CN117647391A - 一种测量树状空间节点受力情况的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程结构试验技术领域，具体是一种测量树状空间节点受力情况的试验方法，装置包括筏板基础，所述筏板基础上固定安装有反力架，反力架的内部形成有容纳树状空间节点的容腔；树状空间节点布置在容腔内，且树状空间节点的主管铅垂固接在筏板基础上，容腔的上部空间内布置有可对树状空间节点中的各个支管同时施加设定数值的力并检测树状空间节点所受合力的测力组件。本发明能够同时准确地对树状空间节点中的各支管进行静力加载，进而有效地预知树状空间节点整体的工作状况。

Description

一种测量树状空间节点受力情况的试验方法

技术领域

本发明涉及工程结构试验技术领域，具体是一种测量树状空间节点受力情况的试验方法。

背景技术

随着钢结构在建筑工程领域中的发展与应用，一些大型公共建筑，如体育场或机场的屋顶均采用空间钢结构制成，并通过多个铸钢节点对空间钢结构进行支撑，以使空间钢结构矗立在地面上。

铸钢节点属于树枝状空间节点中的一种，在实际荷载工况下，铸钢节点由于受到多个外力的作用，导致其内部所受应力复杂多变，计算难度较大。铸钢节点中的各个支管形状复杂，且所处位置均不相同；同时各个支管汇聚在主管上，一部分支管受拉，另一部分支管受压，各个支管在同一时刻的受力状态不一，进而使汇聚到主管上的力也各不相同，导致在使用现有技术中的检测设备时，难以准确按照实际的情况对各个支管同时进行施力检测，进而无法有效地还原铸钢节点的实际工作状况。

由于树状空间节点的主枝汇集了各个分枝传来的荷载，其需要的反力数值巨大，这造成了制作完全的钢制反力架存在较大难度，导致反力架底部钢梁的尺寸变大，增大了用钢量，影响试验的安全性。

发明内容

为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种测量树状空间节点受力情况的试验方法及试验方法。本发明的装置能够有效而准确地对树状空间节点中的各支管进行静力加载，进而有效地预知树状空间节点整体的工作状况。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种测量树状空间节点受力情况的试验方法，包括以下步骤：

S1、构建筏板基础，并使筏板基础的上端面水平布置，同时在筏板基础上安装反力架；

S2、根据空间钢结构的具体结构和受力情况，按照等比例缩小的方式制造对应的树状空间节点，并根据等比例缩小的结果计算该树状空间节点中各个支管相对应的受力情况；

S3、将树状空间节点安装在反力架和筏板基础上；

S4、根据各个支管的受力情况，确定各个支管对应的测力组件的类型，并将确定好的测力组件安装到反力架上对应的位置处；

S5、根据各个支管的受力情况，同时启动各个测力组件对各个支管进行施力，并通过载荷传感器实时调整施力数值，以还原树状空间节点的受力状态。

作为本发明再进一步的方案：包括筏板基础，所述筏板基础上固定安装有反力架，反力架的内部形成有容纳树状空间节点的容腔；

树状空间节点布置在容腔内，且树状空间节点的主管铅垂固接在筏板基础上，容腔的上部空间内布置有可同时对树状空间节点中的各个支管沿对应支管轴向施加设定数值的力并检测树状空间节点所受合力的测力组件。

作为本发明再进一步的方案：所述反力架包括杆长方向水平布置的横梁，各个横梁依次首尾相接构成回环；回环的下环面上沿着回环环向依次布置有两组以上的用于将回环悬空支撑在筏板基础上的立柱，立柱的底部固接在筏板基础上。

作为本发明再进一步的方案：回环下方的空间构成安放树状空间节点的容腔；反力架还包括布置在容腔底部且用于对树状空间节点进行水平方向定位的辅助定位架；

辅助定位架包括可同轴套设在树状空间节点的主管管身上的锁紧套，锁紧套的外侧沿着锁紧套周向依次布置有数量与立柱数量相适配的定位梁；定位梁的长度方向水平布置，且定位梁的另一端固定连接在对应的立柱上。

作为本发明再进一步的方案：所述测力组件包括压力组件和拉力组件；

所述压力组件包括可同轴固接在支管管口上的封头板，以及同轴套接并可锁定在横梁上的定位套，在定位套和封头板之间抵接安装有与支管同轴布置且对封头板施加轴向压力的压力伸缩杆；压力伸缩杆的伸缩端和封头板的盘面之间压紧布置有用于测量压力伸缩杆施加的压力大小的载荷传感器；

所述拉力组件包括可同轴固接在支管管口上的封头板，以及同轴套接并可锁定在横梁上的定位套，在定位套远离封头板的一侧布置有穿心伸缩杆，穿心伸缩杆的轴线与支管的轴线彼此重合；钢绞绳的尾端固定在封头板上，钢绞绳的前端依次穿过定位套和横梁，并由穿心伸缩杆的轴心孔穿出穿心伸缩杆；钢绞绳的前端与限位板彼此固接，穿心伸缩杆的伸缩端抵紧在限位板上，以沿支管轴线拉紧钢绞绳，且在穿心伸缩杆的伸缩端和限位板之间还夹紧布置有用于测量穿心伸缩杆施加的压力大小的载荷传感器。

作为本发明再进一步的方案：所述定位套同轴滑动布置在横梁上，且定位套的外侧面上沿着定位套轴向依次开设有两组以上的定位螺孔，定位螺孔内旋紧有定位螺栓，且定位螺栓的前端抵紧在横梁的梁身上，以锁定定位套。

作为本发明再进一步的方案：所述定位套上安装有板面与对应封头板盘面彼此平行的定位板，压力伸缩杆和穿心伸缩杆均垂直布置在对应的定位板上。

作为本发明再进一步的方案：所述钢绞绳的前端穿过限位板，并同轴套接在锁扣的内部；锁扣构成绳节结构，以避免限位板向钢绞绳前端移动。

作为本发明再进一步的方案：所述筏板基础为钢筋混凝土结构，包括两根主梁和一根次梁，两根主梁分别布置在次梁的两端，以配合次梁构成H型梁板结构；

筏板基础中的钢筋结构包括两组横放的主梁钢筋笼、一组横放的次梁钢筋笼和两组以上的J型柱脚锚栓；

J型柱脚锚栓包括两个以上的J型的锚钩，位于同一组J型柱脚锚栓内的各个锚钩绕设定圆周方向依次均匀分布，以构成圆柱形钢筋笼；

J型的锚钩底部由下而上勾接在对应钢筋笼的纵筋上，且锚钩的顶部沿铅垂方向由下而上地延伸出混凝土，以构成地脚螺栓。

作为本发明再进一步的方案：同轴插设在锁紧套内的主管的底部同轴固接有第二法兰盘，第二法兰盘通过主管正下方的地脚螺栓固定安装在筏板基础上；

各个立柱的底部均固接有第一法兰盘，各个立柱均通过第一法兰盘与对应的地脚螺栓配合，以固定安装在筏板基础上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中由于树状空间节点主管所受的合力较大，使用钢制的反力架与筏板基础协同受力，将试验用的钢制反力架设计成不完全的自反力装置，能够有效地减少反力架的用钢量，并同时增加反力架在试验过程中的可靠性。

2、本发明中反力架的四个柱脚位置处和树状空间节点中主管底部的柱脚位置处，均会受到铅垂向上的拉拔力，于是采用筏板基础来代替抗拔桩基础和大体积的独立基础，并通过利用主梁和次梁将各个柱脚处受到的力有效地传递给筏板基础，使得装置整体受力分配更加合理。

3、本发明采用的J型的锚钩，与主梁和次梁配合，能够形成稳定的受力连接，进而保证试验过程的稳定，同时也能够减少钢材的用料和混凝土的用料，降低试验成本。

4、本发明在树状中间节点的柱脚处和反力架的各个柱脚处设置了定位梁，可以解决试验中由于各个支管受力大小和受力方向的差异，导致主管底部的柱脚处产生较大的水平剪力，从而出现主管底部的柱脚处产生滑移的现象。

5、本发明可以根据实际情况，对树状空间节点进行等比例尺缩小，以减少试验装置的尺寸和降低力的加载吨位。

6、千斤顶、定位板、封头板和定位套之间的配合，能够实现对树状空间节点加载拉压两种工况。

7、针对不同的试验内容，树状空间节点中的各个支管的分叉角度不同，通过球节点可以使相邻的立柱和横梁呈现不同的角度，进而满足支管多分叉角度的需求，以便顺利地完成试验。

8、本发明通过横梁、立柱以及球节点的配合构成反力架，从而能够针对不同工程项目中不同树枝分杈角度，提供便于调整并适应试验的框架结构。由于树状节点主管所受到的合力值较大，使用钢制反力架与筏板基础协同受力，能够减少用钢量，增大可靠性。

9、本发明提供的反力架装置，将待测树枝状空间节点放置在反力架的内部，并在各个支管上布置拉力组件或者压力组件，能够根据试验受压或受拉工况按加载情况进行施力。通过布置在反力架和树枝状空间节点之间的千斤顶和载荷传感器，可进行受压工况试验；通过放置在反力架外侧的穿心千斤顶和钢绞线，可进行受拉工况试验；通过两种不同的方式测试对应的施力情况，能够有效地提高施力的准确性。反力架装置结构简单，设置方便，能够极大简化现有工程中对树枝状空间节点测试的流程，并提供符合理论模拟的试验结果，为工程提供可靠参考。

10、辅助定位架包括可套接在树状空间节点主管管身上的锁紧套，锁紧套的外壁上沿锁紧套周向依次布置有四根定位梁，定位梁的另一端与该底面上的临近交点依次固接，进而将树状空间节点的主管锁定在该底面中，避免主管产生水平方向上的移动，以消除剪切应力对主管的影响。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中钢筋结构裸露的整体结构示意图。

图3为本发明中树状空间节点的结构示意图。

图4为本发明中反力架的结构示意图。

图5为本发明中筏板基础的钢筋结构示意图。

图6为本发明中J型柱脚锚栓的结构示意图。

图7为本发明中压力组件的结构示意图。

图8为本发明中拉力组件的结构示意图。

图9为本发明中球节点处压力组件的安装结构示意图。

图10为本发明中铸钢节点1:2缩尺模型。

图11为本发明中铸钢节点1:2缩尺模型的加载试验网格划分图。

图中：10、筏板基础；11、主梁钢筋笼；12、次梁钢筋笼；13、J型柱脚锚栓；131、锚钩；20、反力架；21、横梁；22、立柱；221、第一法兰盘；23、拉结梁；24、辅助定位架；241、定位梁；242、锁紧套；25、球节点；30、树状空间节点；31、主管；32、支管；33、第二法兰盘；40、测力组件；401、定位杆；402、封头板；403、连接基座；404、载荷传感器、405、定位套；4051、定位螺孔；4052、定位螺栓；406、定位板；41、拉力组件；411、钢绞绳；412、穿心伸缩杆；413、限位板；414、锁扣；42、压力组件；421、压力伸缩杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在实际的工程应用中，铸钢节点上的各个支管在受力的过程中是彼此相互影响的，并且各个支管会将受到的合力传递给主管，由主管承受合力的作用。尽管上述现有技术能够通过应力测试装置对铸钢节点上的各个支管进行应力检测，但是无法对各个支管同时受力的情况进行检测，进而导致难以对照实际情况获取各支管同时受力时，主管的受力情况，以至于无法估计铸钢节点的工作状态。由于难以准确地预知铸钢节点的工作状态是否处于安全限制范围内，导致无法制定安全有效的应对策略，以至于在工程应用中存在巨大的安全隐患，因此这个问题也可以采用本发明进行解决。

如图1到图11所示，树状空间节点30包括直筒状的主管31，主管31的顶部固定安装有多支直筒状的支管32，且各个支管32均向上倾斜或垂直布置，以使主管31的顶端形成树枝状结构。在主管31的底部还同轴焊接有第二法兰盘33，以便通过常规的法兰盘的连接方式将树状空间节点30安装在筏板基础10上。

各个支管32的长度、直径和倾斜角度可以相同，也可以存在差异。主管31的直径通常大于各个支管32的直径，以便于为支管32提供更高的支撑力。

在常规的设计过程中，主管31和支管32通常采用铸钢材料制成。采用铸造工艺时，提前根据设计要求，构建好浇筑模型，然后向浇筑模型中灌注浇筑材料，待冷却定型即可形成完整的树状空间节点30。

树状空间节点30通常作为一些大型框架结构的支撑脚，为框架结构提供一个稳定可靠的支撑，以使框架结构安全矗立在地面上。树状空间节点30中的各个支管32与框架结构中对应的各个连接端依次固接，同时主管31铅垂布置且与预埋在土壤中的钢骨混凝土柱固接在一起，以构成框架结构的支撑脚。

树枝状空间节点整体浇筑成型，刚度大且整体性好，抗疲劳以及抗震性能优异，具有良好的加工性和适应性，可根据建筑需要加工出复杂多样的造型。

筏板基础10为钢筋混凝土结构，包括两根主梁和一个次梁，两根主梁分别布置在次梁的两端，以构成H型梁结构。H型梁结构能够在满足试验强度要求的同时，减小钢筋混凝土构件的体积，避免使用大体积基础和深基础。

筏板基础10的钢筋结构包括主梁钢筋笼11、次梁钢筋笼12和J型柱脚锚栓13。主梁钢筋笼11和次梁钢筋笼12的结构和常规钢筋笼结构相同，均是在多根横放的纵筋外侧围布多组环筋，进而构成横放的长方体状的钢筋笼结构。

筏板基础10中共包含两组主梁钢筋笼11和一组次梁钢筋笼12，并且两组主梁钢筋笼11分别布置在次梁钢筋笼12的两端，进而构成一个H型的钢筋笼结构。

筏板基础10中共使用了五组J型柱脚锚栓13，其中四组用来固定反力架20的四个立柱22，剩余一组用来固定树状空间节点30的主管31。

对于用于固定立柱22的J型柱脚锚栓13，各个J型柱脚锚栓13分别安装在主梁钢筋笼11的端部，并通过常规的钢筋笼编制方式与主梁钢筋笼11进行连接。J型柱脚锚栓13包括多个J型的锚钩131，同一个J型柱脚锚栓13内的各个锚钩131绕反力架20中第一法兰盘221的轴线依次均匀布置，以形成一个圆柱状的钢筋笼结构，且该钢筋笼结构中的各个锚钩131与主梁钢筋笼11的底筋通过铁丝彼此旋紧在一起，以将J型柱脚锚栓13固定在主梁钢筋笼11的端部，实现对反力架20的定位和受压传力。

通过J型柱脚锚栓13将反力架20和筏板基础10连接成一个整体，在测试阶段，反力架20能够精准地将拉力传递给主梁，以造成主梁产生两端上翘的趋势，进而使主梁产生对应的上弯矩。

对于用于固定树状空间节点30的J型柱脚锚栓13，该J型柱脚锚栓13安装在次梁钢筋笼12的中部，也是通过常规的钢筋笼编制方式与次梁钢筋笼12进行连接。该J型柱脚锚栓13内的各个锚钩131绕树状空间节点30中第二法兰盘33的轴线依次均匀布置，且该J型柱脚锚栓13中的各个锚钩131与次梁钢筋笼12的底筋通过铁丝彼此旋紧在一起，以将J型柱脚锚栓13固定在次梁钢筋笼12的端部。

J型的锚钩131包括两个部分，分别是直杆段和弯杆段，弯杆段连接在直杆段的底部，进而构成一个可由钢筋弯折而成的一体成型的J型的锚钩131。锚钩131顶部外圆周上开设有外螺纹，以构成螺纹段。锚钩131底部的弯管段向内弯折，并由下而上钩住主梁钢筋笼11中的底筋或者是次梁钢筋笼12中的底筋，以增加锚钩131的抗拔能力。

根据设计的要求，先开挖出基坑，然后在基坑中搭建好砖模，接着按照反力架20和树状空间节点30的尺寸对筏板基础10中的各个钢筋笼的尺寸进行调整。在砖模中编制好各个钢筋笼，再向砖模内灌入混凝土浆，并使混凝土浆覆盖淹没钢筋笼，最后等待混凝土浆凝固，此时筏板基础10构建完成。砖模可以免拆模，避免进行较大基坑的开挖，降低工作强度，减少试验成本。筏板基础10的上端面在浇筑完混凝土后，通过施工工艺的处理，使筏板基础10的上板面为水平面，以保证安装在筏板基础10上的树状空间节点30和反力架20均满足平整度要求，确保主管31所受合力的方向沿竖直方向分布。

在浇筑混凝土浆之前，需要提前预设锚钩131顶端的伸出长度，以便在混凝土浆凝固后，锚钩131顶端露出的长度满足固定第一法兰盘221和第二法兰盘33的要求。

反力架20为由多根彼此依次连接的梁构成的中空的六面体框架，各个梁分别构成六面体框架对应的各条边。其中位于同一面上的四个交点构成反力架20与地面接触的支撑点，在支撑点处固接有第一法兰盘221，通过预埋在筏板基础10中的锚钩131与第一法兰盘221的连接将反力架20固定在筏板基础10上，以进行下一步试验操作。

反力架20有多种形状，其中一种反力架20为上小下大的中空的四棱台框架，四棱台框架的底面为长方形，四棱台框架的顶面为梯形，且该顶面向该梯形的顶边倾斜布置。

四棱台框架顶面的四根梁称为横梁21，四棱台框架侧面的四根梁称为立柱22，四棱台框架底面的四根梁称为拉结梁23。拉结梁23可以根据实际的情况进行安装，可以安装，也可以不安装。

四棱台框架顶面四角处的横梁21和立柱22通过球节点25彼此固接在一起。四棱台框架底面四角处拉结梁23的端部固接在立柱22的柱身上，并且立柱22的底端沿着立柱22轴线向下延伸一小段长度。立柱22的底端为水平切口，并且在其底端通过焊接的方式同圆心固定安装有水平布置的第一法兰盘221，以便于通过第一法兰盘221将反力架20固定在筏板基础10上。

在反力架20内还布置有X型的辅助定位架24，辅助定位架24的四个端部分别与反力架20底面的各个交点彼此固接。

辅助定位架24包括可套接在树状空间节点30主管31管身上的锁紧套242，锁紧套242的外壁上沿锁紧套242周向依次布置有四根定位梁241，定位梁241的另一端与该底面上的临近交点依次固接，进而将树状空间节点30的主管31锁定在该底面中，避免主管31产生水平方向上的移动，以消除剪切应力对主管31的影响。

在筏板基础10设置完成后，首先将反力架20抬至上端面水平布置的筏板基础10上的安装位置处，将反力架20中第一法兰盘221上的通孔与锚钩131的顶端对齐，并锚钩131顶端的螺纹段插入该通孔中，然后在锚钩131上拧紧紧固螺母，以将反力架20稳定地固定在筏板基础10上。

当反力架20固定完成后，开始安装固定树状空间节点30。首先将第二法兰盘33安装在对应的锚栓上，接着将树状空间节点30的主管31同轴穿过锁紧套242，使主管31的底端同轴抵紧在第二法兰盘33的上盘面上，并使主管31的底端与第二法兰盘33彼此焊接在一起，然后通过紧固螺母将第二法兰盘33固定在筏板基础10上。此时，锁紧套242的轴线、圆柱状钢筋笼的轴线、定位环的轴线和主管31的轴线均同轴布置。在选取锁紧套242时，需要与主管31的直径相匹配，这样当支管32套接在锁紧套242内时，主管31的外壁与锁紧套242的内壁彼此紧密贴合，进而避免主管31产生水平方向的位移，以消除在树状空间节点30受到水平力的作用时，因出现水平位移而对锚钩131的顶端进行剪切，提高试验过程的安全性。

在树状空间节点30安装完成之后，树状空间节点30位于反力架20内部的空间中，此时就可以在各个支管32和反力架20之间安装用于提供测试力的测力组件40了。

测力组件40包括两种类型，一种是拉力组件41，另一种是压力组件42。

压力组件42包括前端可同轴插入直杆内的定位杆401，定位杆401的尾端同轴固接有一个圆盘状的封头板402。封头板402抵紧在支管32的管口处，避免定位杆401继续伸入支管32内。还包括同轴套接在反力架20横梁21或立柱22上的定位套405。定位套405的内径稍大于对应的横梁21直径或立柱22直径，这样定位套405套接在横梁21或者是立柱22上时，能够绕着横梁21或者立柱22的轴线转动，并且可以沿着横梁21或者立柱22的轴向进行往复滑动，以调整定位套405的位置，进而便于准确地测力。压力组件42还包括一个压力伸缩杆421，压力伸缩杆421采用的顶升千斤顶。顶升千斤顶的伸缩方向与对应的支管32的轴向彼此重合。顶升千斤顶的固定端与定位套405固接在一起，顶升千斤顶的伸缩端垂直抵接在封头板402的盘面上，并且在该伸缩端和封头板402的盘面之间压紧布置有用于测试顶升千斤顶对封头板402施加的压力大小的载荷传感器404。

为了顶升千斤顶施力的过程处于一个相对的稳定的状态，在定位套405上沿着定位套405的周向开设有多个定位螺孔4051，当将定位套405旋转滑动到对应的位置时，通过定位螺栓4052与定位螺孔4051形成螺纹连接，并且定位螺栓4052的前端抵紧在横梁21或者是斜梁的梁身上，进而将定位套405锁定在横梁21或者是立柱22上。当定位套405固定好后，将定位杆401插入对应的支管32中，然后将顶升千斤顶和载荷传感器404安装在定位套405和封头板402之间，并使顶升千斤顶的伸缩方向与支管32轴向彼此重合，此时在定位套405上焊接一个板面与对应的封头板402盘面彼此平行的定位板406，进而将顶升千斤顶的固定端固接在定位板406的板面上，且此时顶升千斤顶的伸缩方向与定位板406的板面彼此垂直。

在实际使用的过程中，由于树状空间节点30上的支管32的长度不一，当出现某一根支管32和对应的定位板406之间的距离大于顶升千斤顶的伸缩极限时，此时需要在载荷传感器404和封头板402之间固定夹设一个长方体状的连接基座403，可以通过焊接的方式将连接基座403固定在封头板402上，进而将支管32和对应的定位板406之间的距离缩小至顶升千斤顶的伸缩极限内，以便于顶升千斤顶对支管32进行施加压力，并通过载荷传感器404测试压力的大小。

拉力组件41同样包括前端可同轴插入直杆内的定位杆401，定位杆401的尾端同轴固接有一个圆盘状的封头板402，封头板402抵紧在支管32的管口处，避免定位杆401继续伸入支管内。在测试拉力时，需要将封头板402焊接在支管32的杆口处。在封头板402的外盘面上也焊接有一个连接基座403，并且在连接基座403的远离封头板402的一端面上开设有一个通孔。通孔内穿设有一根钢绞绳411，钢绞绳411的前端穿过该通孔后，并再次穿过位于连接基座403内部的限位板413，并在钢绞绳411的前端安装一个限制钢绞绳411拔出限位板413的锁扣414，进而使钢绞绳411能够沿着支管32的轴向拉紧连接基座403，且拉直后的钢绞绳411的轴线与支管32轴线彼此重合。拉力组件41也包括同轴套接在反力架20横梁21或立柱22上的定位套405，定位套405的内径稍大于对应的横梁21直径或立柱22直径，这样定位套405套接在横梁21或者是立柱22上的时候，能够绕着横梁21或者立柱22的轴线转动，并且可以沿着横梁21或者立柱22的轴向进行往复滑动，以调整定位套405的位置，进而便于准确地测力。

还包括一个穿心伸缩杆412，穿心伸缩杆412采用的是穿心千斤顶。穿心千斤顶的伸缩方向与对应的支管32的轴向彼此重合。伸缩杆的固定端与定位套405上的定位板406固接在一起，该拉力组件41中的定位板406和定位套405的定位连接方式与压力组件42中的相同。

在定位套405的位置固定好之后，钢绞绳411的尾端依次穿过定位套405，并由穿心千斤顶的固定端沿着穿心千斤顶的轴线穿设到穿心千斤顶的伸缩端，并在钢绞绳411的尾端采用相同的方式安装限位板413和锁扣414，进而在穿心千斤顶伸长时，能够通过沿着支管32轴线方向伸展的钢绞绳411将拉力传递给支管32。在实际使用的过程中，将载荷传感器404夹紧安装在穿心千斤顶的固定端和连接基座403之间，进而测试穿心千斤顶对支管32施加的拉力。锁扣414采用的是一个环形套管，套接在钢绞绳411上时，通过外力使其变形，进而包覆锁死在钢绞绳411的端部，避免钢绞绳411在工作的过程中发生移动。在安装穿心千斤顶和顶升千斤顶的过程中，可以按照上述描述的方式进行安装，也可以按照上述描述的方式旋转180度进行安装。旋转180度的安装方式能够使穿心千斤顶和顶升千斤顶的底部直接固定在支管32的管口处，然后通过伸长穿心千斤顶和顶升千斤顶，以确定定位套405的位置，最终将穿心千斤顶和顶升千斤顶的另一端固定在反力架20上，以完成试验。同时在安装载荷传感器404时，在穿心千斤顶和顶升千斤顶的前端有一小段圆柱状的凸起，可以使穿心千斤顶和顶升千斤顶的前端形成一个轴肩结构，在固定载荷传感器404时，直接将载荷传感器404套接在该轴肩结构上，接着再将载荷传感器404抵紧的定位板406或者是封口板402上。这个轴肩结构，能够对载荷传感器404进行有效的定位，避免载荷传感器404在试验的过程中出现移位的情况发生，进而准确地检测各个支管32的受力情况。

当支管32的伸长角度比较合适时，可以使用定位套405和定位板406的方式进行伸缩杆的安装，但是当支管32的轴线穿过反力架20顶部的交点时，此时就不适合使用定位套405，可以直接在交点的外侧或者是内侧焊接定位板406，以满足伸缩杆的安装。

按照上述的结构组成方式将筏板基础10、反力架20、树状空间节点30和测力组件40依次组装连接在一起，接着按照设定的施力方式驱动各个拉力组件41或压力组件42对各个支管32进行施力。

辅助定位架24能够消除主管31在水平方向受到的合力的影响。当主管31受到的铅垂方向的合力为铅垂向下的压力时，忽略重力的作用，此时反力架20的四根立柱22受到的沿铅垂方向向下的拉力作用，以此构成由反力架20、测力组件40和树状空间节点30组成的整体的受力平衡。当主管31受到的铅垂方向的合力为铅垂向上的拉力时，忽略重力的作用，此时反力架20的四根立柱22受到的沿铅垂方向向上的推力作用，以此构成由反力架20、测力组件40和树状空间节点30组成的整体的受力平衡。

采用通用有限元软件ABAQUS对某体育场工程铸钢节点在试验荷载下的受力性能进行有限元分析，并利用本发明的装置对该铸钢节点进行加载试验验证。

该体育场混凝土平面呈椭圆形，南北向长约为236 m，东西向宽约209 m。体育场上部罩棚采用钢结构桁架结构体系，钢结构屋面采用金属屋面。体育场钢结构屋盖主要由径向桁架、环向立体矩形桁架、中部片桁架、环向立体三角锥桁架等组成，上部钢结构通过内圈和外圈支座支撑到下部混凝土结构上，底部节点支撑柱为钢骨混凝土柱。这造成支座处节点杆件汇交，在外圈支座处有 5 根杆件汇集，内圈支座处有 6 根杆件汇集。设计中需遵循“强节点，弱构件”原则，充分发挥杆件材料强度，节点不先于构件破坏，并需要对相关节点进行受力分析。

参见图10，选取代表性树状空间节点30结构进行受力分析：主管31的直径为800mm，壁厚50mm，内无加劲肋，该主管31的截面为截面6。各个支管32的截面尺寸（直径×壁厚）分别为：截面1（480×40）、截面2（245×25）、截面3（402×40）、截面4（180×20）和截面5（480×40）。

一、有限元模拟：

树状空间节点30的材质参照设定标准，其机械性能指标为：屈服强度230 MPa、极限强度450 MPa和延伸率22%。根据铸钢件制造厂家提供的数据取材料的弹性模量为2.06×10⁵MPa，波松比为0.3，屈服强度为230 MPa。

在各个支管32的形心位置建立参考点，并建立与各截面的耦合约束。边界根据实际工程情况，树状空间节点30截面底部采用固定约束；其他管端作为刚性区域，在刚性区域的形心位置建立局部坐标系并施加集中荷载。

由于弯矩剪力远远小于轴力，所以对受力情况进行了简化，忽略了弯矩与剪力对节点的影响。分析时采用的单位制为国际单位制，力的单位：N，长度的单位：m，应力单位为Pa。树状空间节点30荷载主要根据结构整体计算的各种工况，从中选取最不利工况下的杆件内力而得到。各节点荷载导出如下表1所示：

表1 树状空间节点在最不利工况下轴力（kN）

获得树状空间节点30在表1最不利荷载下的VONMISES应力分布情况，节点的应力分布具有以下规律：

（1）应力大的部位集中在杆端荷载较大的2号支管上，应力大小在50MPa左右，其余支管的端应力值都比较小，应力大小在20MPa左右。

（2）节点的最大应力值为83.8MPa，出现在2号支管和球节点的汇交处。应力峰值没有超过材料的屈服强度，节点所有区域的应力都在弹性范围之内，节点大部分区域的应力都在 100MPa 以内，由此也可推断节点所受荷载远远小于其承载力。

为使试验加载吨位和构件尺寸尽可能接近所设计的加载装置的极限加载能力，满足试件试验精度等要求，决定采用1:2的缩尺比进行试验。

在1:2的缩尺比条件下，内力的相似比即为1:4，缩尺后的相应内力如下表2所示。同时要考虑超过设计荷载后的承载力安全富裕，为后期加载预留空间，故选用1:2的尺寸相似比。

表2 1:2缩尺后树状空间节点最不利工况下轴力（kN）

获得树状空间节点30在表2最不利荷载下的VONMISES应力分布情况，可以看出：

（1）应力大的部位集中在杆端荷载较大的2号支管上，应力大小在50MPa左右，其余杆端应力值都比较小，应力大小在20MPa左右。

（2）节点的最大应力值为138MPa，出现在底座上。因是缩尺导致的部分应力集中，应力峰值没有超过材料的屈服强度，节点所有区域的应力都在弹性范围之内，节点大部分区域的应力都在100MPa以内，由此也可推断节点所受荷载远远小于其承载力。

二、加载试验验证：

将1：2缩尺模型置于本装置中，根据树状空间节点30的受力对应连接受压测试件和受拉测试件，连接各节点试验荷载如下表3-4所示（拉为正，压为负）。

表3 1:2缩尺后节点在最不利工况下轴力（kN）

表4 1:2缩尺后节点最不利工况下1.3倍轴力（kN）

试验采用分级加载，共分10级进行加载，在达到设计荷载前，每级加载量为设计荷载的15%，从0加载至1.3倍设计荷载，参见表5。加载顺序为：

1、预加载：施加设计荷载的50%，分三级加载，然后卸载，用于检查、测试各相关设备的连接、工作状态为正式加载做准备。

2、正式加载阶段：载荷步取为设计载荷的15％，逐级加载直到设计载荷的90％，然后调整载荷步为10％逐级加到设计载荷的130％；施加每级载荷后停顿3分钟，待各种响应稳定后读取数据，然后继续施加下级载荷。

3、卸载阶段：整个卸载工况也要分成10级，主要观察数据的变化情况，最终卸载完成时，仔细比对卸载后的应变能否恢复。

表5 节点工况加载制度表（单位：kN）

鉴于每个支管32仅轴向受力，受力形式简单，因此考虑在树状空间节点30杆端布置沿支管32轴向的单向应变片；而节点区即支管32与支管32交汇区，由于其受力复杂，无法判定相贯线附件支管32的主应力方向，为此在支管32相贯线附件布置45°三向应变片，以考察此处应力分布情况。

根据载荷传感器和应变采集仪得到的应变及液压千斤顶加载示数，可分别计算得到树状空间节点30对应位置的应力及支管32的端荷载值。单向应变片对应位置的应力可采用下式计算：

σ=Eε；

其中，σ表示应力，E表示弹性模量，ε表示泊松比。

对称位置处处的应力可采用下式计算：

；

其中，σ _s 表示对称位置处的应力，σ ₁表示1号支管的应力；σ ₂表示2号支管的应力；σ ₃表示3号支管的应力；同一支管32对称位置处的应变值进行平均处理，其中，弹性模量E取材性试验结果，泊松比ε取0.3。树状空间节点30中2、3号支管受力相对较大，故给出相应测点的应变变化曲线结果，及相应工况下受力较大的杆件铸钢段应变及应变折算应力对比情况。

从实验试验结果可以看出，除个别支管外，各支管在加载过程中基本呈线性变化，表明按照1.3倍设计载荷进行加载时，树状空间节点30一直处于弹性变形状态，并没有达到屈服应力；两个工况下树状空间节点30应变变化规律基本保持一致，表明铸钢试件的拉压力学性能差异不大。整个树状空间节点30加载过程中，2号支管在各支管中应变最大，达到了269 με，其应力约为56 MPa；2号和6号的主管31汇交处出现的局部应力最大，达到了104MPa，均低于钢材屈服应力365 MPa，富余度为2.5，说明试件设计合理；且该位置为2号支管32与树状空间节点30的6号主管31区域倒角位置，一方面原因是2号支管32本身为受力最大杆件，另一方面原因是该位置为支管交汇区，受力状态复杂且容易出现应力集中现象。两种工况下，ZG2-5和ZG3-5的测点位置为2、3号支管32的中部区域，相比较其余四个在支管32的端位置的测点位置来说，应变值偏小，其原因可能在于管端存在应力集中现象，应力传递到支管32中部区域时，应变趋于当前工况下支管32的真实应变值，故数值偏小。

有限元分析结果显示树状空间节点30设计安全亢余度高，但是鉴于模型建立与实际意义存在误差，故进行试验论证。试验结果表明，树状空间节点30的拉压力学性能与有限元模拟的结果相近，误差在10%以内，互相可以验证结果的准确性。

上述试验表明本发明提供的反力架装置能够用于现有工程中对树枝状空间节点的测试，本反力架装置结构简单，使用方便，能部分代替有限元模拟工作，极大简化现有工程中对树枝状空间节点测试的流程，并提供符合理论模拟的试验结果，为工程提供可靠参考。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量树状空间节点受力情况的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构建筏板基础（10），并使筏板基础（10）的上端面水平布置，同时在筏板基础（10）上安装反力架（20）；

S2、根据空间钢结构的具体结构和受力情况，按照等比例缩小的方式制造对应的树状空间节点（30），并根据等比例缩小的结果计算该树状空间节点（30）中各个支管（32）相对应的受力情况；

S3、将树状空间节点（30）安装在反力架（20）和筏板基础（10）上；

S4、根据各个支管（32）的受力情况，确定各个支管（32）对应的测力组件（40）的类型，并将确定好的测力组件（40）安装到反力架（20）上对应的位置处；

S5、根据各个支管（32）的受力情况，同时启动各个测力组件（40）以对各个支管（32）进行施力，并通过载荷传感器（404）实时调整施力数值，以还原树状空间节点（30）的受力状态。

2.根据权利要求1所述的一种测量树状空间节点受力情况的试验方法，其特征在于，包括筏板基础（10），所述筏板基础（10）上固定安装有反力架（20），反力架（20）的内部形成有容纳树状空间节点（30）的容腔；

树状空间节点（30）布置在容腔内，且树状空间节点（30）的主管（31）铅垂固接在筏板基础（10）上，容腔的上部空间内布置有可同时对树状空间节点（30）中的各个支管（32）沿对应支管（32）轴向施加设定数值的力并检测树状空间节点（30）所受合力的测力组件（40）。

3.根据权利要求2所述的一种测量树状空间节点受力情况的试验方法，其特征在于，所述反力架（20）包括杆长方向水平布置的横梁（21），各个横梁（21）依次首尾相接构成回环；回环的下环面上沿着回环环向依次布置有两组以上的用于将回环悬空支撑在筏板基础（10）上的立柱（22），立柱（22）的底部固接在筏板基础（10）上。

4.根据权利要求3所述的一种测量树状空间节点受力情况的试验方法，其特征在于，回环下方的空间构成安放树状空间节点（30）的容腔；反力架（20）还包括布置在容腔底部且用于对树状空间节点（30）进行水平方向定位的辅助定位架（24）；

辅助定位架（24）包括可同轴套设在树状空间节点（30）的主管（31）管身上的锁紧套（242），锁紧套（242）的外侧沿着锁紧套（242）周向依次布置有数量与立柱（22）数量相适配的定位梁（241）；定位梁（241）的长度方向水平布置，且定位梁（241）的另一端固定连接在对应的立柱（22）上。

5.根据权利要求4所述的一种测量树状空间节点受力情况的试验方法，其特征在于，所述测力组件（40）包括压力组件（42）和拉力组件（41）；

所述压力组件（42）包括可同轴固接在支管（32）管口上的封头板（402），以及同轴套接并可锁定在横梁（21）上的定位套（405），在定位套（405）和封头板（402）之间抵接安装有与支管（32）同轴布置且对封头板（402）施加轴向压力的压力伸缩杆（421）；压力伸缩杆（421）的伸缩端和封头板（402）的盘面之间压紧布置有用于测量压力伸缩杆（421）施加的压力大小的载荷传感器（404）；

所述拉力组件（41）也包括可同轴固接在支管（32）管口上的封头板（402），以及同轴套接并可锁定在横梁（21）上的定位套（405）；在定位套（405）远离封头板（402）的一侧布置有穿心伸缩杆（412），穿心伸缩杆（412）的轴线与支管（32）的轴线彼此重合；钢绞绳（411）的尾端固定在封头板（402）上，钢绞绳（411）的前端依次穿过定位套（405）和横梁（21），并由穿心伸缩杆（412）的轴心孔穿出穿心伸缩杆（412）；钢绞绳（411）的前端与限位板（413）彼此固接；穿心伸缩杆（412）的伸缩端抵紧在限位板（413）上，以沿支管（32）轴线拉紧钢绞绳（411）；且在穿心伸缩杆（412）的伸缩端和限位板（413）之间还夹紧布置有用于测量穿心伸缩杆（412）施加的压力大小的载荷传感器（404）。

6.根据权利要求5所述的一种测量树状空间节点受力情况的试验方法，其特征在于，所述定位套（405）同轴滑动布置在横梁（21）上，且定位套（405）的外侧面上沿着定位套（405）轴向依次开设有两组以上的定位螺孔（4051），定位螺孔（4051）内旋紧有定位螺栓（4052），且定位螺栓（4052）的前端抵紧在横梁（21）的梁身上，以锁定定位套（405）。

7.根据权利要求6所述的一种测量树状空间节点受力情况的试验方法，其特征在于，所述定位套（405）上安装有板面与对应封头板（402）盘面彼此平行的定位板（406），压力伸缩杆（421）和穿心伸缩杆（412）均垂直布置在对应的定位板（406）上。

8.根据权利要求7所述的一种测量树状空间节点受力情况的试验方法，其特征在于，所述钢绞绳（411）的前端穿过限位板（413），并同轴套接在锁扣（414）的内部，锁扣（414）构成绳节结构，以避免限位板（413）向钢绞绳（411）前端移动。

9.根据权利要求8所述的一种测量树状空间节点受力情况的试验方法，其特征在于，所述筏板基础（10）为钢筋混凝土结构，包括两根主梁和一根次梁，两根主梁分别布置在次梁的两端，以配合次梁构成梁板结构；

筏板基础（10）中的钢筋结构包括两组横放的主梁钢筋笼（11）、一组横放的次梁钢筋笼（12）和两组以上的J型柱脚锚栓（13）；

J型柱脚锚栓（13）包括两个以上的J型的锚钩（131）；位于同一组J型柱脚锚栓（13）内的各个锚钩（131）绕设定圆周方向依次均匀分布，以构成圆柱形钢筋笼；

J型的锚钩（131）底部由下而上勾接在对应钢筋笼的纵筋上，且锚钩（131）的顶部沿铅垂方向由下而上地延伸出混凝土，以构成地脚螺栓。

10.根据权利要求9所述的一种测量树状空间节点受力情况的试验方法，其特征在于，同轴插设在锁紧套（242）内的主管（31）的底部同轴固接有第二法兰盘（33），第二法兰盘（33）通过主管（31）正下方的地脚螺栓固定安装在筏板基础（10）上；

各个立柱（22）的底部均固接有第一法兰盘（221），各个立柱（22）均通过第一法兰盘（221）与对应的地脚螺栓配合，以固定安装在筏板基础（10）上。