基于 BIM 的自平衡加载架设计

韩 石，张翼飞，吕宇宣，陈 恒，杨旻予，曾 俊

（1.新疆生产建设兵团兴新职业技术学院 建筑与水利工程学院，新疆维吾尔自治区 铁门关 841007；2.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北省 石家庄 050043）

0 引言

随着结构跨度及高度的增大，以及结构及结点形式越来越复杂，各种大型的通用试验机系统应运而生［1］。这些加载系统加载能力强、行程大，且测量数据稳定可靠，具有优越的通用性及加载性能。但加载系统购买费用高，一个试验室很多时候仅有有限几台大型加载系统，当科研项目较多时，同一时间段内可能很多项目在等待试验时就难以同时满足要求。同时，加载系统一旦出现问题，常需要厂家进行维修，耽误较长的时间，且维修成本较大，导致很多大型的加载设备长期搁置，试验无法按时完成。对于一些时间紧迫，加载方式较为简单的项目，在项目资金充裕的前提下，就可以设计制作加载架，配合千斤顶，很快完成试验。

加载架是完成工程结构或构件试验的主要装置。为满足不同结构构件形式、大小及加载条件的需求，出现了各种不同形式的加载架，包括丝杠与横梁组合的反力架、二维自平衡加载架、二维四连杆机构、大型结构多功能空间加载装置及多功能电液伺服加载试验系统等［2，3］。其中，二维自平衡加载架由主梁、立柱和四面封闭的框组成，可将构件置于框内完成加载，实现自身的平衡加载。此类加载架因加载方便、移动灵活而得到广泛应用。

BIM（Building Information Modeling）中文名称为建筑信息模型，是以三维设计概念为基础的，把工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础信息，进行建筑模型的相关建立［4-9］。Revit 因具有可视化的能力而成为了实现 BIM 理念的常用工具之一［10］。

本文以 300 t 自平衡加载架为例，采用有限元软件完成加载架主体结构设计，采用 Revit 软件建立三维实体模型，统计各方案的用钢量。给出了满足 100～300 t 不同吨位要求的加载架设计备选方案，实际加工出了 200 t 的加载架，并采用该加载架完成了构件试验，试验结果表明所设计的加载架可满足要求。本文研究成果为此类自平衡加载架的设计提供参考。

1 设计要求

经过理论分析可知，加载架在加载过程中主要是横梁跨中挠度较大，通过调研实验室加载架并参照相关文献，将主梁按竖向荷载作用在简支梁进行计算，使其满足强度和刚度要求，最大挠度控制为 L/2 000，柱构件按照拉弯构件进行计算。结构整体强度验算时，不考虑横梁与纵梁连接板上的高强螺栓，按照钢结点考虑。

2 计算过程

以跨度 2 500 mm 的 300 t 自平衡加载架为例，采用有限元软件完成各部分设计［11，12］。钢架中钢材均选用 Q345 结构钢，钢材的屈服强度为 345 MPa，泊松比取 0.3。钢材本构采用理想弹塑性模型。

2.1 横梁计算

为方便与柱子连接，横梁一般采用箱型构件［见图 1（a）］，为增加构件刚度，还可设置水平纵向加劲肋［见图 1（b）］、沿构件跨度放置横向加劲肋［见图 1（c）］。将截面高度取为 640 mm、钢板厚度为 50 mm，采用如图 2 所示的横梁截面形式，将横梁看作跨中作用集中力的简支梁，建立有限元模型，所得结果如图 3 所示。

图1 横梁截面形式及加劲肋

图2 横梁示意图（单位：mm）

图3 简支横梁计算结果

从图 3（a）可以看出，横梁最大挠度为 1.42 mm，小于横梁挠度限值 1.59 mm，基本满足要求。由应力云图［见图 3（b）和（c）］可看出，其x方向应力为 96.881 MPa，等效应力为 86.085 MPa，均不超过屈服强度的三分之一，可见图 2 所示横梁形式可以满足 300 t 加载要求。

实际上，截面高度、翼缘及腹板厚度、纵横向加劲肋的设置都会影响到横梁强度及刚度［13］。如图 4 所示为将横梁截面高度分别设计为 600、800、1 000 mm，腹板和翼缘厚度设计为 40、60、80 mm，同时设置水平及横向加劲肋时，通过有限元分析所得横梁跨中挠度值。从图 4 可以看出，随着截面高度及钢板厚度的增加，横梁的刚度逐渐增大，挠度降低。显然，当采用某一个截面高度不能满足要求时，可以通过增加钢板厚度满足要求。实际上有无数个截面高度与钢板厚度的组合可以满足要求，同时横梁加劲肋数量、厚度及分布均对构件刚度有影响。本研究从实用的角度给出满足不同加载等级的要求横梁截面设计方案，同时采用 Revit 软件计算不同方案的用钢量，所得结果如表 1 所示。

表1 针对不同吨位的备选横梁截面方案

图4 不同设计参数对承载能力影响

从图 4 可以看出：相比而言，横向加劲肋的数量的增减和厚度的变化对梁的承载能力影响较小，但钢板厚度和截面高度的变化对于梁的承载能力影响较大。

由表 1 可以看出，钢板的厚度和横向加劲肋的变化对用钢量的影响较小，但截面高度的增减对于用钢量的影响非常大。所以在考虑钢架的较佳经济方式时，应着重考虑截面高度的取值。

2.2 TOPSIS 分析

本文对多种设计方案进行评价，以钢架的性能、工艺复杂程度、所占空间为评价指标，通过 TOPSIS 法作出评价。其中钢架性能以单位体积承载力表示，单位体积承载力越大越好，工艺复杂程度以横向加劲肋数量表示，横向加劲肋数量越小越好，所占空间由截面高度表示，截面高度越小越好。各评价指标所占权重如表 2 所示。

表2 权重表

经过计算，可以设计出如图 5 所示的结构。

图5 剖视图（单位：mm）

横向加筋肋的位置对于加载架的挠度影响很小，但是对于局部应力的减小有着显著的作用，故需要对中间横向加筋肋位置进行分析。采用如图 6 所示的三种横隔板分布形式，得到挠度以及应力分布如图 7 及图 8 所示，根据应力分布结果可知，将横隔板分布等间距分布时，应力集中最小，为最优方案。

考虑到某些工况下，柱子上会承受集中荷载，如节点加载，故对柱构件进行计算，确定满足挠度要求时的最大侧向荷载值，同时考虑到构件长度太大，设置加劲肋。300 t 加载架采用的柱构件截面如图 9 所示。

柱构件的有限元［9，10］计算结果如图 10 所示，水平方向 1/2 柱高位置在水平方向最大加载至 210 N 时，柱构件的挠度达到挠度限值 4 800/2 000=2.4 mm，此时应力值为 77.98 MPa，柱处于弹性状态。

图6 横隔板尺寸分布图（单位：mm）

图7 挠度分布

图8 应力分布

图9 柱示意图（单位：mm）

图10 柱计算结果

2.3 整体结构计算

确定横梁及柱的截面后，进行整体结构计算，建立模型在下横梁设置千斤顶的位置给结构施加约束，固定各方向的转动及平动自由度。

整体结构的有限元计算结果如图 11 所示，横梁最大位移出现在跨中，为 3.19 mm，实际结构为自平衡装置，上横梁位移为 3.19/2=1.59 mm，符合挠度限值1.59 mm，满足要求。柱中最大挠度为 2 mm 左右，同样出现在跨中，柱挠度限值 2.4 mm。

图11 整体结构计算结果

加载梁在x方向应力为 100 MPa 左右，柱在z方向最大应力为 70 MPa 左右，最大等效应力为 80 MPa 左右。结构各部位均处于较低水平，未超过屈服强度的三分之一。

综上，数值计算验证结构安全性满足要求。同时，由于为受拉构件，整体稳定性不必计算，自然满足。

3 设计实例

根据项目需求，设计完成如图 12 所示 200 t 加载架，并按照设计图加工实际加载架如图 13 所示。将加载架用于试件加载，结果显示加载架的强度、刚度均可满足试验精度要求。

4 结语

图12 钢架 Revit 模型

本文采用有限元软件完成了二维自平衡加载架设计，通过一系列计算给出了满足 50～300 t 不同吨位要求的加载架横梁备选方案。加工制造了 200 t 加载架，并采用所设计的加载架完成了构件试验，试验结果表明所设计的加载架刚度、强度及稳定性均可满足要求。Q