高校室内多功能结构加载试验装置研制及应用

黄英省1蔡亮2张世民3廖娟4

1.3.4浙江大学城市学院浙江杭州310015；

2浙江省建工集团有限责任公司浙江杭州310012

摘要：近年来我国新型合办院校、独立学院快速发展，而这些新型高校往往存在实验室教学场地及设施配备严重不足、场地建设资金短缺等问题。为了解决现有新型高校的实验室场地及设备受限制等问题，设计并研制一种可移动装配的室内多功能结构加载装置。该装置研制具有一定的创新性，适用于小型室内教学，可满足竖向和水平荷载加载需求，为综合性加载设备，且投入少、效益高，具有实用性与可操作性。

关键词：新型高校；土木工程；结构加载；装置研制

概述

随着我国高等教育的快速发展，越来越多的新型合办型、独立学院、专科院校逐渐发展起来。但相对于办学历史悠久，软硬件成熟的重点高校，这些新型高校往往存在实验室教学设施配备严重不足、场地建设资金短缺等问题，从而导致学生享受不到更好的教学环境。而对于土木工程专业来说，完善先进的实验室加载设备是土木工程专业必修实验或实践课程教学的必备教学设施，学生们可以通过各种加载实验更好的了解建筑结构的性能、特性，从而能更好的理论联系实践。当前，许多新型高校都将实验或实践教学局限于单一、简陋的固定加载实验设备，并且缺乏条件建造大型的厂房型实验室。针对这一普遍现象以及更好的实行土木专业的人才培养特点及实验和实践课程教学需要，设计并研制了该设备：一种可移动装配的室内多功能结构加载装置。该装置具有一定的创新性，适用于小型室内教学，可满足竖向和水平荷载加载需求，为综合性加载设备，且投入少、效益高，具有实用性与可操作性。

1传统高校土建专业教学加载装置现状分析

目前我国传统高校土建专业课程教学实验的加载形式主要有两种，分别为竖向荷载和水平荷载。而这两种荷载的施加，需要特定的实验室场地空间和试验加载设备。

（1）竖向荷载加载系统。传统高校的教学试验竖向加载一般是在大型实验室的地槽加载试验台上进行的，如图1所示，需要用地脚螺栓把钢门架固定在专门浇筑的地槽中，提供竖向约束力，再把用于加载的液压设备固定在门架的钢梁上来施加竖向荷载。此竖向荷载加载系统对实验室场地空间、技术要求均较高，建设资金投入较大。

（2）水平荷载加载系统。传统的水平荷载加载系统也是土建专业实验室必备的试验设备，它需要在专门的大型反力墙及反力地板上进行水平荷载的施加，如图2所示。这对实验室场地空间、技术要求更高，建设资金投入更大。

基于传统高校土建专业实验室竖向荷载加载系统和水平荷载加载系统对于实验室场地空间、技术和资金的高要求，目前我国还有很多开设土木工程专业的新型高等院校没有实验室场地空间与资金来建设专门的大型实验室。许多高校不得不借用其他学校的实验室和设备来开展课程的实验教学，有些甚至放弃这类教学实验的开展，导致学生在专业学习中缺少实验实践方面的知识。同时这类大型试验设备一般体型大、质量重，试验装置的组合、拆卸和移动都很不方便，比较倾向于高校教师的学术科研，而对刚组建起来不久的新型高校来说，主要还是以教学为主，因此，研制适用于高校室内小型多功能的结构加载教学试验装置，很有其必要性。

图1：地槽加载试验台图2：大型反力墙装置

2室内多功能结构加载装置的设计及研制

2.1室内多功能结构加载装置的设计

室内多功能结构加载试验装置，如图3所示，该装置包括槽型钢柱、带滑轮钢制底座、工字钢反力梁、配重筐和螺栓。该装置主要由槽型钢和工字钢装配而成，槽型钢与底板、槽型钢与工字梁之间用螺栓连接。槽型钢与端板均开有螺栓孔洞，用于装配固定。在装置四角分别设置配重筐，可根据实际需要调整配重砝码。在该装置拼装时，先将槽型钢柱固定到钢板底座上，再在两根钢柱之间连接反力梁，形成两榀反力架后，再用反力梁连接两榀反力架，最后千斤顶用对拉钢板固定在反力梁上形成整体加载装置。该装置可满足室内小空间的竖向和水平加载教学试验，可根据实际需求更换组件规格，运输和拆卸方便、投入少、效益高，具有很强的教学实用性。

6-工字钢反力梁；12-千斤顶；13-高强螺栓；14-高强螺栓孔洞；15-对拉固定钢板；19-螺栓

图3：室内多功能结构加载装置整体框架

2.2室内多功能结构加载装置的具体研制

室内多功能结构加载试验装置主要由槽型钢柱、带滑轮钢制底座、工字钢反力梁、配重筐和螺栓等部件装配而成。装置各个部件的设计，如图4~图12所示。附图标记：1-槽型钢柱；2-槽型钢柱端板；3-螺栓孔洞；4-钢制底板；5-滑轮；6-工字钢反力梁；7-反力梁端板；8-角钢条；9-平钢条；10-配重砝码；11-配重筐；12-千斤顶；13-高强螺栓；14-高强螺栓孔洞；15-对拉固定钢板；16-电源控制箱；17-线路套管；18-电动葫芦；19-螺栓。

图4：带端板的槽型钢柱结构示意图图5：带滑轮的移动钢板底

座结构示意图

图6：带端板的工字钢反力梁结构示意图图7：不带端板的工字

钢反力梁结构示意图

图8：钢制配重筐结构示意图图9：带砝码的钢制配重筐结构示意图

图10：一榀可移动装配反力架图11：水平荷载加载装置结构示意图

结构示意图

图12：可移动装配的室内多功能结构加载装置示意图

（1）带端板的槽型钢柱设计。室内多功能结构加载装置中带端板的槽型钢柱结构示意图，如图4所示，该结构由槽型钢柱和槽型钢柱端板焊接而成，其中槽型钢腹板和端板均设有螺栓孔洞，方便组件进行螺栓连接。

（2）带滑轮的移动钢板底座设计。带滑轮的移动钢板底座结构示意图，如图5所示，该结构将滑轮焊接在钢制底板的四个角点组成该底座，底板上开有与槽型钢柱端板对应的螺栓孔洞，使带端板的槽型钢柱能够与带滑轮的钢制底板进行螺栓连接。

（3）带端板的工字钢反力梁设计。带端板的工字钢反力梁结构示意图，如图6所示，该结构在工字钢反力梁的两端各焊接一块反力梁端板组成带端板的工字钢反力梁，并在端板的左右两侧各开一个螺栓孔洞，可根据不同实验室场地条件以及反力大小选择不同型号不同长度的工字钢。

（4）不带端板的工字钢反力梁设计。不带端板的工字钢反力梁结构示意图，如图7所示，该工字钢反力梁用于两榀反力架结构的连接并且提供水平反力，可根据不同试验情况选择适宜的工字钢型号和长度，装配具有自主灵活性。

（5）钢制配重筐设计。钢制配重筐结构示意图，如图8、图9所示，由角钢条和平钢条焊接成筐，用四条角钢，直角向外组成矩形框底，再在角点焊上四根竖向角钢，矩形边焊上一定间距的平钢条，起到保护作用，最后在筐顶围焊一圈角钢条定型，组成整体配重筐。在配重筐内部根据不同试验所需要的反力大小配置不同重量的配重砝码，操作简单、方便。

（6）一榀可移动装配反力架结构设计。一榀可移动装配反力架结构示意图，如图10所示，该结构先将带端板的槽型钢柱与带滑轮的钢制底板通过螺栓连接，形成两个竖向支柱，再在两根槽型钢柱之间螺栓连接三道工字钢反力梁，并在由上往下的第一道反力梁上对称安装两个电动葫芦，用来起吊第二道反力梁，可根据实际加载需要来定位，最下端的反力梁结合两侧的千斤顶用来固定结构模型，防止加载过程中出现移动。在其中一根槽型钢柱凹槽内适宜高度安装电源控制箱用于控制电动葫芦，并在两个电动葫芦间以及控制箱到电动葫芦间安装线路套管，用于保护隐蔽电线，最后在两侧钢板底座上安放配重筐，可根据实际加载力的大小来配置砝码重量，防止加载反力过大导致装置被抬起。

（7）水平荷载加载装置设计。水平荷载加载装置结构示意图，如图11所示，该结构为两榀可移动装配反力架之间通过两根工字钢反力梁连接，在反力梁的两头用对拉钢板和高强螺栓固定，可根据实际加载需要来定位工字钢反力梁，工字钢反力梁设置千斤顶，用于施加水平荷载，在槽型钢柱最下端对称安装四个千斤顶，用于固定加载试件，整体装置组装快捷、使用方便。

（8）可移动装配的室内多功能结构加载装置设计。可移动装配的室内多功能结构加载装置示意图，如图12所示，该结构为在水平荷载加载装置结构的基础上再加设竖向荷载反力梁，即在两榀反力架自上往下第二道反力梁上连接另一根工字钢反力梁，两端用对拉钢板和高强螺栓固定，在顶部工字钢反力梁上设置千斤顶，用于施加竖向荷载，该装置既可以模拟水平地震荷载，又可以施加竖向荷载，且可根据实际加载需要对组件进行移动调整，组装方便，多功能，效益高。

3室内多功能结构加载装置的实施应用

3.1水平荷载试验加载实施应用

水平荷载加载剖面示意图，如图13所示，加载时可根据实际所需反力的大小来调整配重筐内砝码的重量，位于槽型钢柱最下端的四个千斤顶分别对称顶到试验构件底部，并施加少量预荷载，使试验构件底部在施加上端一侧水平荷载时保持力平衡且固定不动，以达到施加水平荷载的实验目的，主要模拟水平地震作用对结构的影响。

图13：水平荷载加载剖面示意图

3.2竖向荷载试验加载实施应用

竖向荷载加载剖面示意图，如图14所示，在装置工字钢反力梁顶部安装千斤顶，并由其施加竖向荷载，加载过程中的反力则充分利用装置的自重和装置四角的可配重砝码，砝码重量可根据实际加载力的大小进行调整，该装置适用于新型高校由于场地和大型设备缺失而进行的小型加载实验，可满足土木工程专业专科和本科的教学需要。

图14：竖向荷载加载剖面示意图

结语

室内多功能结构加载试验装置适用于高校室内小空间的竖向和水平加载教学试验，装配性能好，可根据不同需求变换组件规格、运输和拆卸方便、通用性强、投入少、效益高，可解决各新型高校由于场地空间的限制而导致的加载装置的缺失，可满足土木工程专业专科和本科必修实验和实践课程的教学需要。

参考文献：

[1]鲁亮，黄子恒，卢文胜.结构抗震试验用各类竖向加载装置[J].结构工程师，2017，01：149-155.

[2]赵建德，张兴虎，龚安礼等.组合式梁类教学试验装置及应用[J].结构工程师，2011，S1：237-241.

[3]王伟，赵宪忠，郭小农，陈以一.钢结构多功能教学实验平台的研制与实践[J].高等建筑教育，2009，02：102-104.

[4]余世策，刘承斌，赏星云等.钢筋混凝土综合实验装置的开发与应用[J].实验室研究与探索，2008，04：36-38.

本文受浙江大学城市学院七期重点课程建设项目（土木工程CDIO专项）（CD1403、CD1405）支持。