变空间Π型剪切试验装置研制与应用

柴振岭， 郭子雄， 黄群贤

(华侨大学 土木工程学院，福建 泉州 362021)



·仪器设备研制与开发·

变空间Π型剪切试验装置研制与应用

柴振岭， 郭子雄， 黄群贤

(华侨大学 土木工程学院，福建 泉州 362021)

以砌体墙片抗震性能试验研究为背景,针对抗震试验中剪切试验装置存在的问题，研制了一种适用于教学与科研试验的变空间Π型剪切试验装置。试验装置主要由转换梁、平剪梁、可调水平传力支架和可变平衡配重组成，具有试验空间可调、配重大小与位置可调、水平加载中心位置可调等突出设计特点，可满足长度达3.0 m，水平载能力达500 kN墙体类构件的平剪加载试验要求。应用实践表明，该装置安装拆卸方便，性能稳定，通过调整水平加载中心高度可一定程度降低或消除附加弯矩对试验结果的影响。

抗震试验； 变空间； Π型； 试验装置； 实验教学

0 引 言

抗震试验是开展土木工程结构抗震性能研究的重要手段[1]，也是土木工程本科专业“结构抗震实验”教学课程中的核心内容[2]。试验方法是通过采用专业加载设备和专业剪切试验装置对结构或构件施加多次往复循环作用，用以模拟地震时结构在往复振动中的受力特点和变形特点，并进一步从强度、变形和能量等多方面判断和鉴定结构的抗震性能[3-4]。

目前用于抗震试验的剪切试验装置主要有悬臂式剪切试验装置和日本建研式剪切试验装置[5]。悬臂式剪切试验装置突出优点是安装拆卸方便；主要缺点是不能考虑附加弯矩作用对构件的影响，主要适用于构件高宽比较小构件，适用范围小，且装置可重复使用性差。日本建研式剪切试验装置的优点是考虑了弯矩作用的影响，能实现对构件平动加载；缺点是投资巨大、试件安装、拆卸不便、不易分解且占用场地、对试件尺寸及加工精度有严格限制等，目前国内用户非常少。

综上所述，目前用于抗震试验的剪切试验装置存在诸多问题，因此研制结构简单、适用范围广、使用方便且可降低或消除附加弯矩作用的新型剪切试验装置具有重要实际意义[6-12]。鉴于此，本文以砌体类墙式构件抗震性能试验研究采用平剪加载方法为背景，研制了一种适于平剪加载的新型剪切试验装置——变空间Π型剪切试验装置，并介绍了装置的研制思路与研制过程。

1 装置设计

1.1 设计原则

(1) 边界条件一致性。试验中应满足试件与原型结构在边界条件上一致，否则试验研究结果未必能揭示事物的客观规律，研制装置使用价值也大大降低。

(2) 刚度设计。按照边界条件一致性原则，试验中试验装置应满足不变形或小变形条件，按照强度设计变形条件通常不能满足使用要求，而按照刚度设计，变形与强度指标一般都可满足要求。本装置变形设计参照吊车梁刚度设计[13]。

(3) 高安全储备原则。本装置属于重复使用的特殊反力装置，试验过程中应避免处于高应力状态。否则，试验装置一旦出现强度安全问题，对实验室将造成难以弥补的不良影响和损伤。因此，根据本人多套试验装置设计经验，用于土木工程结构试验的试验装置任何部件强度安全系数不宜小于1.5，关键部件的安全系数不宜小于2.5。

1.2 设计方案

根据国内外大量震害调查结果，砌体房屋在地震反复荷载作用下，墙体一般发生交叉斜裂缝破坏[14-15]。为模拟这种破坏模式，单从受力边界条件上，日本建研式剪切试验装置较为合理，但因诸多其他不利因素，该装置在世界范围内一直未被广泛采用，而悬臂式剪切试验装置，对试件高宽比又要求比较严格。如何减小悬臂加载方式产生的附加弯矩，同时又不可必须满足类似日本建研式剪切试验装置对试件尺寸、安装等严格要求，是本装置研制的关键。

(1) 减小附加弯矩。为减小附加弯矩作用，应该设法使水平加载中心通过试件形心，于是试验装置至少应该设计成L型。通常试验装置重心应尽可能与试件形心在同一竖向平面内，如果采用L型试验装置，则试件长度尺寸将受到明显限制，装置适用范围大大减小。将装置设计成Π型则可同时解决上述问题。

(2) 减少试验装置 “约束”。日本建研式剪切试验装置之所以存在诸多应用方面问题，一个主要因素就是“约束”过多。因此，通过对日本建研式剪切装置中非关键性链杆的受力情况分析及用户调研情况，Π型剪切试验装置应尽量减少非关键性“约束”。

(3) 多用途和方便使用。将Π型剪切试验装置一端设计为固定加载端，另一端则设计为多功能“活动”端，即本文提出的变空间Π型剪切试验装置(见图1)。变空间Π型剪切试验装置在功能设计、实际应用等方面具有独特优点，也是该装置设计精髓所在。

平剪梁截面尺寸图转换梁截面尺寸图

图1 变空间Π型剪切试验装置设计图

1.3 部件设计

试验装置一般选用钢材制作，装置对材料的要求主要包括强度、硬度、韧性以及可焊性等指标。综合考虑各方面利弊因素，本装置钢材选用Q345钢材。该装置主要由四部分组成：转换梁、平剪梁、可调水平传力支架以及可变平衡配重。

1.3.1 转换梁设计

转换梁是传递水平荷载的关键部件，主要包括如下设计内容：

(1) 转换梁截面设计。转换梁直接传递水平荷载，容易发生扭转，因此应选用箱型截面，以满足抗扭转受力要求。梁截面尺寸以及加劲肋主要依据转换梁的截面弯曲刚度、平剪梁截面宽度、连接螺杆长度等综合因素确定，转换梁截面设计如图1所示。

图2 转换梁

(2) 转换梁连接孔设计。试验中为减小弯矩影响，通常需调节加载中心与试件高度中心在同一水平高度。为使装置适用范围更广，转换梁上应设置椭圆形连接孔，以最大限度满足水平加载中心高度调节，本装置转换梁椭圆孔布置如图2所示。

(3) 转换梁高度设计。转换梁的设计高度主要考虑：试件高度范围、平剪梁截面高度以及加载用竖向加载设备高度。根据如上三方面考虑，本装置转换梁总高度设计为1 900 mm(见图2)，其中加载中心静高为1 250 mm，因此可满足高度不超过2 500 mm各类结构构件采用完全消除弯曲作用的平剪试验要求。

(4) 转换梁刚度验算。本装置设计最大水平荷载为500 kN。经分析计算加载端在不利情况下相对位移小于1.25 mm，满足常规使用要求。

1.3.2 平剪梁设计

(1) 平剪梁截面设计。平剪梁主要作用是传递压力与水平剪力，一般设计成工字型截面。梁截面尺寸及加劲肋主要依据转换梁的截面弯曲刚度、转换梁截面宽度、连接孔间距等综合因素确定，平剪梁截面设计如图1所示。

(2) 平剪梁长度。平剪梁的长度主要与试件最大长度、可调水平传力支架尺寸以及拐角加劲肋尺寸等有关。一般结构构件单元不超过3 000 mm，因此本平剪梁以此尺寸为标准，设计总长为4 350 mm(见图3)。

图3 平剪梁辅助孔布置图

(3) 平剪梁辅助孔设计。平剪梁辅助孔主要有吊装孔、可调水平传力支架连接孔、可变平衡配重连接孔以及重心孔。两吊装孔的设置应满足其形心与整套装置的重心重合。支架连接孔孔径应根据支架最大剪力计算所需螺杆直径来设计，本平剪梁连接孔径设计为30 mm。配重连接孔主要是为了考虑吊装平衡配重，因为构件形式不同，配重大小及位置往往也不同，本平剪梁配重连接孔设计间距为200 mm。重心孔主要是用来标记重心位置。该装置辅助孔设计如图3所示。

1.3.3 可调水平传力支架设计

水平传力支架是将平剪梁的大部分剪力直接传递给试件的关键部件。设计主要依据分析支架所受剪力大小来确定剪切螺栓和微调螺栓型号、直径以及数量，本装置支架中螺栓均采用10.9级M27高强螺栓。

1.3.4 可变平衡配重设计

可变平衡配重最主要作用是利用杠杠原理通过调节配重大小及配重位置确保整套装置的重心与试件的形心重合，从而实现Π型剪切试验装置试验空间的“可变性”，以至于满足不同尺寸试件试验需要。平衡配重大小主要依据转换梁重量、装置重心位置、配重孔位置以及试件重心位置设计。另外，可变平衡配重根据需要亦可直接利用实验室已有重物。

2 应用实践

任何设备或配套加载装置，只有在实际应用过程中，其使用价值方可得以体现，也只有经过实践验证，方可推广应用[16-18]。

该装置无论从设计方案、边界条件、整体刚度、安装与拆卸方便程度、适用范围等方面都得到了华侨大学土木工程学院领导、专业技术教师以及国内同行专家的高度评价，部分高校也正准备加工制作本套装置用于教学与科研，其示范作用日趋明显。自2010年投入使用以来，3项国家自然科学基金项目、近10项省部级科研项目以及多项地市级项目的试验研究工作利用该装置完成，多数硕士研究生毕业论文中试验利用该装置完成。该装置的成功研制与实践应用，为多项科研项目的顺利开展、结题提供了有力支持，同时也为我院申请科研项目在试验条件方面提供了有力保障。

除土木工程本科专业开设“结构抗震实验”课程外，随着研究生招生规模的扩大，多数高校已开设或正准备开设面向研究生的“高等结构试验”课程。例如，我院于2012年开设“高等结构试验”课程，结合我院在电液伺服加载技术在实验教学方面的应用[19]，预计于明年通过利用该试验装置增开了新试验项目。

由此可见，无论从本科生和研究生培养方面，还是从科学研究方面，该装置的研制与应用，其各方面效益显著。

3 结 语

变空间Π型剪切试验装置是在多年试验、课堂教学和科研工作经验基础上研制而成，该装置设计新颖、功能独特，且高度优化，具有结构简单、安装拆卸方便、性能稳定、造价低廉等诸多优点。

3年来的应用实践表明：该装置安装拆卸方便，性能稳定，通过调整水平加载中心高度可达到最大程度降低附加弯矩对试验结果影响的设计目的。

试验装置研制是一个创造和发现的过程[20]。该装置的成功研制，在科研及实验教学中起到了一定的示范作用，节约了实验经费、锻炼了教师队伍，而且为我院今后进一步研制更复杂试验装置以及为其他院校研制相关试验装置提供了设计参考。

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Development and Application of Variable Space Π-type Experimental Device for Shearing

CHAIZhen-ling,GUOZi-xiong,HUANGQun-xian

(College of Civil Engineering, Huaqiao University, Quanzhou 362021, China)

Based on the existing problems of experimental device for shearing in the course of the seismic experiments, a new Π-type variable space experimental device for shearing which is applicable to experimental teaching and research is developed. The device is mainly composed of transfer beam, parallel shearing beam, adjustable force transmission bracket and a variable balance weight. It has several advantages such as variable space, variable balance weight and position, adjustable horizontal loading center etc. The length of the applicable specimen for the device is 3.0 m and the maximum carrying capacity of it is 500 kN. The practical application shows that the device is convenient for assembly and disassembly, is stable to perform and easy to minimize the effect of additional bending moment on the test results by adjusting the horizontal loading center. The device plays an exemplary role in scientific research and experiment teaching, the design method of it can provide reference for other colleges and universities to develop similar devices.

seismic experiment； variable space； Π-type； experimental device； experimental teaching

2014-08-24

国家自然科学基金项目(51178197)；华侨大学实验教改项目(66661213Z)；华侨大学科研基金资助项目(11HZR09)

柴振岭(1977-)，男，河北邯郸人，实验师，主要从事工程结构抗震和实验技术研究等。

Tel.：13959906055；E-mail: dlzlc@hqu.edu.cn

TU 317.1

A

1006-7167(2015)08-0050-03