丁 峰，馬 琳，李如春

(1.河北聯(lián)合大學(xué)校園規(guī)劃建設(shè)處，河北唐山063009;2.唐山市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，河北唐山063009)

1 概述

建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用從最初的簡(jiǎn)單的木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)，發(fā)展到現(xiàn)在的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的變遷，建筑結(jié)構(gòu)的形式也從簡(jiǎn)單的框架結(jié)構(gòu)發(fā)展到框架－剪力墻結(jié)構(gòu)、框架－筒體結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)等。在這些結(jié)構(gòu)投入到現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)中之前，需要在試驗(yàn)室進(jìn)行縮放比例的模擬試驗(yàn)，這時(shí)建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)座的應(yīng)用就顯得尤為重要了。試驗(yàn)的加載設(shè)備固定在臺(tái)座上，能夠在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中提供足夠的荷載，來(lái)完成對(duì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)提供滿足要求的外荷載。由于提供的荷載值很大，所以需要試驗(yàn)臺(tái)座有很好的穩(wěn)定性。在保證試驗(yàn)臺(tái)座能夠提供足夠的荷載就要求設(shè)計(jì)合理的滿足要求的試驗(yàn)臺(tái)座。而試驗(yàn)臺(tái)座的受力分析，在現(xiàn)今的分析結(jié)構(gòu)受力的軟件中，ADINA有限元分析軟件，能夠精確的分析計(jì)算出試驗(yàn)臺(tái)座的整體受力性能。

2 建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)座概況

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中，試驗(yàn)的對(duì)象是實(shí)際結(jié)構(gòu)或根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)制的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。由于一般的實(shí)際結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)中的難度很大，所以都是把試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)按照比例縮小后在試驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)的模型是根據(jù)真實(shí)的結(jié)構(gòu)按照一定的比例關(guān)系復(fù)制的試驗(yàn)代表結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是具有實(shí)際結(jié)構(gòu)的全部或部分特性，是尺寸比實(shí)際結(jié)構(gòu)小很多的代表結(jié)構(gòu)。在模型上施加外力的大小也是根據(jù)原結(jié)構(gòu)的受力而得到的比例荷載，使模型的受力與原結(jié)構(gòu)的受力相同，最后得到模擬試驗(yàn)結(jié)果，按照相似理論推導(dǎo)出實(shí)際結(jié)構(gòu)的工作。因此在選擇對(duì)模型的模擬條件時(shí)有非常嚴(yán)格的要求，即要求做到幾何尺寸相似、荷載相似和材料相似。由于嚴(yán)格的相似條件給模型設(shè)計(jì)和試驗(yàn)帶來(lái)一定困難，在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中還有另一類型的模型，它僅是真型結(jié)構(gòu)縮小幾何比例尺寸的試驗(yàn)代表物，將該模型的試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算對(duì)比分析，用以研究結(jié)構(gòu)的性能，驗(yàn)證設(shè)計(jì)假定。

2.2 試驗(yàn)方法

在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的過(guò)程中，通常是應(yīng)用靜力試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載試驗(yàn)，主要原因是大部分的建筑結(jié)構(gòu)在使用中承受的都是靜力荷載。靜力試驗(yàn)的加載過(guò)程一般情況下都是從零開(kāi)始慢慢加載，直到結(jié)構(gòu)破壞。在整個(gè)加載的過(guò)程中一般都是在很短的時(shí)間完成的，通常稱其工作原理為靜力單調(diào)加載試驗(yàn)。靜力試驗(yàn)最大的優(yōu)點(diǎn)是加載設(shè)備比較簡(jiǎn)單，可以逐步實(shí)施加載。在加載的過(guò)程中可以停下來(lái)觀察結(jié)構(gòu)變形的發(fā)展，能夠很好的看到起破壞形態(tài)。

2.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要包括了試驗(yàn)臺(tái)、反力架、支座和加載設(shè)備。試驗(yàn)臺(tái)是永久性的固定設(shè)備，主要平衡施加在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)物上的荷載所產(chǎn)生的反力，與此同時(shí)固定橫向支架，滿足構(gòu)件的側(cè)向穩(wěn)定，通過(guò)水平反力架對(duì)試件施加水平荷載。反力架的主要作用是平衡施加在試件上荷載所產(chǎn)生的反力，其材料一般是由型鋼組成，試驗(yàn)中的支座是支持結(jié)構(gòu)，傳遞作用力和模擬實(shí)際荷載圖式的設(shè)備，其組成形式主要有支座和支墩等。加載設(shè)備通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)、反力架和支座連接而成，加載設(shè)備要求能夠提供滿足試驗(yàn)荷載的能力。

2.4 試驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)造形式

在我國(guó)目前通常采用的試驗(yàn)臺(tái)座有槽式、地腳螺絲式、箱式和抗側(cè)力四種不同結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式，主要特征為:

1)槽式實(shí)驗(yàn)臺(tái)座

槽式實(shí)驗(yàn)臺(tái)座是一種比較典型的靜力試驗(yàn)臺(tái)座，他也是目前國(guó)內(nèi)用得較多的試驗(yàn)臺(tái)座。其構(gòu)造特點(diǎn)是沿臺(tái)座縱向全長(zhǎng)布置幾條槽軌，槽軌是用型鋼制成的縱向框架式結(jié)構(gòu)，埋置在臺(tái)座的混凝土內(nèi)。如下圖1所示。

圖1 槽式試驗(yàn)臺(tái)座橫向剖面圖

2)箱式試驗(yàn)臺(tái)座(孔式試驗(yàn)臺(tái)座)

圖2為箱式試驗(yàn)臺(tái)座剖面示意圖。箱式試驗(yàn)臺(tái)座的規(guī)模較大，由于臺(tái)座本身構(gòu)成箱形結(jié)構(gòu)，所以它比其他形式的臺(tái)座具有更大的剛度。在箱形結(jié)構(gòu)的頂板上沿縱橫兩個(gè)方向按一定間距留有豎向貫穿的孔洞，便于沿孔洞連線的任意位置加載，即先將槽軌固定在相鄰的兩孔洞之間，然后將立柱或拉桿按需要加載的位置固定在槽軌中。

圖2 箱式結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)座剖面圖

2.5 試驗(yàn)臺(tái)選擇

建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)的選擇應(yīng)從經(jīng)濟(jì)角度、施工方法以及在日后的試驗(yàn)中能夠滿足試驗(yàn)要求等方面綜合考慮。在本結(jié)構(gòu)臺(tái)座中采用的是箱型試驗(yàn)臺(tái)座。將反力墻設(shè)置在試驗(yàn)臺(tái)座的端部和側(cè)面兩個(gè)方向，這樣可以對(duì)試件兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行加載，來(lái)模擬兩個(gè)方向的地震荷載。在箱形結(jié)構(gòu)的頂板上沿縱橫兩個(gè)方向按一定間距留有豎向貫穿的孔洞，為提高墻體抵抗彎矩和基底剪力的能力，反力墻墻體與臺(tái)座連成整體，反力墻為鋼筋混凝土箱形墻，臺(tái)座本身也構(gòu)成箱形結(jié)構(gòu)，這樣剛度更大。

3 有限元計(jì)算及對(duì)比分析

3.1 試驗(yàn)臺(tái)有限元幾何模型的建立

3.1.1 定義三維幾何模型

圖3 定義長(zhǎng)方體

定義圓柱Cylinder，用中心點(diǎn)和圓柱的半徑和高度定義塊，如圖4。

圖4 定義柱體

3.1.2 網(wǎng)格劃分

對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，必須首先定義單元組，然后對(duì)給定幾何對(duì)象的網(wǎng)格劃分密度，最后生成單元和節(jié)點(diǎn)。所謂網(wǎng)格劃分密度就是單元沿線或邊間隔的長(zhǎng)度或個(gè)數(shù)，有三種劃分方法，按點(diǎn)劃分、按長(zhǎng)度劃分、按份數(shù)劃分，用戶可以對(duì)模型的點(diǎn)、線、面、體、甚至整個(gè)模型進(jìn)行網(wǎng)格密度的設(shè)置。

3.1.3 運(yùn)行求解

將模型保存，點(diǎn)擊運(yùn)行(Data File/Solution)按鈕進(jìn)行求解，并同時(shí)選定運(yùn)行ADINA按鈕(Run ADINA)。

3.2 試驗(yàn)臺(tái)有限元分析結(jié)果

在不同荷載作用下對(duì)多功能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行有限元分析，得出了試驗(yàn)臺(tái)在X、Y、Z三個(gè)方向產(chǎn)生的位移。如下圖。(單位:m)

根據(jù)上圖能夠看到:試驗(yàn)臺(tái)的水平方向位移較為明顯，上部的位移變化很明顯要比下部的位移大，變形情況是上到下逐漸減慢慢變小，而最大位移的地方位于反力墻的頂部，約為2 mm;在豎直的方向最大位移出現(xiàn)在反力墻的內(nèi)側(cè)，位移變化大約在0.2 mm左右，變化程度非常小，可忽略不計(jì)。而臺(tái)座基本上沒(méi)有產(chǎn)生變形。

4 結(jié)論

建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)是特殊的受力結(jié)構(gòu)，是建筑結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的永久固定設(shè)備，屬于特種結(jié)構(gòu)。采用ADINA有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)的土木工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行有限元分析，并且對(duì)試驗(yàn)臺(tái)整體的剛度等進(jìn)行有限元分析比較，能夠提高試驗(yàn)臺(tái)的可靠性及使用時(shí)的試驗(yàn)的精度。

［1］ (美)貝斯(K.J.Pathe).ADINA使用手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

［2］ 姚振綱，劉祖華.建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)［M］.上海:上海同濟(jì)大學(xué)出版社，1996.

［3］ 何偉.大跨徑連續(xù)鋼桁系桿拱橋靜力模型實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2008.

［4］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50010－2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

［5］ 龔慧明.淺談高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)［J］.高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2006，(2):35-37.

［6］ 過(guò)鎮(zhèn)海，時(shí)旭東.鋼筋混凝土原理和分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.