建筑结构试验台座的有限元分析

2013-03-21李如春

华北理工大学学报(自然科学版) 2013年2期

丁峰，马琳，李如春

(1.河北联合大学校园规划建设处，河北唐山063009;2.唐山市规划设计研究院，河北唐山063009)

1 概述

建筑结构的应用从最初的简单的木结构、砌体结构，发展到现在的钢筋混凝土结构、钢结构，经历了一个多世纪的变迁，建筑结构的形式也从简单的框架结构发展到框架－剪力墙结构、框架－筒体结构和筒体结构等。在这些结构投入到现实的生产中之前，需要在试验室进行缩放比例的模拟试验，这时建筑结构试验台座的应用就显得尤为重要了。试验的加载设备固定在台座上，能够在结构试验中提供足够的荷载，来完成对结构试验提供满足要求的外荷载。由于提供的荷载值很大，所以需要试验台座有很好的稳定性。在保证试验台座能够提供足够的荷载就要求设计合理的满足要求的试验台座。而试验台座的受力分析，在现今的分析结构受力的软件中，ADINA有限元分析软件，能够精确的分析计算出试验台座的整体受力性能。

2 建筑结构试验台座概况

2.1 试验对象

在结构试验中，试验的对象是实际结构或根据实际结构复制的结构或构件。由于一般的实际结构在试验中的难度很大，所以都是把试验的结构按照比例缩小后在试验室进行试验。试验的模型是根据真实的结构按照一定的比例关系复制的试验代表结构，其特点是具有实际结构的全部或部分特性，是尺寸比实际结构小很多的代表结构。在模型上施加外力的大小也是根据原结构的受力而得到的比例荷载，使模型的受力与原结构的受力相同，最后得到模拟试验结果，按照相似理论推导出实际结构的工作。因此在选择对模型的模拟条件时有非常严格的要求，即要求做到几何尺寸相似、荷载相似和材料相似。由于严格的相似条件给模型设计和试验带来一定困难，在结构试验中还有另一类型的模型，它仅是真型结构缩小几何比例尺寸的试验代表物，将该模型的试验结果与理论计算对比分析，用以研究结构的性能，验证设计假定。

2.2 试验方法

在结构试验的过程中，通常是应用静力试验对结构进行荷载试验，主要原因是大部分的建筑结构在使用中承受的都是静力荷载。静力试验的加载过程一般情况下都是从零开始慢慢加载，直到结构破坏。在整个加载的过程中一般都是在很短的时间完成的，通常称其工作原理为静力单调加载试验。静力试验最大的优点是加载设备比较简单，可以逐步实施加载。在加载的过程中可以停下来观察结构变形的发展，能够很好的看到起破坏形态。

2.3 试验装置

试验装置主要包括了试验台、反力架、支座和加载设备。试验台是永久性的固定设备，主要平衡施加在试验结构物上的荷载所产生的反力，与此同时固定横向支架，满足构件的侧向稳定，通过水平反力架对试件施加水平荷载。反力架的主要作用是平衡施加在试件上荷载所产生的反力，其材料一般是由型钢组成，试验中的支座是支持结构，传递作用力和模拟实际荷载图式的设备，其组成形式主要有支座和支墩等。加载设备通过试验台、反力架和支座连接而成，加载设备要求能够提供满足试验荷载的能力。

2.4 试验台的构造形式

在我国目前通常采用的试验台座有槽式、地脚螺丝式、箱式和抗侧力四种不同结构构造形式，主要特征为:

1)槽式实验台座

槽式实验台座是一种比较典型的静力试验台座，他也是目前国内用得较多的试验台座。其构造特点是沿台座纵向全长布置几条槽轨，槽轨是用型钢制成的纵向框架式结构，埋置在台座的混凝土内。如下图1所示。

图1 槽式试验台座横向剖面图

2)箱式试验台座(孔式试验台座)

图2为箱式试验台座剖面示意图。箱式试验台座的规模较大，由于台座本身构成箱形结构，所以它比其他形式的台座具有更大的刚度。在箱形结构的顶板上沿纵横两个方向按一定间距留有竖向贯穿的孔洞，便于沿孔洞连线的任意位置加载，即先将槽轨固定在相邻的两孔洞之间，然后将立柱或拉杆按需要加载的位置固定在槽轨中。

图2 箱式结构试验台座剖面图

2.5 试验台选择

建筑结构试验台的选择应从经济角度、施工方法以及在日后的试验中能够满足试验要求等方面综合考虑。在本结构台座中采用的是箱型试验台座。将反力墙设置在试验台座的端部和侧面两个方向，这样可以对试件两个方向同时进行加载，来模拟两个方向的地震荷载。在箱形结构的顶板上沿纵横两个方向按一定间距留有竖向贯穿的孔洞，为提高墙体抵抗弯矩和基底剪力的能力，反力墙墙体与台座连成整体，反力墙为钢筋混凝土箱形墙，台座本身也构成箱形结构，这样刚度更大。