CN203908788U - 一种多维动静态加载设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种多维动静态加载设备，包括由顶横梁、移动横梁、框架立柱、加载平台、框架底座组成的加载框架，加载平台安装在底座上，在底座上围绕加载平台外侧树立有多个框架立柱，框架立柱顶部固定有顶横梁，在立柱之间安装有沿立柱竖直方向运动的动横梁，还包括由作动器、电液伺服阀、蓄能器、控制系统组成的液压系统，所述加载平台由置于其底部和侧面的多组作动器驱动。该设备可对不同类型的试件施加不同的多向载荷，可满足试件尺寸大，所需载荷大的要求，设备自动化和通用性高。

Description

一种多维动静态加载设备

技术领域

本实用新型涉及一种加载设备，尤其是一种在建筑工程领域用于对大型试件进行不同类型试验的大型动静态加载设备。 

背景技术

近年来，随着我国国民经济的持续高速增长，各种建设项目的投资规模也不断扩大，对于建筑行业的要求也越来越高。其中，国内建筑工程领域出现了很多以高、大、特、新为特征的工程建设项目，这些项目突出的特点表现为结构的高度越来越高、跨度越来越大、造型越来越奇特、体系越来越复杂、材料的强度越来越高。目前国内混凝土强度已高达1000MPa、建筑用钢材强度也高达590MPa，而国外甚至已有强度高达1000MPa的建筑用钢投入应用。但是这些新型材料和结构的数据和经验并不完备，尤其在重大工程项目兴建过程中，往往没有成熟的技术经验可借鉴，大部分设计和施工中的关键技术和问题还需要通过试验的方法来验证和解决。 

目前国内多数大型建筑工程结构试验室普遍存在着设备加载能力不足、控制手段落后、检测方法陈旧、试验台座承载能力不够等问题，无法针对某些重大工程项目进行大比例、大尺寸构件和结构模型试验，更无从进行足尺寸构件动静力试验。而如果只进行较小比例和较小尺寸的构件模型试验又存在着试验结果失真、与原型力学性能不符等重大缺陷，给大型复杂工程项目的设计和施工留下了难以预计的安全隐患。 

归纳起来，目前建筑工程领域中现有的试验加载设备主要存在以下不足：1、加载能力严重不足。目前国际及国内大型试验设备最大加载能力虽然已达到约60MN，但仍然无法满足当前和未来重大工程项目的试验检测需求。2、加载手段单一。目前国际和国内现有的大型试验设备加载手段主要有两种：（1）可进行单向压缩或平面内的剪压试验，但无法反应结构的三维特性及地震作用下的动力响应；（2）可针对特定试件(如隔震支座)进行高速、三维加载，但试验机加载空间很小，无法对其它结构构件进行试验。3、大部分大型试验加载设备装卸试件困难、耗时长，导致加载设备利用率低、试验效率低下。 

因此，实用新型一种可对试样施加大载荷，进行多维加载，易于装卸试件，适用于不同规格和受力状况的大型多维动静态加载设备具有重要意义。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种多维动静态加载设备，可广泛用于建筑领域不同试件、不同受力状态的加载，以克服现有技术中设备加载能力低、加载手段单一、通用性差、试验效率低的问题。 

一种多维动静态加载设备，包括由顶横梁、移动横梁、框架立柱、加载平台、底座组成的加载框架，加载平台安装在底座上，在底座上围绕加载平台外侧树立有多个框架立柱，框架立柱顶部固定有顶横梁，在立柱之间安装有沿立柱竖直方向运动的移动横梁，还包括由作动器、电液伺服阀、传感器、蓄能器、控制系统组成的液压系统，所述加载平台由置于其底部和侧面的多组作动器驱动，所述传感器为力和位移传感器。 

所述作动器包括置于加载平台底部驱动其进行z向运动的z向作动器，置于加载平台x向侧面的x向作动器以及置于加载平台y向侧面的y向作动器，其中，z向作动器上设置有z向传感器，x向作动器上设置有x向传感器，y向作动器上设置有y向传感器。 

还包括在实验过程中保持加载平台稳定运动的下压作动器，下压作动器上设置有下压传感器。 

所述顶横梁、框架立柱、底座被固定为一个整体框架，该整体框架垂直方向和水平方向刚度均小于1/2000。 

所述加载平台与底座之间具有动压油膜，使得其间的摩擦系数不大于0.0025。 

所述z向作动器固定连接在加载平台上并在z向随之运动。 

所述x向作动器对称布置在加载平台x向两侧。 

所述y向作动器单向布置在加载平台y向一侧，加载平台y向另一侧设置为用于试件装卸的窗口。 

所述z向作动器、x向作动器和y向作动器执行静态加载。 

所述x向作动器和y向作动器执行动态加载。 

所述z向作动器数量为6支，每支最大载荷为22MN，最大行程250mm；所述x向作动器数量为每侧各3支，每支最大静载荷为15MN，最大动载荷为1MN，最大行程为±500mm；所述y向作动器数量为2支，每支最大静载荷为3MN，最大行程为±1500mm。 

本实用新型的有益效果是：（1）可进行足尺试件的大吨位加载试验，满足建筑工程领域中试验设备加载能力要求。（2）设备加载方式多样，可完成试件复杂受力状况试验。（3）可在一定连续空间范围内向试件施加约束。（4）设备功能多样，自动化程度高，可在同一设备上完成多种试验，大大提高设备使用效率和试验效率。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。 

图1为多维动静态加载设备主视图； 

图2为多维动静态加载设备左视图；

图3为多维动静态加载设备俯视图；

图4为加载平台及作动器轴测图；

图5为多维动静态加载设备液压原理图；

图6为多维动静态加载设备控制框图；

图7为多维动静态加载设备对巨型柱进行轴压试验的示意图；

图8为多维动静态加载设备对巨型柱进行压剪试验的示意图；

图9为多维动静态加载设备对剪力墙进行压剪试验的示意图；

图10为多维动静态加载设备对梁柱节点进行平面或空间拟静力试验和拟动力试验的示意图；

图11为多维动静态加载设备对橡胶支座进行压剪试验的示意图；

附图标记：1－油源、3－溢流阀、4－过滤器、5-蓄能器、6－z向电液伺服阀、7-z向作动器、8－x向电液伺服阀、9-x向作动器、10－y向电液伺服阀、11－y向作动器、12－下压电液伺服阀、13－下压作动器、14-加载平台、15-框架立柱、16-移动横梁、17-顶横梁、18-底座、19-第二z向作动器、20-巨型柱、21-剪力墙、22-梁柱、23-橡胶支座、30-控制系统、31- z向传感器、32-x向传感器、33-y向传感器、34-下压传感器。

具体实施方式

参考图1-图3，本实用新型的加载设备由加载框架和液压系统组成。其中，加载框架为钢结构，包括移动横梁16、底座18、框架立柱15、加载平台14、顶横梁17。加载平台14安装在底座18上，在该底座上围绕加载平台外侧树立有多个框架立柱15，框架立柱15顶部固定有顶横梁17，在框架立柱之间安装有沿框架立柱竖直方向运动的移动横梁16。 

再参考图4和图5，液压系统包括油源1、溢流阀2、过滤器4、蓄能器5、电液伺服阀、作动器、控制系统30以及其它液压辅助元件。其中，电液伺服阀包括z向电液伺服阀6、x向电液伺服阀8、y向电液伺服阀10；作动器包括z向作动器7、x向作动器9、y向作动器11。此外，还装备有下压作动器13和下压伺服阀12，以在试验过程根据控制系统30的指令向加载平台14施加z向推力，保证加载平台14在各工况下的稳定运动；下压作动器上设置有下压传感器34。 

继续参考图4和图5，根据试验机功能要求，各方向的作动器数目和参数如下：在加载平台14的z向布置有6支型号相同的z向作动器7，每支最大载荷22MN；在加载平台14的x向两侧各布置有3支型号相同的x向作动器9，每支动态最大载荷1MN，静态最大载荷1.5MN；在加载平台14的y向两侧各布置有2支型号相同的y向作动器11，每支静态最大载荷3MN；在加载平台14的x向两侧各布置有3支型号相同的下压作动器13，每支静态最大载荷2MN。z向作动器、x向作动器、y向作动器可各自单独或同时向加载平台14施加z向、x向和y向不同的作用力进而实现各种不同的加载状态。 

参考图6，控制系统30包括主控计算机、伺服控制器、电液伺服阀以及位移和压力传感器等，这些元件构成闭合回路控制系统。液压系统的工作压力由溢流阀2设定，蓄能器5用于蓄能和吸收压力脉动。当试验机进行动态高频试验时，蓄能器5向作动器提供大流量液压油。液压油经过伺服阀，进入z向作动器、x向作动器和y向作动器，驱动作动器动作。安装在各相应作动器上的z向传感器31、x向传感器32、y向传感器33将测得的位移和力信号反馈到控制系统中，控制系统经过运算，将控制信号传递到相应的电液伺服阀，控制伺服阀的动作，从而控制相应作动器的运动。 

加载平台配置有14个作动器，可实现x、y、z三个方向的平移运动以及绕x、y、z三个轴的旋转运动。因此整个系统是静不定的。控制系统向加载平台的发出6个指令信号，即x、y、z三个方向的平移运动以及绕x、y、z三个轴的旋转运动，指令信号与反馈信号的6个偏差信号经控制系统分解转化为14个伺服阀的驱动信号，分别驱动作动器动作，控制系统在加载平台运动过程中将各个作动器产生的内力消弱。 

本实用新型的加载空间和载荷范围如下： 

可以在最大2m（x向）×2m（y向）×10m（z向）空间内进行巨型柱轴压试验和压剪试验。在作动器作用下，试验机进行轴压试验时最大轴向压力可以达到132MN；单向压剪试验时最大轴向压力可以达到80MN，双向压剪试验时最大轴向力可达到60MN，单双向水平剪力可达到6MN，水平双向位移可以达到±500mm；可在最大1m（x向）×6m(y向)×10m（z向）空间内进行剪力墙的压剪试验，最大轴向力可达到60MN，水平剪力可以达到6MN，水平位移可以达到±500mm；可进行梁柱节点的平面或空间拟静力试验和拟动力试验，柱轴向压力可以达到80MN、梁各端部垂向加载能力可达到±2MN；本实用新型可完成橡胶支座的压剪试验和橡胶支座产品的检测试验。橡胶支座压减试验时，最大轴向压力可以达到60MN，双向水平剪力可以达到6MN，双向水平位移可以达到±500mm，单向水平位移可以达±1500mm，可进行单向 0.5HZ,， 6个循环和1Hz，3个循水平位移为±500mm的高速往复运动。

当使用本实用新型的多维动静态加载设备进行试验时，首先将试件放置于移动横梁16和加载平台14之间的空间内，然后，通过调整移动横梁16在框架立柱15上的高度，使得试件z向两侧分别被加载平台14和移动横梁16紧密压紧。其中，移动横梁16可以在z向0.5m-10m空间内自由移动，根据试件高度调整其固定在框架立柱15上的位置。此后，根据所需载荷类型，分别通过x向作动器9、y向作动器11和z向作动器7施加不同方向的载荷，上述作动器可以同时动作，也可各自单独动作。此外，下压作动器13在试验过程根据控制系统指令向加载平台施加z向下推力，保证加载平台在各工况下的稳定运动。由此，加载平台14承受z向、x向和y向的单向或多向组合的载荷，并将载荷施加到放置其上并与之固定在一起的试件上。 

试验机液压系统在不同工况下工作时，均需要控制器输入动作指令信号，驱动作动器动作，安装在作动器上的传感器将测定的位移或力信号传至控制器中，并同指令信号对比，用得到的对比信号控制作动器相应的伺服阀开口大小，进而控制通往作动器液压油量以控制作动器动作。当测定的力或位移信号同指令信号之差逐渐减小至相等时，作动器即达到指令位姿。 

以下结合附图对不同的加载状态进行详细说明。 

图7所示为加载设备对巨型柱试件20进行轴压试验示意图。进行轴压试验时，控制系统30向z向电液伺服阀6发出指令信号，使z向作动器7同时向加载平台14施加最大可达132MN的作用力。由此加载平台z向承受132MN作用力，实现试件轴压试验加载要求。 

图8所示为加载设备对巨型柱试件20进行压剪弯试验示意图。 

当进行试件单向压剪弯试验时，控制系统30首先向电液伺服阀6发出指令信号，控制z向作动器7向加载平台14共同施加最大可达80MN的作用力。相应的传感器将力和位移信号反馈到控制器，经伺服控制器计算后，控制器向z向电液伺服阀6和x向电液伺服阀8发出指令信号，以分别控制z向作动器向加载平台施加最大可达80MN的作用力，x向作动器9向加载平台施加最大作用力可达6MN、最大行程可达±1500mm的载荷。由此加载平台承受z向和x向的组合载荷，从而实现试件在z-x平面单向压弯试验加载要求。可选地，控制器向z向电液伺服阀6和y向电液伺服阀10发出指令信号，以分别控制z向作动器向加载平台施加最大可达80MN的作用力，y向作动器11向加载平台施加最大作用力可达6MN、最大行程可达±1500mm的载荷,由此加载平台承受z向和y向的组合载荷，从而实现试件在z-y平面单向压弯试验加载要求。 

当进行试件双向压剪弯试验时，控制系统30首先向电液伺服阀6发出指令信号，控制z向作动器7向加载平台施加z向最大可达60MN的作用力，相应的传感器将力和位移信号反馈到控制器，经伺服控制器计算后，控制器向z向电液伺服阀6发出指令信号，保持z向作动器向加载平台施加最大可达60MN的作用力，同时x向作动器9和y向作动器11向加载平台施加最大作用力可达6MN、最大行程可达±1500mm的载荷。由此加载平台承受z向和x向组合载荷，从而实现试件双向压弯试验的加载。 

当进行试件纯剪切试验时，控制系统30向x向电液伺服阀8、y向电液伺服阀10单独或同时发出指令信号控制，进而控制x向作动器9、y向作动器11单独或同时向加载平台施加单向或双向最大可达6MN的作用力，实现试件纯剪试验加载。 

进行试件压剪扭试验时，控制系统30根据试验指令经伺服控制器计算后发出指令信号控制各个z向电液伺服阀6进行一系列组合动作，从而控制z向作动器7进行组合动作以实现加载平台在加载空间中心位置或偏心位置绕z轴、x轴、y轴的位姿要求。压剪扭各工况下z向作动器7向加载平台共施加最大可达60MN作用力。由此加载平台承受z向、x向、y向组合载荷，从而实现试件压剪扭试验加载。 

图9所示为加载设备对剪力墙试件21进行压剪试验示意图。进行试验时，控制系统30首先向z向电液伺服阀6发出指令信号，z向作动器7逐步向加载平台施加最大可达60MN的作用力，相应的传感器将力和位移信号反馈到控制器之后，再经控制系统30的伺服控制器计算后向z向电液伺服阀6发出指令信号，保持z向作动器向加载平台施加最大可达60MN的作用力，同时向y向电液伺服阀发出指令信号，控制y向作动器11逐步向加载平台施加最大作用力可达6MN、最大行程可达±1500mm的载荷。由此加载平台z向上承受最大可达60MN的作用力，y向承受最大可达6MN的作用力，从而实现试件压剪试验加载。 

图10所示为加载设备对梁柱试件22进行空间节点试验示意图。试验进行时，控制系统30首先向z向电液伺服阀6发出作用力指令信号，控制z向作动器7逐步向加载平台14施加最大可达120MN的作用力，然后，放置于移动横梁与试件梁之间的四或八个第二z向作动器19动作，每支第二z向作动器可同时向上或向下施加不小于2MN的作用力。由此实现试件空间节点试验加载。 

图11所示为加载设备对橡胶支座试件23进行压剪试验示意图。本实用新型的动静态加载设备可进行橡胶支座单向低速压剪试验、双向低速压剪试验和单向高速压剪试验。 

当进行单向低速压剪试验时，控制系统30首先向z向电液伺服阀6发出指令信号，控制z向作动器7向加载平台14施加最大可达60MN的作用力。然后，控制系统30再向y向电液伺服阀10发出频率不小于0.003Hz的往复动作指令信号，从而y向作动器11向加载平台施加往复频率不小于0.003Hz、最大作用力可达6MN、最大行程可达±1500mm的载荷。由此实现试件单向低速压剪试验加载。 

当进行双向低速压剪试验时，控制系统30首先向z向电液伺服阀6发出指令信号，控制z向作动器7向加载平台14施加最大可达60MN的作用力。然后，控制系统30再向x向电液伺服阀8发出频率不小于0.003Hz往复动作指令信号，从而x向作动器9向加载平台同时施加往复频率不小于0.003Hz、水平双向最大作用力可达6MN、双向最大行程可达±500mm的载荷。由此此实现试件双向低速压剪试验加载。 

当进行单向高速压剪试验时，控制系统30首先向z向电液伺服阀6发出指令信号，控制z向作动器7向加载平台施加最大可达60MN的作用力。然后，控制系统30再向x向电液伺服阀8发出0.5Hz或1Hz往复动作指令信号，同时蓄能器5打开以向x向作动器9补充液压油，从而使x向作动器9向加载平台施加往复频率0.5Hz或1Hz、最大作用力可达6MN、最大行程可达±500mm的载荷。由此完成试件单向高速压剪试验加载。 

Claims (10)

1.一种多维动静态加载设备，包括由顶横梁（17）、移动横梁（16）、框架立柱（15）、加载平台（14）、底座（18）组成的加载框架，加载平台安装在底座上，在底座上围绕加载平台外侧树立有多个框架立柱，框架立柱（15）顶部固定有顶横梁（17），在立柱之间安装有沿立柱竖直方向运动的移动横梁（16），其特征在于，还包括由作动器、电液伺服阀、传感器、蓄能器（5）、控制系统（30）组成的液压系统，所述加载平台由置于其底部和侧面的多组作动器驱动，所述传感器为力和位移传感器。

2.根据权利要求1所述的多维动静态加载设备，其特征在于，所述作动器包括置于加载平台（14）底部驱动其进行z向运动的z向作动器（7），置于加载平台x向侧面的x向作动器（9）以及置于加载平台y向侧面的y向作动器（11），其中，z向作动器上设置有z向传感器（31），x向作动器上设置有x向传感器（32），y向作动器上设置有y向传感器（33）。

3.根据权利要求1或2所述的多维动静态加载设备，其特征在于，还包括在实验过程中保持加载平台稳定运动的下压作动器（13），下压作动器上设置有下压传感器（34）。

4.根据权利要求1所述的多维动静态加载设备，其特征在于，所述顶横梁（17）、框架立柱（15）、底座（18）被固定为一个整体框架，该整体框架垂直方向和水平方向刚度均小于1/2000。

5.根据权利要求1所述的多维动静态加载设备，其特征在于，所述加载平台（14）与底座（18）之间具有动压油膜，使得其间的摩擦系数不大于0.0025。

6.根据权利要求2所述的多维动静态加载设备，其特征在于，所述z向作动器（7）固定连接在加载平台（14）上并在z向随之运动；

所述x向作动器（9）对称布置在加载平台（14）x向两侧。

7.根据权利要求2所述的多维动静态加载设备，其特征在于，所述y向作动器（11）单向布置在加载平台（14）y向一侧，加载平台y向另一侧设置为用于试件装卸的窗口。

8.根据权利要求2所述的多维动静态加载设备，其特征在于，所述z向作动器（7）、x向作动器（9）和y向作动器（11）执行静态加载。

9.根据权利要求2所述的多维动静态加载设备，其特征在于，所述x向作动器（9）和y向作动器（11）执行动态加载。

10.根据权利要求2所述的多维动静态加载设备，其特征在于，所述z向作动器（7）数量为6支，每支最大载荷为22MN，最大行程250mm；所述x向作动器（9）数量为每侧各3支，每支最大静载荷为15MN，最大动载荷为1MN，最大行程为±500mm；所述y向作动器（11）数量为2支，每支最大静载荷为3MN，最大行程为±1500mm。