（机械电子工程专业论文）空间结构大型节点试验全方位加载系统的机构设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着国内大型会展中心、体育场，飞机场等公共建筑的大量修建，大跨度空间结构 的社会需求和工程应用逐年增加。目前的节点加载试验设备多为平面加载，通用性差， 不能满足空间结构大型节点的加载需要。本文设计了一种空间结构大型节点试验全方位 加载系统，加载吨位大、自动化程度高，能够实现多点的同步加载，适用于工程中所应 用的大部分节点的拉伸和压缩试验。全文的主要内容如下： 第一章介绍了空间结构的发展概况，结构试验的分类和加载方法。提出空间结构大 型节点试验全方位加载系统的设计要求和实现的功能。 第二章设计了双层导轨加载方案。双层导轨方案提供9 个加载点，设计内容包括： 导轨的方案设计、小车油缸的方案设计、连接部分的设计、试件输送装置的设计、球门 自动启闭装置的设计。并分析了加载系统中存在的死区及减小死区的措施。 第三章在双层导轨加载方案的基础上进行了改进，设计了嵌入式导轨加载方案。该 方案采取不同的导轨结构，把加载的轨间死区减小到几乎为零，以满足工程中常用节点 的加载需要。详细介绍了上下定位小车的在加载系统中的作用，按部件进行结构设计， 并进行计算校核。 第四章对嵌入式导轨加载系统中的关键部件进行有限元分析。分析了经向导轨和小 车前支撑的应力及变形情况。 第五章对全文进行了总结和展望。 关键词：空间结构、加载试验、节点、机构设计、有限元分析 a b s l l t a c t a b s t r a c t w i t ht h em u s h r o o m i n go fm a n ye x h i b i t i o nc e n t e r s ，s t a d i u m sa n da i r p o r t sn a t i o n w i d e ， t h e r ei sai n c r e a s i n gi ns o c i a ld e m a n da n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no fw i d e - s p a ns p a c e s t r u c t u r e h o w e v e r ，m o s to ft h en o d a lp o i n t sl o a d i n gt e s td e v i c e st h a ta r ec u r r e n t l yw o r k i n g b e l o n gt op l a n el o a d i n gt y p e ，h a v i n gp o o rv e r s a t i l i t y , u n a b l et om e e tt h el o a d i n gr e q u i r e m e n t o fl a r g en o d a lp o i n t so ft h es p a t i a ls t r u c t u r e s t l l i sa r t i c l ed e s i g na no m n i - b e a t i n gl o a d i n g s y s t e mf o rt e s to f n o d a lp o i n t so f t h es p m i a is t r u c t u r e s i t sa d v a n t a g e sa r eb i gl o a d i n gc a p a c i t y , l l i g ha u t o m a t i c i t ya n ds y n c h r o n o u sl o a d i n go fm u l t i p l en o d a lp o i n t s i ta p p l i e st ot h e e x t e n s i o na n dc o m p r e s s i o nt e s to f m o s tn o d a lp o i n t si ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e s t h ef i r s tc h a p t e rp r e s e n t sag e n e r a lv i e wo f s p a t i a ls t r u c t u r ed e v e l o p m e n t , c l a s s i f i c a t i o no f s t r n c t u r e t e s ta n dm e t h o d so fl o a d i n g i t e x p l a i n st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dr e a l i z a b l ef u n c t i o n so f 锄 o m n i - b e a r i n gl o a d i n gs y s t e mf o rt e s to f n o d a lp o i n t so f t h es p a t i a ls t r u c t u r e s t h es e c o n dc h a p t e rp r o p o s e sad o u b l eg u i d er a i ll o a d i n gd e s i g nw h i c hp r o v i d e s9n o d a lp o i n t s t h e d e s i g ni n c l u d e ss c h e m a t i cd e s i g no fg u i d er a i l ，d e s i g no fc a r r i a g eo i lc y l i n d e r ，c o n n e c t i o n s , s a m p l e c o n v e y a n c ed e v i c e sa n da u t o m a t i co n - o f fd e v i c e so fg o a l t h ed e a dz o n e se x i s ti nl o a d i n gs y s t e ma n d c o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sf o rr e d u c t i o na r ea n a l y z e d t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h ee m b e d d e dg u i d er a i ll o a d i n gd e s i g n , a l li m p r o v e m e n tm a d eo nt h e b a s i so f d o u b l eg u i d er a i ll o a d i n gp r o p o s a l ad i f f e r e n tg u i d er a i li sa d o p t e dt or e d u c el o a d i n gd e a dz o n et o a l m o s tz e r oi na l la t t e m p tt os a t i s f yt h el o a d i n gr e q u i r e m e n to f c o m m o n l yu s e dn o d a lp o i n t si ne n g i n e e f i n g p r o j e c t s a d e t a i l e d i n t r o d u c t i o n i s m a d e t o t h e f u n c t i o n o f u p p o ra n d l o w e r p o s i t i o n i n g c a r r i a g e o f l o a d i n g s y s t e m , s t r u c t u r ed e s i g na n dc a l c u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o n sa c c o r d i n gt oa c t u a lc o m p o n e n t s t h ef o r t hc h a p t e ri saf e ma n a l y s i so f k e yp a r to f t h ee m b e d d e dg u i d er a i ll o a d i n gs y s t e m i ta n a l y z e s t h es t r e s si nt h er a d i a lg u i d er a i la n dt h ef r o n ts u p p o r t i n g o f c a r r i a g ea n dt h e i rd e f o r m a t i o n t h ef i f l i lc h a p t e ri sac o n c l u s i o no f t h ea r t i c l e , a n da no u t l o o ki si n c l u d e d k e y w o r d s ：s p a t i a is t r u c t u r e 、l o a d i n gt e s t 、n o d a l p o i n t 、m a c h i n ed e s i g n 、f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 德诊签字日期：矽衫年月，o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘茎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： j 霪黔 签字日期：矽i 年莎月，口日 导师签名： 签字日期： 浙江大学硕十学位论文 第一章概述 【摘要】本章介绍了空间结构的发展概况，结构试验的分类和试验加载方法。介绍 了空间结构大型节点试验全方位加载系统的设计要求和实现的功能。 1 1 空间结构的发展概况 1 1 1 空间结构及其分类 空间结构是指具有不宜分解为平面结构体系的三维形体，具有三维受力特性，在载 荷作用下呈空间工作的结构。相对于平面结构，空间结构形式丰富，生动活泼，突出结 构美而且富有艺术表现力。空间结构形体合理，具有良好的受力性能，能够充分发挥材 料的潜力。从而不仅形体优美、经济合理，还可以跨越超大的空间，成为近年来最具生 命力的结构形式之- - 1 “。 空间结构可分为以下三种基本类型： 实体结构类薄壳结构、折板结构类。它们一般是钢筋混泥土实体结构，近年来 应用不是很多。 网格结构类网架结构、网格结构。它们一般是由杆件按一定规律组成的网格状 高次超静定空间杆系结构。 张力结构类悬索结构、薄膜结构。它们一般通过对索或膜施加预张力以后形成 空问结构体系。 集中以上两种或几种结构的优点组合而成的结构通常称为混和结构或杂交结构，已 成为近年来的研究热点，推动着空间结构的发展。 本文设计的空间结构大型节点试验全方位加载系统主要适用于网格结构类，对节点 上的杆件进行加载。下面的节点概述只介绍网格结构类，其他的不作论述。 1 1 2 空间结构的发展概况 在人类古老的建筑中早就已经出现了空间结构的痕迹，例如我国半坡遗址的居屋就 是一个原始的空间骨架，而北美印第安人从他们始祖继承下来的棚屋，其以枝条搭成的 穹顶与现代网壳则有惊人的类似。其后，自欧洲文艺复兴时代所出现的教堂建筑，以砖石 构成的穹顶虽然又厚又重，但在某种程度上仍体现了空间作用。现代空间结构的出现，应 该从2 0 世纪初期兴建的钢筋混凝土薄壳算起，这应该归功于先进建筑材料钢铁与混 凝土的诞生。第二次世界大战之后，百废待兴，大量的建筑使空间结构走向蓬勃发展的康 庄大道。5 0 年代后期以杆件组成的空间网格结构崭露头角，其中平板形的称为网架，曲面 形的称为网壳。这种结构的杆件以钢、木或铝合金制成，通过节点组合成网状结构。以 后又陆续出现了以受拉来主要受力特征的张拉结构，起初有以钢索承重的悬索结构，其 后则有以合成材料制成建筑织物来受力的膜结构。就结构自重而言，从砖石穹顶的6 4 0 0 k g m 减少到膜结构的1 0k g m ，说明了建筑结构飞跃的进步【2 1 。计算机的普及和有限元 分析方法的广泛运用为空间结构的加速发展创造了真正的条件。许多大型的和特殊形式 的新颖空间结构只能用计算机程序进行分析1 3 】。 自从5 0 年代以来，我国在空间结构领域获得了长足的进步，不论是工程应用或理 论研究方面均在国际上占有一席之地，网架结构的应用范围与面积已位居世界各国静 列，像首都体育馆、上海体育馆( 如图1 1 ) 这样万人级的体育馆仍是大跨度网架结构 中的佼佼者，近年来网壳结构逐渐兴起，在体育馆建设中颇有取代网架之势。天津市体 育馆( 如图1 2 ) 的双层球形网壳，直径有1 3 5 m ，黑龙江速滑馆的主体结构采用由中央 圆柱面与两端半圆球面组成的双层网壳，其轮廓尺寸为8 6 2 r e x1 9 1 2 m 。中国的悬索结 构早在6 0 年代即已起步，当时曾建造了直径9 4 m 的圆形双层悬索，用于北京工人体育馆。 其后在安徽体育馆等工程上采用的横向加劲悬索体系，以及在吉林滑冰馆采用的空间双 层索系，都体现了中国在这方面的创新。相形之下，同属于张拉体系的膜结构，在中国的 发展还比较落后。但最近建成的上海体育场马鞍形看台挑蓬，采用悬挑钢桁架覆以伞形 膜材，是中国的第一个大跨度膜结构，虽然其技术与材料主要还依靠国外，但对中国膜结 构的发展必然将起推动作用 4 1 1 5 1 。 图1 1 上海8 万人体育馆图1 2 天津体育馆 空间结构的技术水平是一个国家土木建筑业水平的重要衡量标准，也是一个国家综 合国力的体现。改革开放以来，随着我国国民经济的高速发展和综合国力的提高，我国 空间结构的技术水平也得到了长足的进步。大跨度空间结构的社会需求和工程应用逐年 增加，空间结构在各种大型体育场馆、剧院、会议展览中心、机场候机楼、各类工业厂 房等建筑中得到广泛的应用。特别是近几年，随着北京2 0 0 8 年中奥成功、上海申办2 0 1 0 年世界博览会等国家重大社会经济活动的展开，我国将在近l o 年内建设一大批高标准、 高规格的体育场馆、会展中心、机场航站楼等社会公共建筑，这将给我国空间结构的进 一步发展带来良好的契机，同时也对空间结构技术水平提出了更高的要求【6 】。 1 2 节点概述 1 2 1 网架节点及其分类 空间结构的节点来自不同方向，而且汇集的秆件较多，节点的构造比平面桁架的节 2 浙江大学硕士学位论文 点复杂的多。目i ； 国内网架结构常用的节点有焊接空心球节点、螺栓球节点和焊接钢板 节点等几种形式1 7 1 。 焊接空心球节点( 图1 3 ) 是由两块圆钢板经加热，压成两个半圆球，然后相对焊接 而成。这种节点的优点是构造和制造均较简单，球体外型美观、具有万向性，可以连接 任意方向的杆件。它用于连接圆钢管杆件，连接时只需将钢管正截面切断，然后使管与 球按等间隙焊接，即可达到圆钢管与球节点自然对中的目的。其缺点是由于球节点由等 厚钢板制成，在与钢管交接处应力集中明显，形成应力尖峰值，使球体受力不均匀；由 于钢管与球正交连接，焊缝长等于钢管周长，没有余量，要求焊缝必须与钢管等强。而 且在多数情况下，焊接时工件不能翻身，就造成一团焊缝中俯、侧、仰焊均有的全位置 焊接，因此对焊接要求高而难度大。焊接空心球节点用钢量一般占网架总用钢量的2 0 一2 5 ，它适用于各种型式、各种跨度( 直到l o o m 以上) 的网架。 螺栓球节点( 图1 4 ) 通过高强度螺栓联接在一起。这种节点的优点是制作精度由 工厂保证，现场装配快捷，工期短，有利于缩短房屋的建造周期；其制作费用比焊接空 心球节点高，而拼装费用低。这种节点可用以建造临时设施，便于装拆。其缺点为组成 节点的零件较多，增加了制造成本，高强螺栓上开槽对其受力不利，安装时是否拧紧不 易检查。安装时应特别注意对接合面处的密封防腐处理，特别在湿度较高的南方地区更 应重视防腐措施。这种节点适用于各种类型的网架，目前高强螺栓的最大拉力可达 7 5 0 k n ，网架下悬挂吊车起重量最大可达5 t 。 图1 3 焊接球节点图1 4 螺栓球节点 焊接钢板节点一般由十字节点板和盖板组成。这种节点的优点是制造费用低，不需 要大量机加工，构造简单。其缺点为现场焊接工作量太大。最适用于角钢杆件的两向桁 架系网架的连接，也可用于四角锥系网架的连接。 随着国内大型会展中心、体育场、飞机场等公共建筑的大量修建，大型空间结构发 展迅猛。铸钢节点可设计为大尺寸，承载能力高，可以铸造成任意形状，适应多方向的 传力，预留连接端口与工地杆件连接，工地施焊方便，可以避免焊缝在球上或主管上重 叠，从而降低焊接残余应力，因此可以很好地满足结构受力、构造、施工的需要。铸钢 节点具有的这些优点使其越来越广泛地应用于大型空间结构，可以预见的是，铸钢节点 3 将成为大型空间结构关键部位节点的主要形式之一。 1 2 2 大型节点进行试验研究的必要性 结构试验是研究和发展结构理论的重要手段；是发现结构设计问题的主要手段；是 验证结构理论的惟一方法；是建筑结构质量鉴定的直接方式；是制定各类技术规范和技 术标准的基础i s 。从确定结构材料的力学性能到验证梁、板、柱等单个构件的计算方法 及至建立复杂结构体系的计算理论，都离不开试验研究。近年来，由于计算机的发展、 电子计算机的广泛应用以及过去大量结构试验研究所奠定的基础，为用熟悉模型方法对 结构进行计算分析创造了条件，使试验研究不再是研究和发展结构理论的唯一途径。但 由于实际结构的复杂性，试验研究仍是研究结构理论及设计计算方法的主要手段 9 1 。随 着大型空间结构的发展，新型结构的出现，大型节点的形状也越来越复杂，实际受力情 况也十分复杂，因此有必要对大型、形状复杂的节点进行试验研烈1 0 i l 】【1 2 1 。 十余年来关于空问结构研究的一个特点是做了大量的试验。这是我国结构研究领域 的一个优良传统。8 0 年代乃至9 0 年代初期建造的几乎每一个有代表性的大型空间结构， 都作过模型试验或现场实测。这些试验研究同理论分析工作一起，以及它们之间的相互 印证，使我们对原来可能比较生疏的各种新颖空间结构的基本性能了解得越来越全面， 为设计这些结构积累起比较丰富的理论储备。 1 3 结构试验的分类1 3 1 1 1 4 l 建筑结构试验是在试验研究对象上应用科学的试验组织程序，使用仪器设备为工 具，利用各种实验为手段，在荷载或其他因素作用下，通过量测与结构工作性能有关的 各种参数，从强度、刚度和抗裂性以及结构实际破坏形态来判明结构的实际工作性能， 估计结构的承载能力，确定结构对使用要求的符合程度，并用以检验和发展结构的计算 理论。 结构试验按试验目的、荷载性质、试验对象、试验周期、试验场合等因素进行分类。 ( i ) 生产性试验和科研性试验 生产性试验经常是具有直接的生产目的，它是以实际建筑物或结构构件为试验对 象，经过试验对具体结构作出正确的技术结论。 科研性试验的目的在于：验证结构设计计算的各种假定；制定各种设计规范； 发展新的设计理论；改进设计计算方法；为发展和推广新结构、新材料及新工艺 提供理论和实践的经验。 ( 2 ) 静力试验和动力试验 静力试验是结构试验中最常见的基本试验，因为大部分土木工程的结构在工作时所 承受的是静力荷载，一般可以通过重力或各种类型的加载设备来实现和满足加载要求。 静力试验的最大优点是加载设备相对来讲比较简单，荷载可以逐步施加，还可以停下来 仔细观测结构变形的发展，给人们以最明确、最清晰的破坏概念。 4 浙江大学颀士学位论文 对于那些在实际工作中主要承受动力作用的结构或构件，为了研究结构在施加动力 荷载作用下的工作性能，一般要进行结构动力试验。目前抗震动力试验一般用电液伺服 加载设备或地震模拟振动台等设备来进行，对于现场或野外的动力试验，利用环境随机 振动试验测定结构动力特性模态参数也日益增多。另外还可以利用人工爆炸产生人工地 震的方法，甚至直接利用天然地震对结构进行试验。 由于荷载特性的不同，动力试验的加载设备和测试手段也与静力试验有很大的差 别，并且要比静力试验复杂得多。 ( 3 ) 真型试验、模型试验以及小构件试验 真型试验的试验对象是实际结构或者是按实物结构足尺复制的结构或构件。 进行真型结构试验由于投资大、周期长、测量精度受环境因素影响，在物质上或技 术上存在某些困难时，人们在结构设计的方案阶段进行初步探索或对设计理论计算方法 进行探讨研究时，可以采用比真型结构缩小的模型进行试验。 模型是仿照真型并按照一定比例关系复制而成的试验代表物，它具有实际结构的全 部或部分特征，但尺寸却比真型小得多的缩尺结构。模型的设计制作与试验是根据相似 理论，用适当的比例尺和相似材料制成的与真型几何相似的试验对象，在模型上施加相 似力系使模型受力后重演真型结构的实际工作，最后按照相似理论由模型试验结果推算 实际结构的工作，为此这类模型要求有比较严格的模拟条件，即要求做到几何相似、力 学相似和材料相似等等。 小构件试验是结构试验常用的研究形式之一，它有别于模型试验。采用小构件进行 试验，不依靠相似理论，无须考虑相似比例对试验结果的影响，即试验不要求满足严格 的相似条件，只是用试验结果与理论计算进行对比校核的方式来研究结构的性能，验证 设计假定与计算方法的正确性，并认为这些结果所证实的一般规律与计算理论可以推广 到实际结构中去。 ( 4 ) 短期荷载试验和长期荷载试验 对于主要承受静力荷载的结构构件实际上荷载经常是长期作用的。但是在进行结构 试验时限于试验条件、时间和基于解决问题的步骤，不得不大量采用短期荷载试验，即 荷载从零开始施加到最后结构破坏或到某阶段进行卸荷的时间总和只有几十分钟、几小 时或者几天。对于承受动荷载的结构，即使是结构的疲劳试验，整个加载过程也仅在几 天内完成，与实际工作有一定差别。对于爆炸、地震等特殊荷载作用时，整个试验加载 过程只有几秒甚至是微秒或毫秒级的时速，这种试验实际上是一种瞬态的冲击试验。所 以严格地讲这种短期荷载试验不能代替长期荷载试验。这种由于具体客观因素或技术的 限制所产生的影响，在分析试验结果时就必须加以考虑。 对于研究结构在长期荷载作用下的性能，如混凝土结构的徐变、预应力结构中钢筋 的松弛等，就必须要进行静力荷载的长期试验。这种长期荷载试验也可以称为持久试验， 它将连续进行几个月或几年时间，通过试验以获得结构变形随时间变化的规律。 5 ( 5 ) 实验室试验和现场试验 试验室试验由于具备良好的工作条件，可以应用精密和灵敏的仪器设备，具有较高 的准确度，甚至可以人为地创造一个适宜的工作环境，以减少或消除各种不利因素对试 验的影响，所以适宜于进行研究性试验。这样有可能突出研究的主要方向，而消除一些 对试验结构实际工作有影响的次要因素。 现场试验与室内试验相比，由于客观环境条件的影响，不宜使用高精度的仪器设备 来进行观测，相对来看，进行试验的方法也可能比较简单粗糙，试验精度较差。现场试 验多数用以解决生产性的问题，所以大量的试验是在生产和施工现场进行，有时研究的 对象是已经使用或将要使用的结构物，现场试验也可获得实际工作状态下的数据资料。 1 4 结构试验加载方法1 5 1 6 l 结构试验是模拟结构在实际受力工作状态下的结构反映，结构的荷载试验是结构试 验的基本方法。试验用的荷载形式、大小、加载方式等都是根据试验的目的要求，以及 如何能更好地模拟原有荷载等因素来选择。 产生荷载的方法和加载设备有很多种类：在静力试验中有利用重物直接加载或通过 杠杆作用间接加载的重力加载方法，有利用液压加载器和液压试验机的液压加载方法， 有利用铰车、差动滑轮组、弹簧和螺旋千斤顶等机械设备的机械加载方法，以及利用压 缩空气或真空作用的特殊方法等等。 在动力试验中可以利用惯性力或电磁系统激振，比较先进的设备是由自动控制、液 压装置与计算机相结合而组成的电液伺服加载系统和由此作为振源的地震模拟振动台 加载设备等；此外人工爆炸和利用环境随机激振( 脉动法) 的方法也开始广泛应用。 1 4 1 重力加载 重力载荷就是利用物体本身的重量将物体施加与试验结构上作为荷载的加载方式。 在实验室内可以利用的重物有专门浇铸的标准铸铁砝码、混凝土立方试块、水箱等；在 现场则可就地取材，经常实采用普通的砂、石、砖等建筑材料或是钢锭、铸铁、废构件、 食盐等。重物可以直接加在试验结构或构件上，也可以通过杠杆间接加在结构或构件上。 1 4 2 机械力加载 ( 1 ) 卷扬机、绞车加载 机械力加载常用的机具有吊链、卷扬机、绞车、花篮螺丝、螺旋千斤顶及弹簧等。 吊链、卷扬机、绞车和花篮螺丝等主要是配合钢丝或绳索对结构施加拉力，还可与滑轮 组联合使用，改变作用力的方向和拉力的大小。 ( 2 ) 螺旋千斤顶加载 螺旋千斤顶是利用齿轮及螺杆式蜗杆机构传动的原理，当摇动千斤顶手柄时，蜗杆 就带动螺旋杆顶升，对结构施加顶推压力，加载值的大小可用测力计测定。 ( 3 ) 螺旋弹簧加载 6 浙江大学硕士学位论文 弹簧加载法常用于构件的持久荷载试验。弹簧施加荷载的工作原理和机械螺栓弹簧 垫的工作原理相同。当荷载值较小时，可直接拧紧螺帽以压缩弹簧；当荷载值很大时， 需用千斤顶压缩弹簧后再拧紧螺帽。 使用弹簧加载时，弹簧变形值与压力的关系要预先测定，在试验时只需知道弹簧最 终变形值，即可求出对试件施加的压力值。用弹簧作为持久荷载时，应事先估计到当结 构徐变使弹簧压力变小时，其变化值是否在弹簧变形的允许范围内。 机械力加载的优点是设备简单，容易实现，当通过索具加载时，很容易改变荷载作 用方向。故在建筑物、柔性构筑物( 如塔架等) 的实测或大尺寸模型试验中，常用此法施 加水平集中荷载。其缺点是荷载值不大，当结构在荷载作用点产生变形时，会引起荷载 值的改变。 1 4 3 液压加载 液压加载是目前结构试验中应用比较普遍和理想的一种加载方法。它的优点是利用 油压使液压加载器( 俗称液压千斤顶) 产生较大的荷载，试验操作安全方便，特别是对于 大型结构构件，当试验要求荷载点数多、吨位大时更为合适。尤其是电液伺服系统在试 验加载设备中得到广泛应用后，为结构动力试验模拟地震荷载、海浪波等不同特性的动 力荷载创造了有利条件，使动力加载技术发展到了一个新的高度。 ( i ) 液压加载器 液压加载器是液压加载设备中的一个主要部件。其工作原理是用高压油泵将具有一 定压力的液压油压入液压加载器的工作油缸，使之推动活塞，对结构施加荷载。荷载值 可以用油压表示值和加载器活塞受压底面积求得，用这种方法得到的荷载值较粗；也可 以用液压加载器与荷载承力架之间所置的测力计直接测读。现在常用的方法是用传感器 将信号输给电子秤显示或输给应变仪显示或由记录器直接记录。 液压加载器的品种有普通工业用的手动液压加载器，有专门为结构试验设计的单向 作用和双向作用的液压加载器。 普通手动液压加载器的工作原理和打气筒的工作原理相似，使用时先拧紧放油阀， 截断回油油路，掀动加载器的杠杆式手柄，把储油罐中的油通过单向阀压入工作油缸， 推动活塞上升。这种加载器的最大行程为2 0 c m 左右。这种加载器的规格很多，最大的 加载能力可达5 0 0 0 k n 。 利用普通手动液压加载器配合荷载架和静力试验台座，是液压加载方法中最简单的 一种加载方法，设备简单，作用力大，加载卸载安全可靠，与重力加载法相比，可大大 减轻劳动强度和劳动量。但是，如要求进行多点加载时则需要多人同时操纵多台加载器， 这时难以做到同步加载卸载，尤其当需要衡载时更难以保持稳压状态。因此，这类加载 器目前已经很少使用。 单向液压加载器是为了满足结构试验中同步液压加载的需要而专门设计的加载设 备。它的特点是储油缸、油泵、阀门等是独立的，不附在加载器上，所以其构造比较简 7 概述 单，只由活塞和工作油缸两者组成。其活塞行程较大，顶端装有球铰，可在1 5 度范围 内转动，整个加载器可按结构试验需要，能倒置、平置、竖置安装，并适宜于多个加载 器组成同步加载系统使用，能满足多点加载的要求。 为适应结构低周反复载荷的需要，采用了一种能双向作用的液压加载器。它的特点 是在油缸个两端各有一个迸油孔，设置油管接头，可通过油泵与换向阀交替进行供油， 使活塞对结构产生拉或压的双向作用对试验结构实加反复荷载。 ( 2 ) 液压加载系统 液压加载法中利用普通手动液压加载器配合荷载架和静力试验台座使用，是一种简 单的加载方法。但它很难满足多点同步加载卸载，尤其是需要恒载时更难保持稳压状态。 与普通手动液压加载器相比，比较理想的加载方法是能够变载荷的同步液压加载设各， 称之为液压加载系统。液压加载系统主要是由储油箱、高压油泵、液压加载器、测力装 置和各类阀门通过高压油管连接的操纵台。 当使用液压加载系统在试验台座上或现场进行试验时尚需配置各种支撑系统，来承 受液压加载器对结构加载时产生的平衡力系。 利用液压加载试验系统可以作各类建筑试验的静荷试验，如屋架、梁、柱、板、墙 板等，尤其对大吨位、大挠度、大跨度的结构更为适用，它不受加荷点数的多少、加荷 点的距离和高度的限制，能适应均布和非均布、对称和非对称加荷的需要。 ( 3 ) 大型结构试验机 大型结构试验机本身就是一种更加完善的液压加载系统。它是结构试验室内进行大 型结构试验的一种专门设备，比较典型的是结构长柱试验机，主要用来进行柱、堵板、 砌体、节点与梁的受压与受弯试验。这种设备的构造和原理与一般材料试验机相同，由 液压操纵台、大吨位的液压加载器和试验机等几部分组成。由于进行大型构件试验的需 要，它的液压加载器的吨位要比材料试验机的吨位大，一般至少在2 0 0 0 k n 以上，机架 高度在3 m 左右或更高。目前国内普遍使用的长柱试验机的最大吨位是1 5 0 0 0 k n ，最大 高度可达3 m ，国外有高达7 m ，最大荷载达3 0 0 0 0 k n 甚至更大的结构试验机。 日本最大的大型结构构件万能试验机的最大压缩荷载为3 0 0 0 0 k n ，同时可以对构件 进行抗拉试验，最大抗拉荷裁为1 0 0 0 0 k n ，试验机高度达2 2 5 m ，四根工作立柱间净空 为3 m x 3 m ，可进行高度为1 5 m 左右的构件的受压试验，最大跨度为3 0 m 构件的弯曲 试验，最大弯曲荷载为1 2 0 0 0 k n 。这类大型结构试验机还可以通过专用的中问接口与计 算机相连，由程序控制自动操作。此外还配以专门的数据采集和数据处理设备，试验机 的操纵和数据处理能同时进行，其智能化程度较高。 ( 4 ) 电液伺服液压系统 电液伺服液压系统在5 0 年代中期开始首先应用于材料试验，它的出现是材料试验 技术领域的一个重大进展。由于它可以较为精确地模拟试件所受的实际外力，产生真实 的试验状态，所以在近代试验加载技术中又被人们引入到结构试验的领域中，用以模拟 8 浙江大学硕士学位论文 并产生各种振动荷载，特别是地震、海浪等荷载对结构物的影响，对结构构件的实物或 模型进行加载试验，以研究结构的强度及变形特性。它是目前结构试验研究中一种比较 理想的试验设备，特别是用来进行抗震结构的静力或动力试验尤为适宜，所以愈来愈受 到人们的重视，同时被广泛应用。 目前电液伺服液压试验系统大多数与电子计算机配合使用。这样整个系统可以进行 程序控制，扩大系统功能，如输出各种波形信号，进行数据采集和数据处理，控制试验 的各种参数和进行试验情况的快速判断。 此外还有气压加载、惯性力加载、电磁加载、人力激振加载等方法。 1 5 课题的研究概况 1 5 1 课题的提出 目前的空间结构大型节点试验多采用液压加载法，即将试件固定载地面上，液压千 斤顶配合荷载架和静力试验台座对试件进行加载。这种方法多为平面加载，很难满足多 点同步加载卸载，且对于不同的节点设计专门的加载装置，加载装置成本昂贵、通用性 差、自动化程度低，试验完成后，相应的加载装置基本报废，造成极大的资源浪费( 图 1 5 ) 。随着空间结构技术的发展，大型节点的广泛采用，迫切需要新型的加载设备来 满足空间结构大型节点的试验要求。 图1 5k 型节点加载试验 根据国内外空间结构节点的各种形式，设计一个空间结构大型节点试验全方位加载 系统试验台，可以提供自动化的、通用的节点试验加载系统，研究空间结构节点在复杂 受力状态下的应力、应变分布及节点的破坏模式，为空间结构的节点设计提供理论依据， 并应用于实际工程中节点工作性能的检验。 加载系统的反力支承体为一空心球。试验台是一个三维空间、自动定位、大载荷的 9 加载系统。施加载荷的方向范围基本覆盖整个球体的全部空间，同时给试件、线路、管 路留下足够的空间；定位装置运转自如，任意一只油缸能够按照给定的位置参数自动平 稳到位；多方向载荷同时作用，每只油缸均在可控的状况下进行逐级加载或卸载；同时 在加载或卸载过程中能够利用传感装置获取节点试件的力( 应力) 及应变的变化曲线。 控制系统采用计算机控制，操作简便，图形显示明了；具备完善的可操控性和安全保护 措施。 试验台应充分发挥机械设备灵活机动的特点，满足不同节点情况下试验载荷方向分 布、载荷大小等变化的要求，设备便于在长期使用中检查、维护。 试件试验包括对杆件施加拉力和压力试验两种类型，适用于多根杆件的节点，也是 用于单根杆件加载，并在试验中记录杆件弯曲、应变和变形情况，以便于设计出更合理 更安全的空间结构形式。球内径6 米的多维节点加载试验系统可以适用于目前工程中所 遇到的大部分节点试验，当然也适用于一维杆件或节点的拉伸、压缩试验。 1 5 2 设计要求 加载系统的反力支承体为一空心球，内径为6 m ，外径为8 m 。具体的技术要求如下： 1 、实现多方向的加载，多方向指的是9 个指向球心的任意方向，加载最大的油缸 方向固定( 固定在北极) ； 2 、加载方向的定位要求自动化，定位精度达到3 m m ，运动速度o 0 5 m s 左右； 3 、球内径6 米的加载装置，均要求在球体外通过可控制水平移动和上下升降的在 水平轨道上运行的支架将试验节点自动送到球的中心，支架在节点受平衡力的作用之 后，与试验用节点通过控制自动脱离； 4 、试验用节点通过球体的开口到达球体中心后，开口部分的球冠通过机械控制， 根据需要自动闭合并固定； 5 、加载的吨位：最大压力1 2 0 0 吨，最大拉力8 0 0 吨( 1 个最大压力1 2 0 0 吨拉力 8 0 0 吨，这个油缸固定在北极；4 个最大压力8 0 0 吨拉力6 0 0 吨；4 个最大压力6 0 0 吨 拉力4 0 0 吨) ； 6 、加载过程中，位移、压拉力自动或手动控制； 7 、油缸在做加压，拉试验过程中，可以单控或群控； 8 、对试验台中9 个油缸进行位置控制，即对系统中的电机进行综合控制，达到将 任一油缸送到任何指定位置的目的；油缸上装备摄像或红外线等装置，以实时获取定位 精度及试件受荷的变形情况； 9 、采用计算机及微机控制，既可以利用微机进行远程控制，也可以利用简单的面 板按键在现场控制； l o 、具有简单、易操作的人机通讯界面，良好的运行性能，完善的安全保护措施， 同时软、硬件均具有较好的扩展能力； 1 1 、将载荷定位要求分类划分几个等级，实现任何几部编组油缸精确同步定位； l o 浙江大学硕七学位论文 1 2 、通过参数列出油缸运动所需要的数据，包括移动位置、运动速度分组及控制杆 的分配，若油缸分组，一个轴的额定数据变化时，其它轴也按所选定的同步类型( 运动、 速度、时间或目标) 相关匹配，动作与运行参数表及预置程序相一致； 1 3 、整个实验及各个实验阶段的运行数据均作存储和管理，供随时调出审查； 1 4 、具有状态显示和可视化界面，对选定的油缸参数及运行状态作图形化显示，另 外显示球体主视与俯视图、油缸的空间位置； 1 5 、加载过程中，位移、应变及加载数据的自动记录； 1 6 、自动生成载荷位移曲线； 1 7 、数据的采集要求同时可以记录不少于1 0 0 个点。 1 5 3 方案简述 为了实现空心球内任意方位的加载，采用小车导轨式的结构。导轨分为经向导轨和 纬向导轨，经向导轨可以在纬向导轨上转动；加载点即液压缸安装在经向导轨上，并能 够上下运动，这样油缸就可以到达球内壁上的任意一点，从而实现对节点放在球心的工 件进行任意角度加载。如图1 6 。 图1 6 加载区域示意图 根据导轨结构形式及安装位置的不同，先后设计了两种方案：双层导轨方案和嵌入 式导轨方案。 双层导轨方案中经向导轨8 条，分为内外两层；纬向导轨两条，也是内外两层，安 装在空心球下部。经向导轨上安装小车，通过齿轮齿条啮合在导轨上运动。经向导轨在 纬向导轨上的运动也是通过齿轮啮合实现的。 嵌入式导轨方案中纬向导轨两条，在赤道附件嵌入球壳内部；经向导轨4 条。步进 电机驱动经向导轨沿纬向转动，小车在经向导轨上的运动通过液压绞车卷扬提拉实现。 1 5 3 难点 1 、加载的死区问题。设计该系统的初衷就是为了实现空间的全方位加载，但由于 导轨、加载油缸等机构本身的体积因素，存在加载死区是不可避免的。所以如何尽可能 的减少盲区是我们设计的出发点之一。不论是总体方案还是导轨的布置等设计过程中都 考虑了尽量减少盲区。这是能够实现全方位加载的最为重要的一个问题。 2 、连接部分的设计。由于该系统要求实现的自动化程度较高，尽量减少人工操作， 而且连接部分承受的力很大( 最大压力1 2 0 0 吨) ，又要保证加载的时候不偏载，油缸底 座和承力球内壁的连接都既是重点又是难点。 3 、系统的加载吨位大，最大推力拉力为1 2 0 0 8 0 0 吨，为减小液压缸尺寸，减小加 载的死区，从而液压系统的工作压力最终确定在6 3 m p a ，几乎是液压元件能正常工作的 极限。且加载的吨位需要实现上下调节，各个加载回路独立，不能相互影响。由于加载 油缸运动范围较大，相应的随行电缆和油管的跟随距离就长；而且由于承力球内活动部 件较多，所以随行电缆和油管就不能任意悬垂，以免干涉活动部件在加载过程中产生危 险。因此合理布置油管，安全可靠而又留出足够的加载空间也是关键问题之一。 4 、试件加载时，保持多缸同步加载是安全加载的重要的前提。产生偏载将对系统 产生不良的影响，对加载试验的结果也将产生影响。 1 2 浙江大学硕士学位论文 第二章双层导轨加载系统的机构方案设计 【摘要】本章设计了双层导轨加载方案。双层导轨方案提供9 个加载点，设计内容 包括：导轨的方案设计、小车油缸的方案设计、连接部分的设计、试件输送装置的设计、 球门自动启闭装置的设计。并分析了加载系统中存在的死区及减小死区的措施。 加载系统的反力支承体为一空心球，如图2 1 所示。所有的机构、液压、电气执行 元件以及工件都要求布置在该空心球内。加载系统理论上实现球体空间3 6 0 度任意方位 的加载，同时给试件、线路、管路留下足够的空间。采用导轨小车式的结构，导轨有纬 向导轨和经向导轨之分，经向导轨可以在纬线方向旋转，装有油缸的小车可以沿着经向 导轨运动，这样油缸( 即加载点) 就可以到达球体内壁上的任意一点，从而实现对节点放 在球心的工件进行任意角度加载。 a ) 承力球b ) 开门承力球c ) 球门 图2 1 承力球及其门区 空间结构大型节点试验全方位加载系统是一个机、电、液综合系统，本文只介绍机 构的相关设计。在机构方案中，主要包含了以下几个部分：导轨方案、小车油缸的方案、 连接部分方案、试件输送系统等。 2 1 实现的功能 根据设计要求和试验内容，该导轨式加载机构不仅要实现加载的功能，而且要具备 良好的扩展性，便于以后的技术改造。 l 、液压油缸从空间的任意角度对节点结构的伸出杆进行加载试验，实现空间多位 置加载。 2 、在空心球内有九个加载点，一个固定加载点。8 个不关联加载点，可以分别在空 间的非死区位置对工件进行加载，而且加载点扩展方便。 3 、不但可以对同规格( 工件的大小) 、不同类型的工件加载，而且可以实现对不同 规格的工件进行加载。 4 、能够实现工件从非加载区到加载区的运送以及安装定位的自动化，球门区开关 的自动化，以及加载的自动化。 双层导轨加载系统的机构方案设计 5 、可以实现不同的加载吨位：最大压力1 2 0 0 吨，最大拉力8 0 0 吨( 1 个最大压力 1 2 0 0 吨拉力8 0 0 吨，这个油缸固定在北极；4 个最大压力8 0 0 吨拉力6 0 0 吨；4 个最 大压力6 0 0 吨，拉力4 0 0 吨) ；每个加载点的位移、压拉力可以实现自动或手动控制；每 个加载回路在压，拉试验过程中，通过元件切换可以实现单控或群控。 6 、能够对导轨的定位实现精确控制。通过闭环控制实现经向导轨和纬向导轨的精 确运动到位。 7 、加载中，能够通过压力闭环实现加载对设定的压力进行跟随，也能通过位移闭 环实现对设定的位移进行跟随。 8 、可以通过计算机进行远程控制，也可以触摸屏进行现场控制。 9 、对于测试数据可以实时采集、分析和显示相应的载荷曲线，并能把采集的数据 存储和备份。 1 0 、通过摄像头能对试验现场进行全方位监控。通过界面友好的软件可以对现场全 景、局部进行观测，并可以实时查看加载设备的参数。 l l 、能够实现电气、液压和机械的多重保护，使系统安全可靠。 2 2 工作流程 根据设计方案( 图2 ，2 ) ，可以制定出该大型加载设备的工作流程。 1 ) 在承力球的球r l ；, l - 面布置有一个水平的导轨，这条导轨从球门的钢板之间的间 隙垂直穿入，球门外的小车通过钢丝索将球门沿着水平导轨拖出来。 2 ) 再通过起吊设备将运送工件的小车吊入球门与球体之间