MN拉力状态下，每根杆平均伸长量为0.94 mm，拉杆的伸长量对反力架的稳定性几乎可以忽略。

(3) 拉杆细部设计。 因为该拉杆为特殊拉杆，除了满足强度和刚度设计外，也从拉杆的安装、拆卸等细节方面进行了细部设计，例如，螺杆两端的平头设计以及专用的吊装孔等。

1.2.5 连接螺栓验算

(1) 横梁与立柱连接抗剪强度验算。反力架纵梁每端均通过连接螺栓与两个横梁连接，横梁与立柱的连接则采用摩擦型高强螺栓连接，摩擦型高强螺栓选用10.9级M30螺栓，栓距100 mm，每根横梁两端分别由两排螺栓与立柱连接，每排布置6个螺栓，在连接处构件接触面采用喷砂处理。依据规范[18],单个摩擦型连接高强螺栓受剪承载力设计值为159.8 kN，则纵梁一端两根横梁连接螺栓的最大抗剪承载力理论值为7.670 MN。

当竖向荷载作用在靠近纵梁一端情况下，对横梁连接螺栓的受力是最不利的。由此可见，即使在最不利作用位置，在最大设计荷载2.0 MN作用下，抗剪螺栓连接强度安全系数高达3.8，即使考虑螺栓不均匀受力等不利因素，也完全可满足使用要求。

(2) 地脚螺栓验算。地脚螺栓起到固定上部立柱与实验室台座间连接的作用，在加载过程中，主要承担拉力作用。该反力架每根立柱通过2根M56高强螺杆(设计抗拉承载力为985 kN)固定于实验室槽式台座上，则该反力架地脚螺栓可提供的抗拉承载力为7.88 MN。在常规荷载布置情况下，地脚螺栓抗拉强度安全系数高达3.9。

(3) 吊装螺栓验算。吊装螺栓主要在纵梁安装、拆卸过程中受剪力，剪力大小主要与纵梁自重和吊装时钢丝绳与纵梁的夹角大小有关。反力架在纵梁上对称设置2个8.8级M36可拆卸吊装螺栓，单个吊装螺栓在双剪受力状态下，其抗剪承载力设计值为508.7 kN。根据抗剪螺栓受力分析，单个吊装螺栓的受剪承载力NJ=KG/(2sinα) =130.0 kN。式中:K为吊装动力系数(本文取2.0)[19];G为梁自重(本文G=65 kN)；α为吊装角度(一般情况30°≤α≤60°，为考虑最不利情况，取α=30°)。吊装螺栓抗剪安全系数为3.9，满足安全吊装要求。

2 应用与效益

该装置无论从设计方案、边界条件、整体刚度、安装与拆卸方便程度、适用范围等方面都得到了学院领导、专业技术教师以及国内同行专家的高度评价，部分高校也正效仿我校设计制作本套装置，其示范作用日趋明显。自2009年投入应用以来，6项国家自然科学基金项目、近20项省部级科研项目以及多项地市级项目的试验研究工作利用该装置完成，同时培养硕士研究生20余名，培养博士研究生5名。本人博士论文中试验均利用该装置完成(见图6)。

该装置的成功研制与实践应用，为多项科研项目的顺利开展、结题提供了有力支持，同时也为我院申请科研项目在试验条件方面提供了有力保障。另外，在实验教学方面该装置也必将发挥重要作用。目前除了土木工程本科专业开设“结构抗震实验”课程外，多数高校已开设或正准备开设面向研究生的“高等结构试验”课程。例如，我院于2012年开设“高等结构试验”课程，结合我院电液伺服加载技术在实验教学方面的应用实践[20]，预计于明年通过利用该试验装置增开新试验项目。

由此可见，无论从本科生和研究生培养方面，还是从科学研究方面，该装置的研制与应用，其各方面效益显著。

3 结 语

本文介绍了一种适用于土木工程试验研究的拉压双作用大型梁式反力架的设计与实现过程，该反力架具有结构简单、功能丰富、安装调节方便、造价低廉等诸多优点。4年来的应用实践表明，该装置具有足够的强度、刚度、稳定性，而且有利于试验现象的观测和测量参数的记录，试验效果良好，可满足今后工程结构或足尺构件的试验需求。

该装置的成功研制，不但节约了经费、锻炼了教师队伍，而且为我院今后进一步研制更复杂试验装置以及为其他院校研制相关试验装置提供了有益经验，具有示范推广应用价值。

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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

国家自然科学基金项目(51178197)；华侨大学实验教改项目(66661213Z)；华侨大学科研基金资助项目(11HZR09)

柴振岭(1977-)，男，河北邯郸人，实验师，主要从事工程结构抗震和实验技术研究等。

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

TU 317.1

A

1006-7167(2015)03-0023-04