CN113109146B - 平面加载框架系统升级为空间加载系统的设计方法 - Google Patents

平面加载框架系统升级为空间加载系统的设计方法 Download PDF

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Abstract

本平面加载框架系统升级为空间加载系统的设计方法，包括：确定新增组件反力梁、反力柱、底部支座；根据已有平面加载系统中的伺服仪最大输出荷载并按轴压构件稳定性计算确定底座的截面尺寸，进行底座设计；根据试验室可用空间和升级需求确定新增反力梁跨度lb；根据伺服仪最大荷载按两跨连续梁计算反力梁的最大弯矩，并进行反力梁设计；确定反力柱长度lc，根据伺服仪最大输出荷载按压弯构件设计计算反力柱；计算用于连接各个组件的螺栓；根据用户需求，选择不同模块的加载系统升级方案。本发明可用于已有的平面加载框架系统升级为能实现平面外加载，实现能在多个平面同步施加荷载的空间加载系统，以较少花费实现结构试验室的功能升级。

Description

平面加载框架系统升级为空间加载系统的设计方法
技术领域
本发明涉及土木工程结构试验加载装置领域，基于钢结构设计基本理论，提出了一种将已有平面加载系统升级为空间加载系统的设计方法，而且可以根据用户的不同需求实现不同的加载升级方案。
背景技术
加载系统是土木工程结构试验室重要的科研和教学试验设备，整套系统主要包括伺服仪(或千斤顶)系统、数据采集仪、加载框架系统。其中加载框架系统通常由刚度和强度均较大的钢梁和钢柱组成，用来为构件、节点等各类试件施加科研期望的荷载类型，如轴力、平面内(外)弯矩、以及弯矩和轴力共同作用等。加载框架系统是试验是否获得成功的关键，对科研工作具有重要的意义。
近年来，不少地方高校的土木学院(建工学院)从原来教学为主型变成科研教学并重型，导致以前购置、功能相对较简单(所有荷载只能在一个平面内)的平面加载框架系统难以满足科研面临的日益复杂的荷载条件，譬如多个荷载不在同一个平面内。然而，完全放弃原有系统而重新建造一个空间加载系统，则不仅需要投入更多成本、而且也造成资源浪费。本发明充分利用已有平面加载框架系统，运用钢结构基本理论，提出了将现有平面加载框架系统升级为空间加载框架系统的设计方法。此外，本发明采用模块化升级方案，不同升级模块以满足不同的客户要求。
发明内容
本发明要克服现有平面加载系统的上述缺陷，提出平面加载框架系统升级为空间加载系统的设计方法。
本发明的空间加载系统的设计方法是指在已有、仅能施加简单荷载的平面加载系统的基础上增加底座、反力梁、反力柱等组件，从而升级为能对试件施加更加复杂荷载的空间加载系统。同时，升级方案采用模块化，可以根据用户的需求选择不同的升级模块。
本发明的平面加载系统升级为空间加载系统的设计方法，包括如下步骤：
1)步骤S1，根据已有平面加载系统伺服仪的最大输出荷载T确定底座(实现试件的支座功能)的截面尺寸d×t(钢管直径和壁厚)，并设计底座底板(b0×h0×t0)和相关锚栓(或螺栓)；
2)步骤S2，反力梁近似为两跨连续梁，根据试验室可用空间和升级需求确定反力梁跨度lb；
3)步骤S3，反力梁采用H型钢梁、或两个槽钢组合成的格构梁、或四块钢板焊接而成的箱型截面梁，根据伺服仪最大输出荷载进行反力梁设计；
4)步骤S4，根据反力梁的截面高度hb和原有平面框架净高Hf确定反力柱长度lc，反力柱选用箱型截面梁；
5)步骤S5，由反力梁和反力柱构成新平面加载框架垂直于已有的平面加载框架，用螺栓(锚栓)将反力梁和已有加载框架梁连接在一起形成空间加载系统，反力梁和反力柱之间也采用螺栓连接，设计相关的螺栓(锚栓)；
6)步骤S6，根据用户需求，选择不同模块的加载系统升级方案。
优选地，所述步骤S1中，底座长度ldz跟试件长度和已有加载框架的尺寸有关、但通常小于0.5倍加载框架净高度Hf。因此底座可偏安全地视为底部(下端)固定、上端自由、长0.5Hf、承受轴压力N(竖向伺服仪最大输出荷载T1)的柱，按照轴压稳定构件计算确定截面。如某高校的已有加载框架的净高度Hf＝4.0m，竖向伺服仪最大荷载为1000kN，则偏安全地认为底座计算长度 lodz＝2×0.5Hf＝4m，初选底座截面为245×12mm2的Q345钢管，则查钢管规格表得到回转半径i＝82.5mm，计算长细比λ＝48.5，查钢结构规范(GB50017-2017)附录D得稳定系数
Figure BDA0002990679110000032
计算得到底座能承受轴压力N≤ΦAf＝0.813×8784×305×10-3＝2178kN，大于1000 kN，满足要求。
底座的顶部配有可拆卸的连接头，以便于模拟试件的铰接或固定支座，底座的底部通过底板和锚栓固定于平面加载框架的底部框架梁上或者新增的底部反力梁上。锚栓的直径根据已有加载框架梁翼缘上的孔径确定，锚栓数量n1根据承受的最大拉力T1(伺服仪最大荷载)确定。底座底板的平面尺寸b0×h0根据底座钢管外径d、螺栓(锚栓)孔的布置以及构造要求确定，底板厚度t0则根据锚栓承载力和布置，按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规(GB51022-2015) 10.2.7条的相关规定计算各个支承格区的端板厚度，底板厚度t0计算如下：
Figure BDA0002990679110000031
式中，f为钢板抗拉强度设计值，n2为布置在底板一边的螺栓(锚栓)数量，Nt一个锚栓(螺栓)抗拉承载力设计值，ew、ef为螺栓(锚栓)中心到底座加劲肋的距离。
优选地，所述步骤S2中，垂直于已有平面加载框架的反力梁计算时可简化为两跨连续梁；其中间支承在顶部或底部框架梁上、两端支承于反力柱或底墩，底墩通过抗拔锚杆、或混凝土墩和锚栓等固定在地面；根据试验室可利用的空间和升级需求确定新增反力梁的跨度lb。
优选地，所述步骤S3中，反力梁的截面宽度要满足底座安装所需，设计成由H型钢(三块板焊接而成)、或箱型截面(四块板焊接而成)、或两个分肢和缀板组成的格构梁。反力梁近似两跨连续梁(跨度lb)，每跨梁上常见荷载为一个竖向伺服仪传来的集中荷载，根据多跨梁理论，当一个荷载作用在跨中而相邻跨无荷载时，跨中弯矩达到最大值M1max，当两跨都跨中作用荷载时，中间支座处弯矩达到最大值M2max，计算如下：
Figure BDA0002990679110000041
Figure BDA0002990679110000042
式中，Pmax为竖向伺服仪最大输出荷载，lb为反力梁跨度。根据最大弯矩M1max和钢材强度f算出截面模量Wx＝M1max/f，结合S1步骤确定的底座截面确定梁截面宽度，设计梁截面。如选择格构梁(譬如双肢热轧槽钢和缀板焊接而成截面)或箱型截面梁，当箱型截面梁满足《钢结构设计标准》的6.2.4条时、格构梁绕虚轴惯性矩大于绕实轴惯性矩时，则可以不用验算梁稳定性。
优选地，所述步骤S4中，反力柱的长度为平面框架净高减去两倍反力梁截面高度：lc＝Hf-2hb。反力柱截面设计如下：首先按照两端铰接轴心受压构件(轴力为竖向伺服仪的最大输出荷载T1)并假定一个长细比λ，算出柱截面面积Ac0并查型钢规格并选择一个宽翼缘H型钢截面(截面尺寸h×b×tw×tf)；初步确定反力柱截面为高1.1h～1.2h、宽1.1b～1.2b的四块板(板厚度tf)焊接而成的箱型截面梁，按照两端铰接压弯构件进行反力柱的强度和稳定验算，其中轴力为T1、弯矩为水平伺服仪施加的最不利弯矩值T2lc/4(T2为水平伺服仪最大输出荷载)。
优选地，所述步骤S5中，反力梁(视为两跨连续梁)连接于原平面加载框架中顶梁(底梁)的螺栓群，按照螺栓杆轴方向承受拉力进行设计，总拉力取为伺服仪最大输出荷载T1。连接反力梁和反力柱的螺栓群，其螺栓按同时承受剪力和杆轴方向拉力进行承载力计算，总拉力和总剪力均取伺服仪最大输出荷载T1。连接底座和反力梁的锚栓、反力梁端部和底墩之间的锚栓，均按锚栓抗拉进行设计，总拉力取伺服仪最大输出荷载T1。
优选地，所述步骤S6中，根据用户需求可采用不同模块对原平面加载系统进行升级。其中，第一模块仅增加2个反力梁(垂直于原平面加载框架系统)和若干个底座，第一模块可用于施加那些需要施加平面外弯矩荷载的试件(如空间结构节点、板结构等)，第一模块还可用于试件所需要施加所有水平荷载在一个平面内、但水平荷载与同时施加的至少1个竖向荷载不在一个平面内的情况。第二模块为增加1个垂直于原平面加载框架系统的新平面加载框架(由2个反力梁和2个反力柱组成)，第二模块除了可以完成模块1的功能外，还可用于实现试件所需施加的多个水平荷载不在同一个平面内的情况，如在柱、梁柱节点等试件上实现两个水平方向的拟静力反复加载。第三模块为第二模块基础上再增加1个新平面加载框架，用于更加复杂的多点、多方向空间加载方案。
本发明可用于很多地方高等院校已有的平面加载框架系统升级为能实现平面外加载，实现能在多个平面同步施加荷载的空间加载系统，以较少花费实现结构试验室的功能升级。
本发明的有益效果是：
将本发明应用于将已有平面加载框架系统升级为空间加载的系统，根据用户的需求，提出了多个升级模块，以实现不同的升级目的。本发明用较低的成本，获得结构试验时的空间加载效果。
附图说明
图1a-图1d是已有的平面加载框架图，其中图1a是已有平面加载框架的立面图，图1b是图1a的A-A向剖视图，图1c是图1a的 B-B向剖视图，图1d是图1a的C-C向剖视图。
图2a-图2d是用于本发明方法的新增的底座构造图，其中图2a是的立面图，图2b是图2a的A-A向剖视图，图2c是图2a的B-B 向剖视图，图2d是底座顶部的加载连接头的构造图。
图3a-图3e是用于本发明方法的升级加载系统用的新增组件(反力梁、反力柱、钢底墩等)及其与已有平面加载框架位置关系的示意图，其中图3a是反力梁和反力柱等新增组件与已有平面加载框架组成的平面图，图3b是图3a的A-A向剖视图，图3c是图3a的B-B 向剖视图，图3d是图3c的C-C向剖视图,图3e是图3c的D-D向剖视图。
图4a-图4d是用于本发明方法的升级的第一模块方案及应用例子的加载示意图，其中图4a是第一模块的方案的平面图，图4b是图4a的A-A向剖视图，图4c是图4a的B-B向剖视图，图4d是升级模块应用例子加载示意图——空间网格结构节点施加平面外弯矩。
图5a-图5d是用于本发明方法的升级的第二模块方案及应用例子的加载示意图，其中图5a是第二模块的方案的平面图，图5b是图5a的A-A向剖视图，图5c是图5a的B-B向剖视图，图5d是升级模块应用例子加载示意图——框架柱施加轴力和两个方向水平荷载作用。
图6是本发明的平面加载系统升级为空间加载系统的设计方法 流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
说明书附图的部件编号：已有平面加载系统的框架柱1、已有平面加载系统的底部框架梁2、已有平面加载系统的顶部框架梁3、已有平面加载系统中施加竖向荷载的伺服仪4、已有平面加载系统中施加水平荷载的伺服仪5、底部框架梁翼缘上的螺栓孔6、框架柱翼缘上的螺栓孔7、顶部框架梁翼缘上的螺栓孔8、构成底座主体的圆钢管9、底座的底板10、底座的顶板11、底座的底板上的加劲肋12、底座的顶板上的加劲肋13、底座顶部用来连接试件并实现铰支座的连接头14、底部反力梁15、顶部反力梁16、支承底部反力梁的钢制底墩17、反力柱18、高强螺栓19、钢制底墩的底板20、钢制底墩的顶板21、锚板22、埋入地下的混凝土墩23、埋入混凝土且锚固钢制底墩用的中间锚栓24、埋入混凝土且锚固钢制底墩用的角部锚栓25、由双槽钢构成的格构式反力梁的缀板26、KK型节点试件27、KK型节点试件中的腹杆28和弦杆29、将伺服仪固定在柱上或梁上的锚栓 30、受轴压力和双向弯矩作用的试件31、新增施加水平荷载的伺服仪32。
本发明基于钢结构基本理论，针对很多地方高校既有的平面加载框架系统难以实现越来越复杂的科研需求，本着尽量利用现有条件和节约成本，提出了将现有平面加载框架系统升级为空间加载框架的设计方法。本发明首先确定升级模块方案，然后跟试验室已有场地条件，加工制作组件，然后组装到现有加载平面加载框架上。比如，选择模块2：增加1个垂直于原平面加载框架系统的新平面加载框架，则要制作底部反力梁15和顶部反力梁16各一根，2根反力柱18，2个钢制底墩17，若干个底座11和底座连接头14。开挖地面并放置锚栓 24和25后现浇形成混凝土墩23，将钢制底墩17通过锚栓24和25 锚固于地面；再将用槽钢和缀条26制成的反力梁15的两端通过高强螺栓固定于钢制底墩17，反力梁15和16的中部通过高强螺栓分别连接于已有平面加载系统的框架梁2和3上，反力柱18通过高强螺栓连接于反力梁15和16的两端；最后将竖向伺服仪4通过锚栓固定在顶部反力梁16上，水平伺服仪5和32通过锚栓分别固定在反力柱 18和框架柱1上，如此形成能实现竖向荷载和两个水平方向荷载的典型空间加载系统。
上述可用于将已有平面加载系统升级为空间加载系统的发明，其设计计算包括如下步骤：
步骤S1，根据已有平面加载系统伺服仪的最大输出荷载T确定底座(实现试件的支座功能)的截面尺寸d×t(圆钢管直径和壁厚)，并设计底座底板(尺寸b0×h0×t0)和相关锚栓(或螺栓)；
步骤S2，反力梁近似为两跨连续梁，根据试验室可用空间和升级需求确定反力梁跨度lb，反力梁与原有平面加载框架构成能给试件施加平面外弯矩的加载系统；
步骤S3，反力梁采用H型钢梁、或两个槽钢组合成的格构梁，根据伺服仪最大输出荷载进行反力梁设计；
步骤S4，根据反力梁的截面高度hb和原有平面框架净高Hf确定反力柱长度lc，反力柱选用四块板焊接而成的箱型截面梁；
步骤S5，由反力梁和反力柱构成新平面加载框架垂直于老的(即已有的)平面加载框架，用螺栓将反力梁和已有加载框架梁连接在一起形成空间加载系统，反力梁和反力柱之间也采用螺栓连接，设计这些螺栓；
步骤S6，根据用户需求，选择不同模块的加载系统升级方案。
步骤S1中，底座长度ldz跟试件长度和已有加载框架的尺寸有关、但通常小于0.5倍加载框架净高度Hf。因此底座可偏安全地视为底部(下端)固定、上端自由、长0.5Hf、承受轴压力N(竖向伺服仪最大输出荷载T1)的柱，按照轴压稳定构件计算确定截面。如某高校的已有加载框架的净高度Hf＝4.0m，竖向伺服仪最大荷载为 1000kN，则偏安全地认为底座计算长度lodz＝2×0.5Hf＝4m，初选底座截面为245×12mm2的Q345钢管，则查钢管规格表得到回转半径 i＝82.5mm，计算长细比λ＝48.5，查钢结构规范(GB50017-2017)附录D得稳定系数
Figure BDA0002990679110000091
计算得到底座能承受轴压力N≤ΦAf＝ 0.813×8784×305×10-3＝2178kN，大于1000kN，满足要求。
底座的顶部配有可拆卸的连接头，以便于模拟试件的铰接或固定支座，底座的底部通过底板和锚栓固定于平面加载框架的底部框架梁上或者新增的底部反力梁上。锚栓的直径根据已有加载框架梁翼缘上的孔径确定，锚栓数量n1根据承受的最大拉力T1(伺服仪最大荷载)确定。底座底板的平面尺寸b0×h0根据底座钢管外径d、螺栓(锚栓)孔的布置以及构造要求确定，底板厚度t0则根据锚栓承载力和布置，按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规(GB51022-2015) 10.2.7条的相关规定计算各个支承格区的端板厚度，底板厚度t0计算如下：
Figure BDA0002990679110000101
式中，f为钢板抗拉强度设计值，n2为布置在底板一边的螺栓(锚栓)数量，Nt一个锚栓(螺栓)抗拉承载力设计值，ew、ef为螺栓(锚栓)中心到底座加劲肋的距离。
步骤S2中，垂直于已有平面加载框架的反力梁计算时可简化为两跨连续梁；其中间支承在顶部或底部框架梁上、两端支承于反力柱或底墩，底墩通过抗拔锚杆、或混凝土墩和锚栓等固定在地面；根据试验室可利用的空间和升级需求确定新增反力梁的跨度lb。根据竖向伺服仪最大荷载计算设计抗拔锚杆、或锚栓和浇筑的混凝土量等。例如，某高校已有平面加载系统中竖向伺服仪最大荷载为1000 kN，采用开挖地面浇筑混凝土墩埋设锚栓的方式固定底墩。假设采用C30混凝土，强度为fc＝14.3MPa、ft＝1.43MPa，锚栓采用Q345 钢材，根据《混凝土设计规范》第9.7.2条计算锚栓数量、锚板面积 Ab，公式如下：
Figure BDA0002990679110000102
Figure BDA0002990679110000111
式中，N为锚栓承受的轴拉力，取伺服仪最大荷载；fc为混凝土抗压强度设计值；As为锚栓总截面面积；fy为锚栓抗拉强度设计值、且不大于300MPa；αb为锚板弯曲折减系数，αb＝0.6+25ts/ds≤1.0，ts和 ds分别为锚板厚度、锚栓直径。经计算得Ab＝139860mm2，故选锚板为450x450mm2；As＝4167mm2，选择9根直径25的锚栓(总面积4418mm2)。在根据《混凝土设计规范》第8.3.1条、8.3.2条计算锚栓的长度，如下：
Figure BDA0002990679110000112
式中，la为锚栓锚固长度；ξa为锚固长度修正系数，取1.1；α为锚栓外形系数，可按光圆钢筋取为0.16；fy为锚栓抗拉强度设计值；ft为混凝土抗拉强度设计值；ds为锚栓直径。经计算得本例la＝940mm。混凝土墩的边长应大于锚板的宽度、深度应该大于锚固长度la，此外还要验算混凝土墩的抗拔承载力是否满足要求。支承反力梁的底墩采用H型钢短柱，顶端板尺寸根据反力梁截面确定，底端板尺寸则根据锚栓布置而确定。
步骤S3中，反力梁的截面宽度要满足底座安装所需，设计成由 H型钢(三块板焊接而成)、或箱型截面(四块板焊接而成)、或两个分肢和缀板组成的格构梁。反力梁近似两跨连续梁(跨度lb)，每跨梁上常见荷载为一个竖向伺服仪传来的集中荷载，根据多跨梁理论，当一个荷载作用在跨中而相邻跨无荷载时，跨中弯矩达到最大值M1max，当两跨都跨中作用荷载时，中间支座处弯矩达到最大值 M2max，计算如下：
Figure BDA0002990679110000113
Figure BDA0002990679110000121
式中，Pmax为竖向伺服仪最大输出荷载，lb为反力梁跨度。根据最大弯矩M1max和钢材强度f算出截面模量Wx＝M1max/f，结合S1步骤确定的底座截面确定梁截面宽度，设计梁截面。如选择格构梁(譬如双肢热轧槽钢和缀板焊接而成截面)或箱型截面梁，当箱型截面梁满足《钢结构设计标准》的6.2.4条时、格构梁绕虚轴惯性矩大于绕实轴惯性矩时，则可以不用验算梁稳定性。
步骤S4中，反力柱的长度为平面框架净高减去两倍反力梁截面高度：lc＝Hf-2hb。反力柱截面设计如下：首先按照两端铰接轴心受压构件(轴力为竖向伺服仪的最大输出荷载T1)并假定一个长细比λ，算出柱截面面积Ac0并查型钢规格并选择一个宽翼缘H型钢截面(截面尺寸h×b×tw×tf)；初步确定反力柱截面为高1.1h～1.2h、宽1.1b～1.2b 的四块板(板厚度tf)焊接而成的箱型截面梁，按照两端铰接压弯构件进行反力柱的强度和稳定验算，其中轴力为T1、弯矩为水平伺服仪施加的最不利弯矩值T2lc/4(T2为水平伺服仪最大输出荷载)。
步骤S5中，反力梁(视为两跨连续梁)连接于原平面加载框架中顶梁(底梁)的螺栓群，按照螺栓杆轴方向承受拉力进行设计，总拉力取为伺服仪最大输出荷载T1。连接反力梁和反力柱的螺栓群，其螺栓按同时承受剪力和杆轴方向拉力进行承载力计算，总拉力和总剪力均取伺服仪最大输出荷载T1。连接底座和反力梁的锚栓、反力梁端部和底墩之间的锚栓，均按锚栓抗拉进行设计，总拉力取伺服仪最大输出荷载T1。
步骤S6中，根据用户需求可采用不同模块对原平面加载系统进行升级。其中，第一模块仅增加2个反力梁(垂直于原平面加载框架系统)和若干个底座，第一模块可用于施加那些需要施加平面外弯矩荷载的试件(如空间结构节点、板结构等)，第一模块还可用于试件所需要施加所有水平荷载在一个平面内、但水平荷载与同时施加的至少1个竖向荷载不在一个平面内的情况。第二模块为增加1个垂直于原平面加载框架系统的新平面加载框架(由2个反力梁和2个反力柱组成)，第二模块除了可以完成模块1的功能外，还可用于实现试件所需施加的多个水平荷载不在同一个平面内的情况，如在柱、梁柱节点等试件上实现两个水平方向的拟静力反复加载。第三模块为第二模块基础上再增加1个新平面加载框架，用于更加复杂的多点、多方向空间加载方案。

Claims (7)

1.将已有的平面加载系统升级为空间加载系统的设计方法，其特征在于：在已有平面加载框架系统的基础上，增设底座、反力梁、反力柱组件，根据用户需求，将这些组件的部分或全部与已有平面加载框架连接，以期用较少的投入，升级既有平面加载系统从而实现土木教学和科研时的空间加载方案，具体包括如下步骤：
步骤S1，根据已有平面加载系统伺服仪的最大输出荷载T确定实现试件的支座功能的底座的截面尺寸d×t，其中d为圆钢管直径，t为圆钢管壁厚，并设计底座底板和相关锚栓或螺栓，底座底板尺寸为b0×h0×t0；
步骤S2，在已有平面加载框架的基础上增加反力梁，反力梁近似为两跨连续梁，根据试验室可用空间和升级需求确定反力梁跨度lb，反力梁与原有平面加载框架构成能给试件施加平面外弯矩的加载系统；
步骤S3，反力梁采用H型钢梁、或两个槽钢组合成的格构梁、或四块板焊接而成的箱型截面梁，根据伺服仪最大输出荷载进行反力梁设计；
步骤S4，根据反力梁的截面高度hb和原有平面框架净高Hf确定反力柱长度lc，反力柱选用箱型截面梁；
步骤S5，由反力梁和反力柱构成新平面加载框架垂直于已有的平面加载框架，用锚栓或螺栓将反力梁和已有加载框架梁连接在一起形成空间加载系统，反力梁和反力柱之间也采用锚栓或螺栓连接，进行这些锚栓或螺栓设计；
步骤S6，根据用户需求，选择不同模块的加载系统升级方案，第一模块为在平面加载框架系统基础上仅增加2个反力梁，第二模块为增加1个垂直于原平面加载框架系统的新平面加载框架，新平面加载框架由反力梁和反力梁各2根构成，第三模块为第二模块基础上再增加1个新平面加载框架。
2.根据权利要求1所述的将已有的平面加载系统升级为空间加载系统的设计方法，其特征在于：所述步骤S1中，将底座视为底部固定、上端自由、长0.5Hf、承受轴压力N、竖向伺服仪最大输出荷载T1的柱，按照轴压稳定构件计算确定截面；底座的顶部配有可拆卸的连接头，连接头用于模拟试件的铰接或固定支座、底座的底部通过底板和锚栓或螺栓固定于平面加载框架的底部框架梁上或者新增的底部反力梁上；锚栓或螺栓的直径根据已有加载框架梁翼缘上的孔直径确定，锚栓或螺栓数量n1根据竖向伺服仪最大输出荷载T1确定，底板的平面尺寸b0×h0根据底座截面钢管外径d、锚栓或螺栓孔的布置以及构造要求确定，底板厚度t0则根据锚栓或螺栓受拉承载力和布置按照不同支承分区计算得到，底板厚度t0计算如下：
Figure FDA0003786064010000021
式中，f为钢板抗拉强度设计值，Nt为一个锚栓或螺栓抗拉承载力设计值，ew、ef为锚栓或螺栓中心到底座加劲肋的距离。
3.根据权利要求1所述的将已有的平面加载系统升级为空间加载系统的设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，反力梁视为两跨连续梁，垂直于已有平面加载框架，反力梁中间支承在平面框架的顶部或底部框架梁上、两端支承于反力柱或固定在地面的墩子，再根据试验室可利用的空间和能实现最大试件的尺寸的升级需求确定新增反力梁的跨度lb。
4.根据权利要求1所述的将已有的平面加载系统升级为空间加载系统的设计方法，其特征在于：所述步骤S3中，反力梁的截面宽度必须满足底座安装所需，根据截面宽度要求可以设计成H型钢梁、或两个槽钢组成的格构梁、或箱型截面梁；反力梁视为承受底座传来的集中力作用的两跨连续梁，集中力最大值取为竖向伺服仪最大输出荷载，根据连续梁理论求出反力梁承受的最大弯矩，再算出截面模量后进行设计反力梁的截面；反力梁近似两跨连续梁，跨度lb，每跨梁上常见荷载为一个竖向伺服仪传来的集中荷载，根据多跨梁理论，当一个荷载作用在跨中而相邻跨无荷载时，跨中弯矩达到最大值M1max，当两跨都跨中作用荷载时，中间支座处弯矩达到最大值M2max，计算如下：
Figure FDA0003786064010000031
Figure FDA0003786064010000032
式中，Pmax为竖向伺服仪最大输出荷载，lb为反力梁跨度；根据最大弯矩M1max和钢材强度f算出截面模量Wx＝M1max/f，结合S1步骤确定的底座截面确定梁截面宽度，设计梁截面。
5.根据权利要求1所述的将已有的平面加载系统升级为空间加载系统的设计方法，其特征在于：所述步骤S4中，反力柱的长度为平面框架净高减去两倍反力梁截面高度：lc＝Hf-2hb；反力柱截面设计如下：首先按照两端铰接轴心受压构件，轴力为竖向伺服仪的最大输出荷载T1，并假定一个长细比λ，算出柱截面面积Ac0并查型钢规格表初步选择一个宽翼缘H型钢截面，截面尺寸h×b×tw×tf；初步选反力柱截面为高1.1h～1.2h、宽1.1b～1.2b板厚度tf的四块板焊接而成的箱型截面梁，按照两端铰接压弯构件进行反力柱的强度和稳定验算，其中轴力为竖向伺服仪的最大输出荷载T1、弯矩取为水平伺服仪施加的最不利弯矩值T2lc/4，T2为水平伺服仪最大输出荷载。
6.根据权利要求1所述的将已有的平面加载系统升级为空间加载系统的设计方法，其特征在于：所述步骤S5中，反力梁和原有平面加载系统的框架梁之间、反力梁和反力柱之间、反力梁和底部墩子之间都通过锚栓或螺栓连接，这些锚栓或螺栓受拉、或受剪、或拉和剪共同作用，进行锚栓或螺栓设计；反力梁和反力柱之间的锚栓或螺栓连接，按照承受拉力即竖向伺服仪最大荷载T1和剪力即水平伺服仪最大荷载T2的锚栓或螺栓群计算。
7.根据权利要求1所述的将已有的平面加载系统升级为空间加载系统的设计方法，其特征在于：所述步骤S6中，根据用户需求采用不同模块对原平面加载系统进行升级，其中，第一模块为仅增加2个垂直于原平面加载框架系统的反力梁、以及若干个底座，第一模块用于能对试件形成平面外弯矩作用效果的加载装置，第一模块还用于试件所需要施加的所有水平荷载在一个平面内、但施加的竖向荷载不在这个平面内的情况；第二模块为增加1个垂直于原平面加载框架系统的新平面加载框架，第二模块还能实现试件所需施加的水平荷载不在同一个平面内的情况，在柱、梁柱节点试件上实现两个水平方向的拟静力往复加载；第三模块为第二模块基础上再增加1个新平面加载框架，用于复杂结构的多点、多方向空间加载方案。
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