古建木构架大位移低周往复荷载试验 加载同步装置及应用

魏剑伟，李铁英，万 佳，孟宪杰

(太原理工大学 建筑与土木工程学院，太原 030024)

低周往复荷载试验称为拟静力试验，是利用加载装置对试验对象进行逐渐增大、减小的往复荷载或往复位移，是结构抗震试验的一种方法。

低周往复荷载试验根据试验对象的不同其加载装置而不同，加载装置呈多样化[2-4]。

通常低周往复荷载试验多采用电液伺服系统作为加载设备。采用电液伺服系统作为加载设备在试验中存在有三个问题：

1) 作动器前端、后端都有球铰，试验时作动器水平置于一固定高度，作动器前端通过球铰连接件与试验对象加载点连接，作动器对试验对象施加水平低周往复荷载，施加的位移越大作动器前端球铰的转角越大，说明作动器施加在试验对象的荷载有误差，位移越大误差越大。

2) 试验对象的位移“测控点”，随着试验对象的位移增大，“测控点”的高度和角度都在变化，而“测控点”处测量位移的位移计安装高度是固定不变的，所以“测控点”处的位移计测得的位移是不准确的。

3) 关于水平低周反复荷载试验中的竖向加载问题，现在的竖向加载一般用作动器加载(也有用千斤顶加载)，随着试验对象位移变化，竖向作动器或千斤顶施加在试验对象上的竖向荷载不是恒定的，是变化的。这些问题在类似的文章中都没有提到，但是在实际中是存在的。

在古建木构架水平低周反复荷载试验中，同样的三个问题摆在面前，第二个问题通过研制位移计得以解决，一、三问题解决不了，经过反复论证和计算，最后自制了一套古建木构架水平低周反复荷载试验加载装置，竖向荷载采用配重加载，通过试验认为基本解决了这三个问题。本文仅介绍在古建木构架水平低周往复荷载试验中解决的第一个问题。

1 加载同步装置的计算

古建木构架(按宋代《营造法式》[1]七等材设计)大位移低周往复荷载试验加载同步装置[5-6]的计算，如图1所示。图2为双刀口支座构造简图。古建木构架模型直接放在地面，试验时古建木构架模型一端的加载绞车加载时，如图3所示，古建木构架模型另一端的加载绞车放松。

图1 古建木构架大位移低周往复荷载试验加载同步装置简图Fig.1 Loading synchronization device for low cycle cyclic loading test of ancient timber frame under large displacement

图2 双刀口支座的构造简图Fig.2 Simple diagram of bracket

1.1 古建木构架模型柱与平面摇摆柱的直径相等，高不相等的计算

如图1所示，古建木构架模型的铺作层的刚度远远大于古建木构架模型柱的刚度。在古建木构架大位移低周往复荷载试验时，古建木构架模型的铺作层可看作是一刚性层[7-8]。这样，如图4所示，平面摇摆柱加载高度大于古建木构架模型柱的高度[9-11]。古建木构架模型柱高H=2 760 mm，在力平面摇摆柱的直径与古建木构架模型柱的直径相等，古建筑木构架模型柱的直径D=389 mm，模型柱的高H=2 760 mm，平面摇摆柱的加载高为H+h=2 760+1 135=3 895 mm.

图3 摇摆柱工作简图Fig.3 Mechanic of rocking column loading system

F的作用下，A点沿半径为R的圆弧运动。平面摇摆柱高为H+h=2 760+1 135=3 895 mm，在力F的作用下，B点沿半径为r的圆弧运动。

图4 摇摆柱与模型柱直径相等高不相等的计算简图Fig.4 Calculation diagram of rocking column and model column (equal diameter, unequal height)

古建木构架模型柱在力F的作用下，古建木构架模型柱A点沿半径为R的圆弧运动，A点的最大增量高为ΔH：

平面摇摆柱在力F的作用下，平面摇摆柱B点沿半径为r的圆弧运动，B点的最大增量高为Δh：

R≠r，ΔH≠Δh，α≠α'，古建木构架模型柱A点与平面摇摆柱B点不同步。

1.2 古建木构架模型与平面摇摆柱的同步

如图4所示，若ΔH=Δh，则古建木构架模型柱A点与平面摇摆柱B点同步[11-12]。古建木构架模型柱的直径为D=389 mm，平面摇摆柱的直径为d.

∵ΔH=Δh,

∴d=462 .

当平面摇摆柱的直径d=462 mm时，ΔH=Δh，古建木构架模型柱A点与平面摇摆柱B点同步。根据计算，只要变化一下平面摇摆柱的直径，就可以对古建木构架模型的低周往复荷载试验实现加载同步。

2 实例

古建木构架大位移低周往复荷载试验加载同步装置由两套焊接在双刀口支座上的平面摇摆柱、耳板、测力杆、加载绞车组成。

如图1所示，将一根有一定长度和有足够刚度储备的钢管一端焊接在有足够刚度储备的双刀口支座垫板上面的中心位置，双刀口支座下垫板固定在地面，组成平面摇摆柱。测力杆的一端连接古建木构架模型，测力杆的另一端与平面摇摆柱上的耳板连接。加载绞车的钢丝绳连接平面摇摆柱耳板的另一端，加载绞车固定于地面。在古建木构架模型加载点位置处布置自制的一种应变式线性双向大位移传感器，测量古建木构架模型在低周往复荷载试验过程中的位移。测力杆是一定长度和刚度足够呈杆状的测力传感器，用于测量对古建木构架模型施加水平力的大小。在测力杆上布置一倾角传感器，监测低周往复荷载试验过程中测力杆是否呈水平状态。

根据计算，对于不同等材的古建木构架模型进行大位移低周往复荷载试验，就需要用相应不同等材柱直径和不同高度的平面摇摆柱，这样做很不经济。本文制作了可以调节两个刀口距离的双刀口支座，通过改变双刀口支座两个“刀口”的距离和耳板的孔到平面摇摆柱中心轴的距离，实现了不同等材的古建木构架模型共用一套平面摇摆柱。

此次试验共有4个模型，按宋代《营造法式》[1]七等材设计了足尺4柱模型一个，足尺2柱模型一个，八等材设计了足尺2柱模型一个和1/2七等材设计的一个4柱比例模型。

图5为八等材足尺2柱模型第2级竖向荷载下的水平低周往复荷载试验。图6为八等材足尺2柱模型第2级竖向荷载下 8级水平低周往复荷载试验的测力杆上的倾角传感器的实测倾角数据，每级加载的位移为10 mm.从图6中可知，实测倾角不大于0.4°，说明在8级水平往复荷载试验中测力杆基本保持在水平状态，此次使用的倾角传感器，分辨率为0.05°.从图6中可知3级荷载后倾角增大明显，这是因为，在试验时发现第3级荷载以后阑额与两柱的榫卯在0位置时阑额的榫头不能全部回到柱子的卯口中，第4级荷载时柱子卯口出现裂缝，两柱脚在0位置时也没有回到原位；试验后在拆解和测量古建木构架模型构件时发现阑额的榫头与柱子的卯口均有挤压变形，普拍枋与柱头的接触面有较深的压痕，说明从3级荷载后古建木构架模型随着荷载级别的增大其变形增大，古建木构架模型的原始高度也发生了变化，所以测力杆上的倾角度数也有所增大，与古建木构架模型和平面摇摆柱的同步计算无关。试验时在第4级荷载时就发现倾角增大，通过计算需要将平面摇摆柱上的耳板下降不足1 mm就可以解决倾角增大的问题，考虑到倾角度数变化很小不足1°，故没有在试验时调整平面摇摆柱上耳板的高度。

图5 古建木构架大位移低周往复荷载试验加载同步装置的应用Fig.5 Application of loading synchronization device for low cycle cyclic loading test of ancient timber frame under large displacement

图6 测力杆上的倾角传感器实测倾角数据Fig.6 Measured data of the obliquity sensor on the stress bar

4个古建木构架模型的大位移低周往复荷载试验表明，当古建木构架模型一端的加载绞车加载时，古建木构架模型另一端的加载绞车放松，测力杆基本保持在水平状态，验证了“古建木构架大位移低周往复荷载试验加载同步装置”的“同步”性。这种低周往复荷载试验加载同步装置，克服了现有电液伺服系统作为加载设备作用在试验对象的荷载或位移的误差，制造成本低，加载装置的结构形式简单，便于加载控制和安装，适用于古建木构架模型低周往复荷载试验，特别适用于足尺的古建木构架大位移低周往复荷载试验。

3 结论

1) 通过改变平面摇摆柱的双刀口支座的两个“刀口”距离和耳板孔到平面摇摆柱中心轴的距离，作用在古建木构架模型的荷载与加载装置输出的荷载同步。

2) 通过改变平面摇摆柱的双刀口支座的两个“刀口”距离和耳板孔到平面摇摆柱中心轴的距离，实现了不同等材的古建木构架模型共用一套平面摇摆柱。

3) 克服了现有电液伺服系统作为加载设备作用在试验对象的荷载误差。

4) 为古建木构架模型低周往复荷载试验提供了一种新的加载装置。