基于自平衡加载装置的空间节点加载试验设计

王可怡，朱文正，王富庆

(1.广州大学 土木工程学院，广州 510006； 2.河南中原黄金建筑安装工程公司，河南 三门峡 472000)

·实 验 技 术·

基于自平衡加载装置的空间节点加载试验设计

王可怡1，朱文正1，王富庆2

(1.广州大学 土木工程学院，广州 510006； 2.河南中原黄金建筑安装工程公司，河南 三门峡 472000)

对现有用于空间节点试验的自平衡加载装置进行设计改进，实现了空间复杂节点受力状态的试验验证。介绍了节点试验加载方案的确定、加载设备的设计改进方法以及试验节点的安装布置等。实践证明，对自平衡加载装置进行适当的设计改进可以满足多种空间复杂节点加载试验的需求，拓宽了自平衡加载装置的用途和实验教学内容。

空间节点；实验教学；试验装置；自平衡加载装置；改进设计

空间复杂节点是空间结构的基本组成单元，其构成形式复杂。反力墙加载系统通常只能完成其弹性阶段的受力性能试验[1]，难以研究其在弹塑性阶段的受力状态和极限承载能力。

为开展空间复杂节点受力状态的研究，国内外学者设计制作了形式和功能各异的自反力平衡加载装置。

日本东京大学设计制作了内径2.6 m、外径3.6 m的箱形截面环形钢结构加载装置，最大加载量为1 200 kN[2]；张禁[3]设计制作了内外径分别为4.0 m和6.6 m的多功能钢结构加载环，最大加载量为4 000 kN；武振宇等[4]设计了一个可用于平面和特定空间节点的试验加载的L型反力架；韩小雷等[5]设计制作的适合平面和几种空间节点的试验加载装置，由一个平面矩形钢架和一个位于中部并垂直于其短边的竖直门式钢架组成。这些装置都是针对某一构造型式的节点制作，不太适合其他型式构件的试验研究。

本文在上述研究成果的基础上进行设计改造，用于空间异型节点的加载试验，以拓展实验室教学实验的范围[6-9]。

1 装置加载方案

1.1 试验荷载

根据设计院提供的杆件力，并考虑试验研究的需求，计算出各个杆件加载,见表1。由于多个杆件同步加载较难实现，试验采用部分杆件加载，其余杆件分别约束的方案[10]。

试验最大加载荷载为1.6倍的设计值。DKYY节点(足尺模型)的有限元分析表明，对杆件6-1和6-3施加主动力而其他杆件被动受力时，节点内力与其在最不利荷载作用下的设计值基本一致，杆6-1和6-3施加的荷载以及其他杆件的约束见表1。

DKKI节点(二分之一缩尺模型)中杆1、2、7、8和12施加的荷载以及其他杆件的约束见表2。

表1 DKYY节点杆件加载与约束 kN

表2 DKKI节点杆件加载与约束 kN

1.2 加载装置

本文对实验室中的10 000 kN钢结构自平衡加载装置进行改进设计，以实现复杂钢节点试件的空间加载试验。

加载装置还包括两个工字型梁、三组自平衡组合反力梁以及多个加载连接件，如图1所示，通过以上构件的组合即可进行空间复杂异型节点的试验。

图1 附属加载装置

2 节点加载装置设计

2.1 DKYY加强型相贯节点

DKYY节点构造如图2所示。试验时，考虑反力架的空间要求以及节点的尺寸问题，在安装前截短部分支杆，以使反力装置的空间能够容纳节点；将节点安装就位于反力装置中，该步骤需考虑两边千斤顶的位置、竖向杆2的位置、千斤顶的尺寸等因素。杆1(主管)支承在放置在反力装置下的反力梁上，反力装置与反力梁之间设置垫块；由于杆7与垂直于主管的平面有约35°夹角，安装时垂直其端部水平焊接一根反力梁，反力梁通过两根承压梁与反力装置连接，以承受杆7的拉力。加载装置安装如图3和图4所示。

图2 DKYY加强型相贯节点

图3 节点实验平面图

图4 安装平面图1-1剖面图

2.2 DKKI加强型相贯节点

DKKI节点构造如图5所示。

图5 DKKI加强型焊接钢板节点

因杆2、杆8和杆12的内力为拉力，将它们分别焊接在如图6所示的组合反力架上，千斤顶置于反力装置外侧上。

图6 DKKI加强型相贯节点试验装配图

3 结束语

通过对反力架自平衡加载装置的设计改进，可以用于多种空间复杂节点的空间加载，真实地模拟节点的受力状态，适用于空间节点各阶段受力状态和极限承载能力的研究。本研究拓展了自平衡加载装置的用途和实验教学内容。

[1]过镇海,王宗刚,聂建国，等.大型结构多功能空间加载装置的研制[C].陈志鹏，王宗纲，聂建国.土木工程结构试验与检测技术暨结构试验课教学研讨论文集，北京：中国建筑工业出版社，2006：364-370.

[2]张禁. 多功能加载装置的研制及在圆管节点试验中的应用[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2003.

[3]张禁,张文元,张耀春. 多功能加载装置的研制和应用[J].工业建筑,2004(3):40-43.

[4]武振宇,张壮南,丁玉坤，等.K型、KK型间隙方钢管节点静力工作性能的试验研究[J].建筑结构学报，2004，25(2)：32-38.

[5]韩小雷,黄超,方小舟，等. 广州西塔巨型斜交网格空间相贯节点试验研究[J]. 建筑结构学报, 2010, 31(1):63-69.

[6]张有声.关于我国工程教育培养目标的思考[J]. 清华大学教育研究，2003(4):8-10.

[7]毛祖桓.如何培养工科大学生的创新精神与能力[J].中国高等教育，2000(13/14)：38-39.

[8]王阁.内置加强板加强型空间圆钢管相贯节点静力性能试验研究[D].广州：广州大学，2008.

[9]邱志恒.加强型空间圆钢管相贯节点试验研究及数值分析[D].广州：广州大学，2008.

[10]张季超,易和,李霆，等.巨型钢框架中加强型半球节点试验研究[J].建筑结构，2010,40(8):38-41.

Improved Design of Self-balanced Loading Devices for Spatial Connections

WANG Keyi1，ZHU Wenzheng1，WANG Fuqing2

(1. School of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China; 2. He’nan Central Gold Construction Installation Engineering Co., Sanmenxia 472000, China)

The self-balanced loading device was revised to fulfill the loading tests of the nodes of a certain major project. The test methods, loading layout and the design of connecting elements were discussed. It is demonstrated that loading tests for many spatial connections can be fulfilled using self-balanced loading device with appropriate changes.

spatial connection; experiment teaching; test device; self-balanced loading device; improved design

2013-12-09；修改日期: 2014-03-16

广东省科技计划基金资助项目(2011A030200019)。

王可怡(1959-)，女，学士，高级实验师，主要从事结构实验教学工作。

朱文正(1971-)，男，博士，副教授，研究方向：桥梁抗震与加固。

TU242.5

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.001