结构实验室建设方案

结构实验室建设方案

您好!

根据您的要求，我给您做了结构实验室分期建设的方案，供参考。

先看几个我们设计的结构实验室的三维图

图2.河北工业大学结构实验室布置图（有反力墙和反力地基），设备费：120万元

图3.东南大学RC&PC结构教育部重点实验室布置图（有反力墙和反力地基），设备费：450万元

图4.南通大学结构实验室布置图（有反力槽道与反力墙），设备费：350万

从我们做结构实验室的经验看，如果有可能的话，尽量在实验室里建好反力槽道，如果

资金允许，再建好反力墙，此外还必须建好行车。

如果还没有固定的结构实验室或者说有结构实验室重建的计划，眼前又有预算想买些结

构试验设备，主要对付教学实验，兼顾科研试验，请参阅方案lo

如果有了固定的地方，近期也没有新实验室的建设计划，需要在现有的场地上完成结构

实验室建设，请参阅方案2o

如果是正准备建新的结构实验室，那末仪器设备的采购就应该暂缓，抽时间到同济大学、

香港理工大学、清华大学、浙江大学等高校参观一下，然后再规划结构实验室的建设。如果

没有时间，可以把未来结构实验室的土建设计图发给我，我们会根据你们的设备费的额度，

帮你们设计结构实验室的建设计划，供你们参考。以后你们就可以参考这个计划，进行设备

的招投标采购。

结构实验室建设方案1

1.方案的设计原则

本方案的设计原则：没有固定的结构实验室或者说有结构实验室重建的计划，目前又需

要购置设备对付教学与科研试验。

2.设备配置

1.结构工程教学实验系统

本部份主要用于结构工程本科教学演示试验。浙江大学、上海大学、浙江理工大学、金

陵科技学院、温州大学、丽水学院等高校的结构实验室均配备了该系统。

1）.主要功能

本设备采用自反力结构（合用于没有建设反力地基的暂时实验室），主要用于结构试验教

学，在加载框架内能够进行钢筋混凝土简支梁试验、钢桁架静荷载试验。

2）.梁的静载荷实验系统

A配置原则：一共配备4套系统，可以满足一个班（分为6个组，每组5个人）同时

进行教学实验（其中两个组进行钢桁架试验）

加载框架（如图5所示）、手动泵站、千斤顶、负荷传感器、试验附具、静态应变仪。

»工作原理:

手动控制泵站压力通过千斤顶给被测梁加载，负荷传感器和应变片信号传送到静态应

变仪上，A/D转换后传给计算机进行数据处理，绘制力-应变曲线。

图5.梁的结构教学实验系统

A主要技术指标

.最大试验力：100kN

.加载框架高度：2220mm

.被测梁支点间距：1200mm

.手动泵站低压排量为12.5ml/次，高压流量为2.3ml/次，低压压力IMpa,高压压

力35Mpa。

.单向油压千斤顶输出压力为10吨，行程150mm。

.每组加载框架配备两个试样支座、一根分配梁以及保护装置

.每套系统配一台扬州泰司公司生产的TS3860型24点静态应变仪

3）.钢桁架静载荷实验系统。

»簸：

加载框架（如图6所示）、手动泵6套、千斤顶6个、负荷传感器6只、试验附具、

钢桁架试样2套、静态应变仪2台。

因为一个台架内有两套钢桁架，所以可以满足两个组同时进行试验。

千斤顶

图6.钢桁架结构教学实验系统

A主要技术指标：

.钢桁架尺寸（长*宽*高）:3000*1200*1600

.最大试验力：100kN

.加载框架高度：2220mm

.被测梁支点间距：1200mm

.手动泵站低压排量为12.5ml/次，高压流量为2.3ml/次，低压压力IMpa,高压压

力35Mpa。

.单向油压千斤顶输出压力为10吨，行程150mm。

.每套系统配2台扬州泰司公司生产的TS3860型24点静态应变仪

TS3860静态应变仪

每台测点个数：24

采样频率：1s/点，采样一遍（24点）需要24s

数据显示：自带显示屏（显示当前数据，无记录存储功能。）

数据输出：可以USB线接计算机，需要分析软件。

图7.上海大学结构教学实验系统照片

图8.简易结构教学实验系统完成梁的实验

2.结构工程拟静力加载系统

本部份主要用于结构工程科研试验，也可以用于教学演示试验，具有电液伺服自动控制

拟静力/拟动力加载功能，可以完成梁、柱、节点、框架等典型结构的科研或者教学试验。

多套框架组合，可以完成复杂的科研试验。浙江大学、同济大学、香港理工大学、上海交

通大学、东南大学、沈阳工业大学、安徽工业大学、内蒙古科技大学等高校的结构实验室

均配备了该系统。

组合式加载框架（如图9所示）、50吨电液伺服拟静力加载作动器、电液伺服油源、

POP-PI单通道控制器、试验附具、静态应变仪。

道连接的结构，因此，如果将来的实验室建好了反力槽道，还可以继续使用（参见图10）O

图10.组合式加载框架的使用

图11所示的结构试验系统除去丝杠式加载框架与本方案的加载系统不同外，其余部

分（包括：伺服油源、作动器、控制器）与本方案的彻底相同。

图11.金陵科技学院50吨电液伺服结构试验系统照片

a工作原理：

P0P-PI型电液伺服PC控制器通过电液伺服阀控制油源输出的液压油给电液伺服作动器

给试样加载，负荷传感器和作动器内置的位移传感器测得的负荷与位移信号传送到控制器，

从而完成试验过程的闭环控制，实现结构试验需要的试验力和变形的阶梯加、卸载，同时，

控制器还可以将上述信号和试样上的应变片信号一起传送到静态应变仪上，完成试验过程的

数据采集和相应的数据处理。多套试验系统可以组合使用，完成复杂的结构试验如图12

图12.九作动器高铁路基拟动力加载系统方案图（使用了6套组合式加载框架和多根组合梁）

A主要技术指标

•最大试验力：500kN

•试验力测量范围与示值精度：2%-100%,1%

•作动器行程：300mm

•位移测量分辨率：0.01mm

•加载框架高度：5000mm

・试验空间（宽*高）：2000mm*200—3500mm

・电液伺服油源：流量3.51/min,压力28MPa,机电功率：2kw

•可以完成结构试验的阶梯加、卸载和负荷保持试验。

•工控PC电液伺服自动控制

•自反力结构，配有上下横梁、弯曲支座等附件。

•将来可以扩展为多通道多作动器结构试验系统。

•可以与反力槽道连接。

3.组成与预算报价

序号1名称规格型号单位I数量单价总价（元）生产厂家

钢筋混凝土简支梁试验装置

1液压千斤顶10吨，行程150mm台泰州索力

2手动液压泵35MPa台泰州索力

428000112000

3负荷传感器10吨只宁波镇海

4加载框架2220*1200nun套杭州邦威

5静态应变仪TS3860,24点台4480019200扬州泰斯

小计131200

钢桁架静荷载试验装置

6液压千斤顶10吨，行程150mrr台6泰州索力

台

7手动液压泵35MPa6泰州索力

7900079000

8负荷传感器10吨只6宁波镇海

9加载框架+2套钢桁架3000*1200*1600mm套1杭州邦威

10静态应变仪TS386024点248009600扬州泰斯

小计88600

50吨电液伺服结构试验系统

1自反力加载框架3350*600*4000套265000130000杭州邦威

250吨静态加载伺服缸MAS-500/200套23500070000杭州邦威

3球较MHS-500套2560011200杭州邦威

4负荷传感器BK-4（50吨）只2650013000航空701所

KYCM-LP1A4210-

5磁致伸缩位移传感器只242008400深圳康宇

GC210M1C

6油源MPS-3/1.5台21500030000杭州邦威

伺服阀D633-317B只22200044000德国MOOG

7

8全数字控制器POP-PI套23500070000杭州邦威

9控制及数据处理软件POPWARE-PI套11000010000杭州邦威

10电控箱套235007000杭州邦威

11附件套2850017000杭州邦威

12分配梁1000*200*300件232006400杭州邦威

小计397000

运输费8000

装配调试人工及差旅费15000

总价659800

4.建设周期

合同签订后3个月供货，装配调试培训时间：10天。

结构实验室建设方案2

1.如果明年的投资能落实，那末今年的主要任务应该是在实验室做好反力槽道和行车

2.反力槽道的建设费用

我们给厦门理工学院、南通大学、浙江海洋学院、浙江水利水电学院、上海大学、丽水

学院、盐城工学院、西华大学和重庆交通大学设计了结构实验室的建设方案，为他们提供了

反力槽道的设计图纸（我们没有建造设计的资质，所以不能出正式的图纸，但我们有同济大

学结构实验室和浙江大学建工学院结构实验室的反力槽道设计图纸，可以提供给你们，然后

你们自己学校的设计院根据这些图纸完成反力槽道的图纸设计）。按照杭州的施工费用，建

设5根间距1米、15米长的反力槽道的费用（包括材料与施工费用）是15万元，茂名应该

更便宜一点。我们可以把您的60万的资金留出20万用于反力槽道的建设。

3.关于行车

结构实验室内最好有行车，这样不仅设备的安装方便（因为结构试验的组合式加载框架

需要根据不同的实验调整框架的组合方式），而且由于结构试验的试样普通都比较大，人工

搬运几乎不可能，因此必须有行车。如果现在的实验室中没有行车，由于行车的建设普通应

该在土建时完成，如果土建时没有考虑，后加的可能性不大，这样，就可以建设门式行车或

者人工挪移的起吊龙门架，起吊力为6吨的门式行车的建设费用大约为10万元。

图1.门式行车照片

4.建好反力槽道和行车后，估计剩余30万摆布的资金，可以添置方案一中所描述的结构工

程教学试验系统，所需费用：24万元（包括运输与安装调试费）

5.明年的资金下来以后，可以按照下面附录的结构实验室总体建设方案，添置实验设备。

附录：结构实验室总体建设方案

总体思路

参照国内外著名大学结构实验室设备建设的思路，根据本校结构实验室的土建规划，制

定本方案。试验设备分为三个组成部份，第一部份以满足结构工程教学试验为主要目的，与

实验室土建完成的反力槽道配合使用，称为结构工程教学试验系统。第二部份配备一台500

吨多功能长柱试验机。第三部份配备一台20吨20Hz动态作动器、一台100吨拟静力加载作

动器、1台50吨拟静力加载作动器、1台50吨拟动力加载作动器构成多通道拟动力加载系

统。上述三部份构成完整的结构试验系统，共用一套油源和配电柜，功能区域划分清晰，使

用方便。

1.组成、配置、技术指标与报价

1.1结构力学教学试验加载系统

包括方案1的全部内容，既可以满足结构工程教学实验的要求，也有两台加载框架兼顾

简单的科研任务，总预算：60万元。

1.2500吨多功能长柱试验机

1.2.1多功能结构试验系统简介

长柱试验机是结构实验室的必备设备。顶级的长柱试验机是大型多功能结构试验系统，

该型试验机功能强大，不仅可以完成普通长柱试验机所能完成的所有试验，而且具有平面内

多通道跟动加载功能，同时具有非常高的主机刚度，可以完成几乎所有大型结构的平面或者

三维空间内的同步或者异步加载试验。是长柱试验机发展的最高水平。国内外著名大学如:

同济大学、香港理工大学、清华大学等均配备了1000吨的多功能试验机，图1为此种大

图1.香港理工大学1000吨多功能结构试验机

但是，该类型的试验系统结构复杂，造价高昂，每台的售价在人民币1000万摆布，因此，

如果预算不够，为了满足柱类结构试验的要求，就需要简化设备功能，配备功能相对简单的

长柱试验机，完成柱类试样的拉、压和梁的反复弯曲等试验。

1.2.2传统的长柱试验机的优缺点

经典的长柱试验机如图2所示：

•优点：

今结构简单，试验空间大。

今可完成长柱的压缩试验

今配上工作台后可完成梁、板的单向弯曲试验

・缺点：

今不能进行拉伸试验，无法测得钢结构

的滞回曲线.......................

今无法进行横向加载扩展图2，宁波大学500吨油缸下置式长柱压力试验机

今油缸下置，试验时活塞带动试样一起挪移，试样在试验的过程中不稳定，安全性不好。

试样的安装也不方便

今试件上需要贴应变片，而且应变片需要接入应变仪，下置油缸会带着试样和所有的连

线一起运动，极大地影响了试验数据测量的可靠性

1.2.3500吨多功能长柱试验机方案

试验空间

调整机构

•特点:

今工作台大小可根据用户要求单独设计。

今不仅可完成长柱的压缩试验，还可对结构件试样进行拉伸，从而测得结构受力的

滞回曲线

今试验过程中，试样除受力变形外，不会随作动器运动，试样上的应变片连线也不

会运动，保证了测试的可靠性。

今只需添加简单的附件，就可以完成增加轴力后的梁的反复弯曲试验。

1.2.4系统组成与主要技术指标

・系统组成

试验机由主机、液压系统、控制器和试验附件等部份组成。主机的组成如图60

液压系统原理图如图4。

图4.500吨多功能长柱试验机液压原理图

该液压系统的最大特点是采用了电液伺服负载适应控制技术，试验机的PC机控制器根据

测得的试验力的大小通过电液比例溢流阀控制液压系统的压力的大小，既保证伺服阀两端有

足够的压差，又能保证系统压力随试验力的变化而变化，极大地减小了液压系统的无功消耗，

符合现代科技节能环保的要求。

控制系统采用了我公司具有自主知识产权的独创性的POP-M控制器，该控制器由工控

PC、插装在PC机内的PA201测控卡加之相应的软件构成。惟独传感器输入、伺服阀控制信

号输出等外部接线，具有极高的可靠性和易维护性。控制器和PA201测控卡的外形如图5

和图6。

软件采用虚拟仪器技术，实现了全屏幕摹拟数码管显示和完善的人机交互技术，所有的

操作均可以通过鼠标完成。软件具有完善的试验数据的数据库管理功能，保证试验机测得的

所有试验数据都能以文本文件格式或者ACSESS数据库格式进行存储。此外，还可以根据需要,

将试验机测得的试验数据以摹拟量或者数字量的形式传输给数采系统，保证试验力数据与由

数

采系统取得的试样应变数据同步，该功能对精确分析结构的性能具有极其重要的意义。

图5.新型长柱试验机采用的POP-M控制器

POP-M控制器只需要配备一块PA201测控卡就可以完成试验机的控制，但采用POP-M

控制器的好处是，该控制器预留有5个扩展通道，需要的时候可以通过增加PA201测控卡的

数量并升级相应的软件系统，就可以将该试验机扩展为一个多通道加载系统，为长柱试验机

扩展横向加载通道提供了方便。

插装在工控机内的PA201

卡，每一个卡具有双通道

20万码全数字测量放大器,

8路光电隔离开关量输入

输出，两路12位DA输

出，一路光电编码器计数

输入和一路脉冲串控制

输出功能，是POP-M多

通道控制器的基本构件。

图6.POP-M控制器内插装的PA201卡

主要技术指标

1）最大压试验力：5000kN

2）试验力测量范围：2%-100%FS

3）试验力准确度：土1%

4）测力方式：油压传感器测力

5）最大拉试验力：1500kN

6）试验力测量范围：2%-100%FS

7）试验力准确度：土1%

8）作动器最大行程：250mm

9）位移测量方式：内置式磁致伸缩位移传感器测量。

10）位移测量分辨率：0.01mm

11）活塞最大挪移速度：大于50mm/min

12）加载控制方式：位移、试验力的任意步长梯级加载自动控制。

1.2.5配置清单与预算报价

名称规格或者型号单位单价数量总价（元）生产厂家

主机YAW-5000F台3200001320000杭州邦威

测力传感器高精度双油压传感器只250025000中航机电

磁致仰缩位移传感器300mm只12000112000MTS公司

300mm行程，带有电磁锁阀、

作动器组/卫加雨殂后1HB雨既如端祐套1268001126800杭州邦威

伺服阀D633-317B只21000121000MOOG

比例溢流阀DBE10-30/31.5只460014600上海铭晶

液压阀台套300013000杭州邦威

多通道全数字控制器POP-M（标配2个通道，

与软件可扩展为6个通道）套60000160000杭州邦威

电控箱套550015500杭州邦威

IPC-810,P42.8,19寸液

台

工控计算机晶显示器850018500研华

A4激光打印机HP台120011200HP

压盘、弯曲支滚、座、T

试验附具型连接螺栓等套42000142000杭州邦威

总报价609600

1.3电液伺服多通道拟动力加载系统

1.3.1系统组成与主要技术指标

电液伺服多通道拟动力加载系统由以下部份组成：加载框架、一台20吨20Hz动态作动

器、一台100吨拟静力加载作动器、1台50吨拟静力加载作动器、1台50吨拟动力加载作

动器、液压系统（同时包括给500吨多功能长柱试验机供油的油泵机电和相应的液压附件,

两者共用电控柜、冷却系统和油箱）、电控柜和计算机控制系统与软件5部份组成。可以根

据不同的实验需要，组成单作动器静态试验、多作动器静态试验、单作动器疲劳试验、多作

动器疲劳试验等多种试验单元，满足各种拟静力、拟动力加载试验的要求。

1）加载框架。

由于实验室设计了反力槽道，参照同济大学、浙江大学、上海交通大学等高校MTS拟动

&式验系统的加载框架设计思想设计了本方案，结构示意图如图7。

一起的底座板

图7.多通道拟动力加载系统示意图

主机框架部份的主要技术指标如下：

•主机框架尺寸：（长*宽*高）4000mm*2500mm*6000mm

•最大试验空间：4000mm*1500mm*4000mm

•垂向最大承载试验力：1000kN

•水平最大可承载试验力：200kN

2）电液伺服作动器

参照其它高校结构实验室的作动器配置，本方案配备了最大试验力为200kN、最高工作

频率为20Hz、双出杆双作用、电液伺服动态作动器1台；最大试验力为1000kN、单出杆双

作用、电液伺服拟静力作动器1台；最大试验力为500kN、单出杆双作用、电液伺服拟动力

作动器1台；最大试验力为200kN、单出杆双作用、电液伺服拟静力作动器1台，可以满足

绝大多数试样的结构拟静力、拟动力试验的要求。动态作动器的外形与见图8、图9、图10。

图9.500kN拟动力加载作动器

图10.500kN拟静力加载作动器

作动器的主要技术指标如下:

•最大试验力：1000kN—台，500kN两台，200kN一台

•试验力测量范围与精度：2%-1OO%FS,示值的土1%

•动态作动器的工作频率：20Hz

•拟动力加载作动器的工作频率：10Hz

•拟静力加载作动器的工作频率：W5Hz

•作动器行程：动态作动器：150mm,拟静力/拟动力加载作动器：300mm

•作动器位移分辨率：0.01mm

3）液压系统

液压系统中，拟动力加载的部份采用流量为100L/min的恒压变量泵，500吨长柱试验机

采用流量为20L/min的负载适应液压系统，两者共用机电启动柜、油箱、冷却系统、循环过

滤系统、管路系统，但有各自独立的控制阀组、阀台和控制器。液压系统外观图如图11

图1L液压系统外观图

液压系统的主要技术指标如下：

•流量100L/min、压力21MPa,流量10L/min、压力28MPa的两路独立油路。

•控制系统通过电液比例压力阀控制系统压力处于负载适应状态以减少能耗和噪

音。

・机电总功率：55kW

•采用恒压变量柱塞泵，保证系统处于高压保压状态时的能耗最小。

•二级过滤（油泵吸油口，过滤精度100口；油源出口，过滤精度10口）装置，保

证伺服阀在高清洁度的环境下工作；

・机电安装配置减振装置（选用减振垫），以减小振动和噪音；

•全封闭标准伺服油箱；

•具有温度测量、空气过滤、油位显示功能；

•独立的循环冷却回路，配备水循环冷却塔。

•油箱至主机系统的管路以及主机上固定部份的管路采用无缝钢管连接，主机挪移

横梁、主油缸采用高压软管连接。

•具有温度过限、滤油器阻塞、液位过低等自动停机或者报警功能；

4）电控柜（包括液压系统的启动柜和试验操作控制台两部份）：

a、液压系统启动柜用于实现对液压系统的电气控制；配置于油源放置区，用于控制油

泵机电、循环冷却系统的启、停，减少系统启动对电网电压的冲击。参见图11。

b、操作控制台采用台式结构，布置于试验操作区，内置远程低压启动控制装置，专门

设计的操作面板使各类试验操作一目了然。

操作台外观如图12

5）工控PC多通道拟动力控制器与软件

系统包括一台研华P4工控计算机、插装在计算机内的4块PA202高速测控卡、一套用于

作动器力、位移的摹拟量输出的输出卡、和一套POPWARE-F多通道拟动力加载试验软件。

100kN疲劳

作动器

计算机控制200kN疲劳

系统作动器

图13.计算机控制系统（东北大学）

本方案采用为POP-M型控制器配套的POPWARE-M型多功能试验机控制软件。还可以提供

根据用户需要特殊编制的特殊试验软件包，扩大系统的应用范围。

典型的单通道静态试验软件界面如下图。

▲▼Ut魅为U

00000U-U,，一单通道试验界面，可以

任意设定伺服作动器

的控制目标，作为普通

试验机使用打开试验曲线窗口

在试验的同时观察

J不同参量之间的变

里化关系。

图14.单通道加载试验界面

典型的多通道加载控制软件界面如下图：

本软件包的作用是控制最多8个的作动器实现异步或者同步协调加载试验，用户可以根

据实验要求随时改变任何一个作动器的位置、加载方式和保载时间，实现异步加载。

也可以同时控制多个作动器同步加载，在试验的同时，观察试样的变化情况，确定下

一步的加载策略，对建造结构试验具有重要的意义。

图15.多通道加载试验界面

（香港理工大学多功能结构试验系统操作界面实拍）

1.3.2配置与报价

序号名称规格或者型号单价（元单位数量总价（元）原产地

单片加载框架跨距2000mm,立柱高

度6000mm,垂向承载100kN,最大

加载高度4000mm（可手动调整）,

垂向加载框

1立柱通过锚栓固定在反力槽道上。组320000套1320000杭州邦威

架组件

合承载梁可将两片垂向加载框架连

接。外形尺寸：500*700*4500mm,

带有弯曲支座及分配梁

框架高4500inm,最高横向加载位置

水平加载框

24000mm,最大横向承载力200kN,包138000套1138000杭州邦威

架组件

含水平作用力平衡装置。

包含两个独立的油路，拟动力加载系

统回路：输出流量100Umin,21MPa,

机电功率50kW；500吨长柱试验机台

3液压系统3280001328000杭州邦威

回路：输