CN110296887B - 一种空间结构多平面复杂荷载加载试验系统及试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种空间结构多平面复杂荷载加载试验系统及试验方法,属于土木及海洋工程结构试验技术领域。试验系统包括布置在地基上的试验系统基座、加载系统操作平台、液压油源、加压油泵、冷却水箱和电控系统,试验系统基座设有可调节反力柱和多个独立加载单元,可调节反力柱的一侧设有悬臂法兰固定端。试件的弦杆上端固定连接可调节反力柱的悬臂法兰固定端,下端固定在试验系统基座上,试件的撑杆与各自的独立加载单元的法兰连接面固定连接。该试验系统具备力控制和位移控制两种加载方式,能够实现单一荷载或荷载组合的循环加载,可用于开展空间结构疲劳破坏试验,验证疲劳极限承载力,揭示疲劳破坏机理。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间结构多平面复杂荷载加载试验系统及试验方法,用于开展轴力、弯矩及扭矩联合作用下多平面受荷载结构失效模式及破坏机理研究,其属于土木及海洋工程结构试验技术领域。
背景技术
随着经济的发展与社会的进步,出现了越来越多大型、异形、复杂的建筑物和构筑物,相应地也产生了越来越多的复杂构件。例如大型体育场馆空间支撑系统中的连接构件、超高层建筑转换层中的传力构件、机场顶棚网架结构中的连接构件、海上风机固定式基础结构中的多平面管节点等,上述结构或构件均为复杂空间结构或构件。
所述复杂空间结构及构件的主要特点为非平面的几何构型和复杂空间受力状态。此外,空间结构或构件多位于整体结构的连接或过渡部位,多个方向的荷载经由多个传力构件作用于复杂连接部件,使得连接部件呈现出轴力、弯矩和扭矩等荷载联合作用下的复杂受力状态。
复杂空间结构及构件的疲劳和极端承载力对于整体结构可靠度具有显著影响,现阶段受限于试验技术及试验设备,主要采用下述试验方法开展疲劳和极端工况下复杂空间结构或构件模型试验研究,
(1)将复杂空间结构等效为简单平面构件;
(2)将复杂空间荷载分解为简单平面荷载;
(3)分别将简单平面荷载作用于等效的简单平面构件;
(4)通过叠加方法近似得到复杂荷载作用下空间结构的受力状态。
由上述试验方法可知,该方法不能完全模拟结构的真实受力状态,故而无法准确揭示不同工况下复杂结构承载力及破坏机理。上述缺陷在开展非线性试验时尤为显著,由于缺乏对于复杂受力状态下结构非线性变化的精确模拟,将得出严重偏离真实值的结构承载力及失效模式。
综上所述,有必要直接基于复杂空间结构或构件试验模型开展复杂荷载作用下的物模试验,得到更为准确合理的结构反应及可靠度评价指标。目前,国内尚缺乏相关试验设备准确模拟空间结构的复杂受力状态,开展复杂荷载条件下空间结构安全评价及破坏机理研究。
发明内容
为完善结构试验体系,本发明提供了一种空间结构多平面复杂荷载加载试验系统及试验方法,基于该系统可精确模拟空间结构真实受力状态(受轴力、弯矩、扭矩等单独或联合加载),开展空间结构承载力校核、失效模式及破坏机理研究。
本发明采用的技术方案是:一种空间结构多平面复杂荷载加载试验系统,试验系统包括布置在地基上的试验系统基座、加载系统操作平台、液压油源、加压油泵、冷却水箱和电控系统,所述试验系统基座设有可调节反力柱和多个独立加载单元,所述可调节反力柱的一侧设有悬臂法兰固定端,所述独立加载单元包含由水平调节基座、竖直角度调节铰、拉压作动器、作动器基座和法兰连接面;水平调节基座包含水平纵向滑动底板和水平横向滑动底板,水平纵向滑动底板与水平横向滑动底板通过滑块螺栓相连接,并通过连接螺栓固定于试验系统基座上;竖直角度调节铰的底法兰面与水平横向滑动底板相连,顶法兰面与作动器基座的水平底板采用螺栓紧固连接;第一拉压作动器、第二拉压作动器、第三拉压作动器和第四拉压作动器沿作动器基座水平底板的法线方向布置,这四个拉压作动器的一端通过紧固螺栓分别与法兰连接面的底面连接,另一端分别与作动器基座的水平底板相连接,第五拉压作动器和第六拉压作动器沿作动器基座的水平方向布置,这两个拉压作动器的一端通过紧固螺栓分别与法兰连接面的侧板连接,另一端分别与作动器基座侧板相连接;所述六个拉压作动器均配备位移传感器和力传感器,位移传感器沿纵向布设于拉压作动器侧面,力传感器沿纵向布设于拉压作动器与法兰连接面的连接位置;试件的弦杆上端固定连接所述可调节反力柱的悬臂法兰固定端,下端固定在试验系统基座上,试件的撑杆与各自的所述独立加载单元的法兰连接面固定连接。
所述悬臂法兰固定端在可调节反力柱的位置根据试件的高度调整。
所述水平横向滑动底板与水平纵向滑动底板之间设有采用通过滑块螺栓连接的纵向滑槽和横向滑槽。
所述试验系统基座为全方位可调节底板,底板几何尺寸为10m×10m,底板上布置用于固定多个独立加载单元的螺栓孔,布置方案为100个×100个,螺栓孔间距为100mm,螺栓孔直径为18mm。
所述的一种空间结构多平面复杂荷载加载试验方法,采用的具体步骤如下:
一、试件安装及可靠度验证
在试件移动至指定试验位置后,首先将悬臂法兰固定端与试件上端部弦杆法兰盘用紧固螺栓连接;然后将悬臂法兰固定端与可调节反力柱用螺栓相连;;最后将试件下端部弦杆法兰盘与试验系统基座用紧固螺栓相连,完成试件初步安装及试件弦杆边界条件模拟。
完成试件的弦杆边界条件模拟后,将独立加载单元吊装至试件的撑杆加载端部法兰盘,通过水平纵向滑动底板、水平横向滑动底板和竖直角度调节铰调节独立加载单元在试验系统基座上的位置和角度,保证独立加载单元的法兰连接面与试件的撑杆法兰盘平行并紧密贴合;调节完成后,采用连接螺栓将加载单元水平调节基座与试验系统基座紧固连接,采用连接螺栓紧固连接加载单元法兰连接面和试件的撑杆加载端部法兰盘。
启动电控系统,打开传感器监视器和油源监控,调至位移/荷载控制状态,向作动器发出试加载命令,比对试加载命令值与传感器监视器中反馈的各传感器采集值,若相对误差控制位于0.5%-1%之间,则认为位移/荷载控制加载可靠;若误差大于1%,则应关闭所有程序及系统,检查设备或试件安装是否有合理,检查无误后重复上述步骤,直至试验系统加载可靠度满足试验要求。
二、轴力加载
完成试件安装及可靠度验证后,依据在电控系统中预先设置的轴力荷载加载模式及控制参数,生成试件所受荷载值与作动器施加荷载值转换矩阵,编辑相应的荷载谱并应用,通过各独立加载单元的第一拉压作动器至第四拉压作动器实现轴力加载;
三、面内弯矩加载
依据在电控系统中预先选定的面内弯矩荷载加载模式及控制参数,生成试件所受荷载值与作动器施加荷载值转换矩阵,编辑相应的荷载谱并应用,通过各独立加载单元的第一拉压作动器至第四拉压作动器完成面内弯矩加载;第一拉压作动器和第二拉压作动器加载同向等值荷载,同时第三拉压作动器和第四拉压作动器则反向加载相同荷载。
四、面外弯矩加载
依据在电控系统中预先设定的面外弯矩荷载加载模式及控制参数,生成试件所受荷载值与作动器施加荷载值转换矩阵,编辑相应的荷载谱并应用,通过各独立加载单元的第一拉压作动器至第四拉压作动器完成面外弯矩加载;第一拉压作动器和第四拉压作动器同向等值加载,同时第二拉压作动器和第三拉压作动器反向加载相同荷载;
五、扭矩加载
依据在电控系统中预先设置的扭矩荷载加载模式及控制参数,生成试件所受荷载值与作动器施加荷载值转换矩阵,编辑相应的荷载谱并应用,通过各独立加载单元的第五拉压作动器和第六拉压作动器完成扭矩加载;
六、轴力-弯矩-扭矩荷载联合加载
依据在电控系统中预先设置的组合荷载加载模式及控制参数,生成试件所受荷载值与作动器施加荷载值转换矩阵,编辑相应的荷载谱并应用,通过各独立加载单元的第一拉压作动器至第六拉压作动器完成复杂荷载联合加载。
本发明的有益效果是:
(1)空间结构多平面复杂荷载加载试验系统的加载单元可模块化配备,即可依据试验类型调节施加荷载的独立加载单元数量,且各加载单元的拉压作动器在加载平面内均为双向布置,并采用电控系统控制加载,故基于该系统可实现单一或多个平面内任意单一荷载或荷载组合的加载,可准确模拟空间结构在不同荷载组合作用下的受力状态。
(2)空间结构多平面复杂荷载加载试验系统的约束系统可根据试件实际边界条件设置,可精确模拟空间结构复杂边界条件。空间结构多平面复杂荷载加载试验系统可实现空间结构多平面复杂荷载条件及边界条件精确模拟,可开展复杂荷载联合作用下空间结构承载力校核、失效模式及破坏机理试验研究。
(3)空间结构多平面复杂荷载加载试验系统具备力控制和位移控制两种加载方式,能够实现单一荷载或荷载组合的循环加载,可开展空间结构疲劳破坏试验,验证疲劳极限承载力,揭示疲劳破坏机理。
附图说明
图1是一种空间结构多平面复杂荷载加载试验系统的布置图。
图2是加载系统的布置图。
图3是可调节反力柱的正视图。
图4是独立加载单元的正视图。
图5是独立加载单元的俯视图。
图6是独立加载单元的侧视图。
图7是五平面Y型管节点试件的加载示意图。
图中:1、地基,2、试验系统基座,3、可调节反力柱,3a、悬臂法兰助肋,3b、水平加劲助,3c、竖直加劲助,4、悬臂法兰固定端,5、可移动铰支座,5a、加载连接法兰,5b、固定连接法兰,6、独立加载单元,6a、水平调节基座,6a1、水平横向滑动底板,6a2、水平纵向滑动底板,6a3、滑块螺栓,6a4、连接螺栓,6b、竖直角度调节铰,6b1、顶法兰面,6b2、底法兰面,6b3、螺栓,6c、第一拉压作动器,6d、第二拉压作动器,6e、第三拉压作动器,6g、第五拉压作动器,6h、第六拉压作动器,6i、作动器基座,6j、法兰连接面,6j1、紧固螺栓,6k、力传感器,6m、位移传感器,7、加载系统操作平台,8、液压油源,9、加压油泵,10、冷却水箱,11、试件,11a、弦杆,11b、撑杆。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的具体实施方式进行详细说明。
图1、2、3示出了一种空间结构多平面复杂荷载加载试验系统布置图。图中,这种空间结构多平面复杂荷载加载试验系统包括布置在地基1上的试验系统基座2、加载系统操作平台7、液压油源8、加压油泵9、冷却水箱10和电控系统。试验系统基座2设有可调节反力柱3和多个独立加载单元6,可调节反力柱3的一侧设有悬臂法兰固定端4。悬臂法兰固定端4在可调节反力柱3的位置根据试件11的高度调整。试验系统基座2为全方位可调节底板,底板几何尺寸为10m×10m,底板上布置用于固定多个独立加载单元6的螺栓孔,布置方案为100个×100个,螺栓孔间距为100mm,螺栓孔直径为18mm。
图4、5、6示出了独立加载单元的结构图。独立加载单元6包含由水平调节基座6a、竖直角度调节铰6b、拉压作动器、作动器基座6i和法兰连接面6j。水平调节基座6a包含水平纵向滑动底板6a2和水平横向滑动底板6a1,水平纵向滑动底板6a2与水平横向滑动底板6a1通过滑块螺栓6a3相连接,并通过连接螺栓6a4固定于试验系统基座2上。竖直角度调节铰6b的底法兰面6b2与水平横向滑动底板6a1相连,顶法兰面6b1与作动器基座6i的水平底板采用螺栓6b3紧固连接。第一拉压作动器6c、第二拉压作动器6d、第三拉压作动器6e和第四拉压作动器(与第三拉压作动器6e并列)沿作动器基座6i的水平底板法线方向布置,这四个拉压作动器的一端通过紧固螺栓分别与法兰连接面6j的底面连接,另一端分别与作动器基座6i的水平底板相连接,第五拉压作动器6g和第六拉压作动器6h沿作动器基座6i的水平方向布置,这两个拉压作动器的一端通过紧固螺栓分别与法兰连接面6j的侧板连接,另一端分别与作动器基座6i侧板相连接。六个拉压作动器均配备位移传感器6m和力传感器6k,位移传感器6m沿纵向布设于拉压作动器侧面,力传感器6k沿纵向布设于拉压作动器与法兰连接面6j的连接位置。水平横向滑动底板6a1与水平纵向滑动底板6a2之间设有采用通过滑块螺栓6a3连接的纵向滑槽和横向滑槽。
图7示出了五平面Y型管节点试件的加载示意图。试件11的弦杆11a上端固定连接可调节反力柱3的悬臂法兰固定端4,下端固定在试验系统基座2上,试件11的撑杆11b加载端部法兰盘与各自的所述独立加载单元6的法兰连接面6j固定连接。
这种空间结构多平面复杂荷载加载试验方法采用的具体步骤如下:
一、试件安装及可靠度验证
在试件弦杆的两个固定端分别预先焊接上弦杆法兰盘及弦杆加劲肋,同时试件撑杆的五个加载端分别焊接上撑杆加载端部法兰盘。将加工完成的试件用吊车移动至试验系统基座的指定位置,试验布置后应保证底板剩余空间能够按照试验要求布置多平面加载方案。
待试件移动至指定试验位置后,首先将悬臂法兰固定端与试件上端部弦杆法兰盘用紧固螺栓连接;然后将悬臂法兰固定端与可调节反力柱用螺栓相连;最后将试件下端部弦杆法兰盘与试验系统基座用紧固螺栓相连,完成试件初步安装及试件弦杆边界条件模拟。
对于此例而言试件弦杆两端皆为固定约束,故可按照上述步骤安装。如果试件弦杆的边界条件为铰支约束或者无约束,则需要进行下述调整。比如对于铰支条件,需先将试件端部先与可移动铰支座相连,再将可移动铰支座与试验系统基座或悬臂法兰固定端相连。对于自由端,则不必做任何固定处理,不过需保证自由端周边留有足够空间供试件受荷时自由端发生位移。
完成试件弦杆边界条件模拟后,根据加载平面数量配备加载单元数量,比如在此例中需配备五个独立加载单元。将独立加载单元吊装至试件撑杆的加载端部法兰盘,通过水平纵向滑动底板、水平横向滑动底板和竖直角度调节铰调节加载单元在试验系统基座上的位置和角度,保证独立加载单元的法兰连接面与试件撑杆法兰盘平行并紧密贴合;调节完成后,采用连接螺栓将加载单元水平调节基座与试验系统基座紧固连接,采用连接螺栓紧固连接加载单元法兰连接面和试件撑杆加载端部法兰盘。
启动电控系统,打开传感器监视器和油源监控。调至位移/荷载控制状态,向作动器发出试加载命令,比对试加载命令值与传感器监视器中反馈的各传感器采集值,若相对误差控制位于0.5%-1%之间,则认为位移/荷载控制加载可靠;若误差大于1%,则应关闭所有程序及系统,检查设备或试件安装等是否有合理,检查无误后重复上述步骤,直至试验系统加载可靠度满足试验要求。
二、轴力加载
完成试件安装及可靠度验证后,依据在电控系统中预先设置的轴力荷载加载模式及控制参数,生成试件所受荷载值与作动器施加荷载值转换矩阵,编辑相应的荷载谱并应用,通过各独立加载单元的第一拉压作动器至第四拉压作动器即可实现轴力加载。该实验系统轴力加载时的显著特点为:第一拉压作动器至第四拉压作动器为同向等幅加载。加载量程为±4000kN,加载精度为0.5%。
三、面内弯矩加载
依据在电控系统中预先选定的面内弯矩荷载加载模式及控制参数,生成试件所受荷载值与作动器施加荷载值转换矩阵,编辑相应的荷载谱并应用,通过各独立加载单元的第一拉压作动器至第四拉压作动器即可完成面内弯矩加载。该实验系统面内弯矩加载时的显著特点为:第一拉压作动器和第二拉压作动器加载同向等值荷载,同时第三拉压作动器和第四拉压作动器则反向加载,与第一拉压作动器和第二拉压作动器相同荷载。加载量程为±800kN∙m,加载精度为0.5%。
四、面外弯矩加载
依据在电控系统中预先设定的面外弯矩荷载加载模式及控制参数,生成试件所受荷载值与作动器施加荷载值转换矩阵,编辑相应的荷载谱并应用,通过各独立加载单元的第一拉压作动器至第四拉压作动器即可完成面外弯矩加载。该试验系统面外弯矩加载时的显著特点为:第一拉压作动器和第四拉压作动器同向等值加载,同时第二拉压作动器和第三拉压作动器反向加载相同荷载。加载量程为±800kN∙m,加载精度为0.5%。
五、扭矩加载
依据在电控系统中预先设置的扭矩荷载加载模式及控制参数,生成试件所受荷载值与作动器施加荷载值转换矩阵,编辑相应的荷载谱并应用,通过各独立加载单元的第五拉压作动器和第六拉压作动器即可完成扭矩加载。该实验系统扭矩加载时的特点为:同一加载平面内,第五拉压作动器与第六拉压作动器之间荷载值为等值、反向加载。加载量程为±400kN∙m,加载精度为0.5%。
六、轴力-弯矩-扭矩荷载联合加载
依据在电控系统中预先设置的组合荷载加载模式及控制参数,生成试件所受荷载值与作动器施加荷载值转换矩阵,编辑相应的荷载谱并应用,通过各独立加载单元的第一拉压作动器至第六拉压作动器即可完成复杂荷载联合加载。该试验系统复杂荷载联合加载时的特点为:由于轴向荷载、面内及面外弯矩联合作用,第一拉压作动器至第四拉压作动器荷载值不再呈明显对称关系;但第五拉压作动器与第六拉压作动器之间荷载值为等值、同步、反向加载。
Claims (4)
1.一种空间结构多平面复杂荷载加载试验系统,试验系统包括布置在地基(1)上的试验系统基座(2)、加载系统操作平台(7)、液压油源(8)、加压油泵(9)、冷却水箱(10)和电控系统,其特征在于,所述试验系统基座(2)设有可调节反力柱(3)和多个独立加载单元(6),所述可调节反力柱(3)的一侧设有悬臂法兰固定端(4),所述独立加载单元(6)包含由水平调节基座(6a)、竖直角度调节铰(6b)、拉压作动器、作动器基座(6i)和法兰连接面(6j);水平调节基座(6a)包含水平纵向滑动底板(6a2)和水平横向滑动底板(6a1),水平纵向滑动底板(6a2)与水平横向滑动底板(6a1)通过滑块螺栓(6a3)相连接,并通过连接螺栓(6b4)固定于试验系统基座(2)上;竖直角度调节铰(6b)的底法兰面(6b2)与水平横向滑动底板(6a1)相连,顶法兰面(6b1)与作动器基座(6i)的水平底板采用螺栓(6b3)紧固连接;第一拉压作动器(6c)、第二拉压作动器(6d)、第三拉压作动器(6e)和第四拉压作动器沿作动器基座(6i)的水平底板法线方向布置,这四个拉压作动器的一端通过紧固螺栓分别与法兰连接面(6j)的底面连接,另一端分别与作动器基座(6i)的水平底板相连接,第五拉压作动器(6g)和第六拉压作动器(6h)沿作动器基座(6i)的水平方向布置,这两个拉压作动器的一端通过紧固螺栓分别与法兰连接面(6j)的侧板连接,另一端分别与作动器基座(6i)侧板相连接;所述六个拉压作动器均配备位移传感器(6m)和力传感器(6k),位移传感器(6m)沿纵向布设于拉压作动器侧面,力传感器(6k)沿纵向布设于拉压作动器与法兰连接面(6j)的连接位置;试件(11)的弦杆(11a)上端固定连接所述可调节反力柱(3)的悬臂法兰固定端(4),下端固定在试验系统基座(2)上,试件(11)的撑杆(11b)与各自的所述独立加载单元(6)的法兰连接面(6j)固定连接;所述试验系统基座(2)为全方位可调节底板,底板几何尺寸为10m×10m,底板上布置用于固定多个独立加载单元(6)的螺栓孔,布置方案为100个×100个,螺栓孔间距为100mm,螺栓孔直径为18mm。
2.根据权利要求1所述的一种空间结构多平面复杂荷载加载试验系统,其特征在于,所述悬臂法兰固定端(4)在可调节反力柱(3)的位置根据试件(11)的高度调整。
3.根据权利要求1所述的一种空间结构多平面复杂荷载加载试验系统,其特征在于,所述水平横向滑动底板(6a1)与水平纵向滑动底板(6a2)之间设有采用通过滑块螺栓(6a3)连接的纵向滑槽和横向滑槽。
4.根据权利要求1所述的一种空间结构多平面复杂荷载加载试验系统的试验方法,其特征在于,采用的具体步骤如下:
一、试件安装及可靠度验证
在试件(11)移动至指定试验位置后,首先将悬臂法兰固定端(4)与试件(11)上端部弦杆法兰盘用紧固螺栓连接;然后将悬臂法兰固定端(4)与可调节反力柱(3)用螺栓相连;最后将试件(11)下端部弦杆法兰盘与试验系统基座(2)用紧固螺栓相连,完成试件(11)初步安装及试件弦杆边界条件模拟;
完成试件的弦杆边界条件模拟后,将独立加载单元(6)吊装至试件的撑杆(11b)加载端部法兰盘,通过水平纵向滑动底板(6a2)、水平横向滑动底板(6a1)和竖直角度调节铰(6b)调节独立加载单元(6)在试验系统基座(2)上的位置和角度,保证独立加载单元的法兰连接面(6j)与试件的撑杆(11b)法兰盘平行并紧密贴合;调节完成后,采用连接螺栓(6a4)将加载单元水平调节基座(6a)与试验系统基座(2)紧固连接,采用连接螺栓紧固连接加载单元法兰连接面(6j)和试件的撑杆(11b)加载端部法兰盘;
启动电控系统,打开传感器监视器和油源监控,调至位移/荷载控制状态,向作动器发出试加载命令,比对试加载命令值与传感器监视器中反馈的各传感器采集值,若相对误差控制位于0.5%-1%之间,则认为位移/荷载控制加载可靠;若误差大于1%,则应关闭所有程序及系统,检查设备或试件安装是否有合理,检查无误后重复上述步骤,直至试验系统加载可靠度满足试验要求;
二、轴力加载
完成试件安装及可靠度验证后,依据在电控系统中预先设置的轴力荷载加载模式及控制参数,生成试件所受荷载值与作动器施加荷载值转换矩阵,编辑相应的荷载谱并应用,通过各独立加载单元(6)的第一拉压作动器至第四拉压作动器实现轴力加载;
三、面内弯矩加载
依据在电控系统中预先选定的面内弯矩荷载加载模式及控制参数,生成试件所受荷载值与作动器施加荷载值转换矩阵,编辑相应的荷载谱并应用,通过各独立加载单元(6)的第一拉压作动器至第四拉压作动器完成面内弯矩加载;第一拉压作动器和第二拉压作动器加载同向等值荷载,同时第三拉压作动器和第四拉压作动器则反向加载相同荷载;
四、面外弯矩加载
依据在电控系统中预先设定的面外弯矩荷载加载模式及控制参数,生成试件所受荷载值与作动器施加荷载值转换矩阵,编辑相应的荷载谱并应用,通过各独立加载单元(6)的第一拉压作动器至第四拉压作动器完成面外弯矩加载;第一拉压作动器和第四拉压作动器同向等值加载,同时第二拉压作动器和第三拉压作动器反向加载相同荷载;
五、扭矩加载
依据在电控系统中预先设置的扭矩荷载加载模式及控制参数,生成试件所受荷载值与作动器施加荷载值转换矩阵,编辑相应的荷载谱并应用,通过各独立加载单元(6)的第五拉压作动器和第六拉压作动器完成扭矩加载;
六、轴力-弯矩-扭矩荷载联合加载
依据在电控系统中预先设置的组合荷载加载模式及控制参数,生成试件所受荷载值与作动器施加荷载值转换矩阵,编辑相应的荷载谱并应用,通过各独立加载单元(6)的第一拉压作动器至第六拉压作动器完成复杂荷载联合加载。
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