结构抗震试验用各类竖向加载装置 结构抗震试验用各类竖向加载装置
鲁 亮*黄子恒 卢文胜
（同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092）
摘 要：在结构抗震性能静力试验研究中，要求模拟重力的竖向荷载保持数值恒定、方向竖直不变、且伴随结构顶部变形而移动。多数结构试验项目采用普通液压千斤顶提供大吨位的竖向载荷，受到试件水平位移和试件自身竖向变形影响，要保持竖向荷载稳定不变比较困难。在结构试验技术发展历程中，实验技术人员研发了多种巧妙的竖向加载装置来满足结构抗震试验要求，包括仿重力加载装置、机械杠杆式竖向加载装置、液压杠杆式竖向加载装置、滑轮组式竖向加载装置、连接蓄能器的竖向加载装置等。近年来随着结构试验技术发展及先进实验设备的应用，电液伺服竖向加载装置成为主流应用设备。对各类竖向加载装置的基本原理、结构特点和优缺点等进行介绍，并给出两种电液伺服竖向加载系统方案，为结构抗震试验竖向加载装置选型提供参考。
关键词：结构抗震试验，竖向加载装置，液压千斤顶，电液伺服加载系统，结构试验技术
0 引 言
在进行结构构件抗震性能试验时，水平荷载模拟地震作用，竖向荷载模拟重力作用。模拟重力作用的竖向荷载应在试验过程中保持大小不变、方向竖直、作用点随着试件顶部位移而移动，这样才能保证重力模拟的正确性和准确性［1］。结构构件抗震试验所需竖向荷载一般为几十至几百吨，采用质量块加载方法，显然不合适，一般采用液压千斤顶加载。限于设备条件，很多结构实验室在进行结构抗震试验时，多数试验项目采用普通液压千斤顶加载，千斤顶与竖向反力装置之间采用滚轴、滑轮或直线导轨移动，这些措施不能保证竖向荷载在试验过程中恒定不变，竖向荷载的变幅甚至达到设定值的50%以上，严重影响试验结果精度。究其原因，普通液压油为近似不可压缩液体，当油腔体积稍有变化，荷载就产生较大变化，而人工加载方法不能及时调整液压泵压力值。千斤顶油腔体积变化的原因在于：①随试件水平往复位移，试件顶部高程呈现波浪形变化；②试件竖向塑性变形或损伤引起试件高度减小；③液压系统压力随试验时间进程会有略微内部泄压，造成千斤顶压力变化，其中前两个原因是竖向荷载不能保持恒定的主要原因。为保证结构试验质量和提高试验技术水平，广大结构试验技术人员不断研发出各类不同形式的竖向加载装置来满足结构抗震试验需求。作者通过文献调研和现场调查，总结了几种实用的竖向加载装置技术，此类装置凝结了很多研究人员的智慧并不断进行着更新，文中无法一一指明其原创出处，这里特别注明并一并致谢。以下阐说的竖向加载装置包括：①仿重力加载架；②机械杠杆式竖向加载装置；③液压杠杆式竖向加载装置；④滑轮组式竖向加载装置；⑤连接蓄能器的竖向加载装置；⑥电液伺服竖向加载装置。
1 仿重力加载架
1.1 装置简介
参考《混凝土结构试验方法标准》（GB 50152—92）第10.1.2条的内容［2］，标准中提出了专门试验装置，其中就包括仿重力加载架，见图1。仿重力加载架可保证竖向千斤顶随试件顶部平动而不改变竖向荷载值。
图1 剪力墙试验用仿重力加载架
Fig.1 Gravity-mimic apparatus used in shear wall test
仿重力加载架在国内试验室并不多见，日本和台湾地区的研究人员有使用报道，文献［3］中使用仿重力加载架进行了一种隔震结构试验，图2为日本爱知工业大学进行橡胶支座性能试验时所采用的仿重力加载装置。
图2 橡胶支座试验用仿重力加载架（爱知工业大学，2005）
Fig.2 Gravity-mimic apparatus used in rubber bearing test（Aichi Institute of Technology，2005）
1.2 仿重力加载架几何参数
仿重力加载架的结构示意图见图3，在进行结构抗震试验时，图中E点随试件移动，可能的运动轨迹如图3中的虚线曲线所示，符合抗震试验要求的理想运动轨迹应该是条近似水平直线（如图3中的
为试验时E点的移动范围）。查阅资料，未能找到仿重力加载架的设计方法，设计仿重力加载架的关键步骤是找到机构连杆的几何关系。此处不考虑加载架的承载性能，仅考虑如何设置结构构件的几何尺寸关系，使得E点的运动轨迹为水平直线来满足试验要求，本问题最主要的几何参数为杆件AC、BD与水平面的夹角。这种结构在机械工程中被称为铰链连杆机构，曲率驻点曲线和欧拉-萨法利方程是解决这一问题的两个重要的工具［4］。依据铰链连杆机构定义，图3中的AC为原动件、BD为从动件、CD为连杆、AB为机架。设各杆长分别为L1、L2、L3和L4，各杆与水平面x向的夹角分别为θ1、θ2、θ3和θ4，三角形ΔCDE为刚性块。为简化起见，假定L1＝L3、CE和DE边长均为Ln，结构沿竖向对称。机构力学问题为原动杆L1匀速运动，求出刚性块ΔCDE上E点的运动轨迹。
图3 仿重力加载架结构示意图
Fig.3 Layout of gravity-mimic apparatus
将平面四杆机构看成一个封闭矢量多边形，得矢量方程为：
用复数表示矢量方程的表达式为：
由上式分出实部和虚部，可以得到：
从上式两个方程中消去θ3，可以得到一个只包含θ1和θ2的方程，给定θ1，就可以求出满足此方程的θ2。求解得：
其中：A＝L4－L1cosθ1，B＝－L1sinθ1，C
建立坐标系如图3所示，在局部动坐标系x′Cy′中，E点的坐标为：
其中
在整体坐标系xAy中，E点的坐标为：
其中
为坐标转换矩阵。
式（6）为E点坐标的解析解形式，通过解析解找到E点的最优近似直线轨迹比较复杂，可以通过数值方法来得到答案，以下给出一个设计案例。
如图3所示，在进行结构抗震试验时，希望E点在±200 mm范围内
呈直线运动，设计案例假设L1＝L3＝1.0 m、L2＝Ln＝0.3 m、L4＝2L1cosθι＋L2，其中θι为杆件
与水平面的初始夹角。给定不同的控制变量θι，可以得到不同形式的机构，从而可以得到E点所对应的不同的轨迹曲线。为了求得不同θ时的E点的运动轨迹，编写MATLAB程序进行计算。取θι分别为55°、60°、65°、70°、75°进行试算，可以得到不同的轨迹曲线。通过偏差分析可以得到，在θι＝70°时，E点运动轨迹的直线度最好，见图4。如上设计的仿重力加载架在±200 mm的水平位移范围内可以保证竖向荷载随试件顶部移动，同时保持加载方向竖直、荷载大小不变。
图4 不同初始夹角下E点的运动轨迹
Fig.4 Movement path of E-point at different initial angles
2 杠杆式竖向荷载稳压装置
2.1 机械杠杆式竖向荷载稳压装置
图5所示为试件顶部竖向加载用的千斤顶，可以为一个或数个，称之为加载千斤顶。加载千斤顶的活塞总面积为Al，油路内压力pl，这样施加在试件顶部的竖向压力为fl＝Al×pl。机械杠杆式稳压装置的原理见图6，首先在加载油路中连通一个相同油路压力的千斤顶，称之为稳压千斤顶，稳压千斤顶的活塞面积As，出力为fs＝As× pl。杠杆一端为稳压千斤顶，另一端为一质量块，杠杆比为l1∶l2。
图5 竖向加载用千斤顶
Fig.5 Hydraulic jacks for vertical loading
图6 机械杠杆式稳压装置的原理图
Fig.6 Schematic ofmechanical-lever-type stabilized loading apparatus
在进行结构试验时，如需在试件顶部施加竖向恒载fl，可以计算出质量块的重量为：
通过合理参数设计，此套装置就可以用一个较小的质量块维持试件顶部的荷载恒定。依据能量守恒原理，当加载千斤顶有δl的竖向变位时，质量块的位移就会放大为：
机械杠杆式稳压装置原理明晰、结构简单，易于实施，西安建筑科技大学结构实验室就有这样一套装置［5］。
2.2 液压杠杆式竖向荷载稳压装置
机械杠杆式荷载恒压装置需占用一定的场地，与机械杠杆原理类似，作者研制了一种液压杠杆式荷载恒压装置，并获得实用新型专利授权［6］。液压杠杆的基本原理是采用增压油缸替代机械杠杆，装置示意图见图7，增压油缸有高压、低压两个油腔，高压油腔与加载千斤顶连通，压强为pl，低压油腔与称量千斤顶油腔相连，压强为pc。用质量块给称量千斤顶施加较小的重力G，就可以提供给加载千斤顶较大的荷载pl。
图7 液压杠杆式稳压装置的原理图
Fig.7 Schematic of hydraulic-lever type stabilized loading apparatus
同济大学工程结构试验中心配置有液压杠杆式荷载恒压装置一套，具体设计时的计算过程如下。设增压千斤顶高压、低压油腔的活塞面积分别为Ag，Ad，称量油缸活塞面积为Ac，那么在进行结构试验时，如需在试件顶部施加竖向恒载fl，可以计算出质量块的重量为：
依据能量守恒原理，当加载千斤顶有δl的竖向变位时，质量块的位移就会放大为：
液压杠杆式竖向荷载稳压装置的另一个优点是能提供很大的杠杆比，如设计增压千斤顶的高压活塞直径为40 mm、低压活塞直径为400 mm，就能提供100倍的杠杆比。
与机械式杠杆式竖向荷载稳压装置一样，液压杠杆式竖向荷载稳压装置在加载速度小时的稳压效果很好，可以保证所加竖向荷载大小不变、方向竖直、作用点随试件顶部移动。当试验实施的加载速度较大时，由于质量块附加惯性力的影响，系统稳压效果就会变差。
3 滑轮组和蓄能式竖向荷载恒压装置
3.1 滑轮组式竖向荷载恒压装置
有部分结构试验项目采用滑轮组给试件施加竖向荷载，滑轮组加载示意图见图8。滑轮组恒压装置由钢丝绳和多组滑轮组成，上部的几个滑轮可被视为动滑轮。当钢丝绳的拉力为p1时，如图8所示滑轮组可以在试件（如剪力墙）顶部施加8p1的荷载。有时为了提供更大的竖向荷载，还可以通过双圆杠杆进一步放大，双圆杠杆的力放大比为
，这样在杠杆大圆侧悬挂一个重G的质量块，就可以得到施加在试件顶部的荷载P为：
此处n为滑轮组的组数，图8中所示为4组。设计举例，如G＝5 kN，n＝4
＝10，计算得到P＝400 kN，这种量级的荷载可以满足部分结构抗震试验需要。
图8 滑轮组式竖向稳压装置原理图
Fig.8 Schematic of pulley type stabilized loading apparatus
在进行如图8所示的滑轮组加载装置设计时，为了防止偏压，一般在试件前后两面各布置一套相同的滑轮组。滑轮组荷载恒压装置的缺点是：①会受到质量块惯性力的影响，同杠杆式荷载恒压装置一样，不适合高速加载；②随着试件的水平位移的产生，钢丝绳的合力P会与竖直方向产生夹角（一般不超过3%～5%），此时在数据处理需要对竖向力和水平力做实时修正；③在加载过程中，钢丝绳合力大小不变，合力作用点随试件顶部移动，合力作用方向随试件水平位移略有变化。
3.2 蓄能器式竖向荷载稳压装置
常用蓄能器有气囊式和重力式两种，由于加载油路压力高，直接采用重力蓄能器不可行，本文2.2节所描述的液压杠杆式竖向稳压装置也可视为改进型重力式蓄能器的一种，所以结构实验室一般采用气囊式蓄能器连通加载油路来进行竖向荷载稳压。蓄能式竖向荷载稳压装置的原理见图9。气囊内压缩气体（一般为氮气）的压力和油路压力相同。气囊初始体积V1、压力p1，当液压油路压力发生变化时，借助气体的可压缩性，液压油就会挤入或挤出蓄能器，这时气囊的体积和压力变为V2，p2，按照不考虑温度变化的理想气体状态方程：p1×V1＝p2×V2（玻意耳定律）［7］，则油路压力变化为：
一般结构试验时竖向加载油路油腔体积变化ΔV＝V1－V2的量级为零点几升，对于一个常规体积约100升的蓄能器来说，油路压力变化可小于1%，这样就相对保持了加载油路的压力稳定，竖向荷载的变化在可接受范围内。
图9 蓄能式稳压装置的原理图
Fig.9 Schematic of vertical loading stabilizer with an accumulator
4 电液伺服竖向加载系统
电液伺服技术是集机械、液压、计算机和自动控制于一体的综合性技术。电液伺服系统具有响应速度快、输出功率大、控制精确性高等突出优点，因而在土木工程、航空航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到广泛应用，系统核心控制部件是电液伺服阀［8］。土木工程结构试验所用电液伺服加载系统一般由作动器、泵源、控制器等组成，控制系统为闭环系统，可实现位移、荷载精确加载。电液伺服阀控制精度高、响应速度快，最快响应频率达500 Hz。作动器所用位移传感器、荷载传感器精度高、线性度高，控制精度最高达到0.01%FS。驱动作动器的波形信号可为正弦波、三角波、方波、地震波等，已经成为结构试验的首选和必备设备。利用电液伺服加载系统的特点，可以实现竖向荷载恒定加载，常用的电液伺服竖向加载系统有两种，分别如图10和图11所示，分别称为下拉式和上压式电液伺服加载系统。
图10 下拉式电液伺服加载系统
Fig.10 Schematic of pull-down type electro-hydraulicservo loading system
下拉式和上压式电液伺服竖向加载系统均能很好地满足结构抗震试验，经过计算机控制的竖向荷载完全满足理想竖向加载要求：①力大小不变；②加载方向竖直；③合力作用点随试件顶部移动。在具体使用事项上，下拉式和上压式电液伺服竖向加载系统有些差异。
图10所示下拉式加载系统无需竖向反力装置、节约占地空间和造价。竖向加载作动器会随着试件水平位移而倾斜，与垂直向夹角θ随水平位移变化，为保证竖向力pd稳定，需实时测试夹角θ，控制作动器出力P见式（13）。同时需要对水平作动器的出力F进行修正，得到施加在试件上的实际水平荷载fd，见式（14）。
图11 上压式电液伺服加载系统
Fig.11 Schematic of upper-press type electro-hydraulicservo loading system
图11 所示上压式加载系统一次性造价比下拉式高，需要配置竖向反力装置和随动作动器。随动作动器可保证竖向加载作动器实时保持竖直，控制信号来自水平作动器或竖向作动器的倾角信号。筑邦测控公司提供的一种上压式竖向加载装置的效果图见图12。
图12 上压式电液伺服加载系统示例（筑邦测控，2015）
Fig.12 Example of an upper-press type electro-hydraulic servo loading system（ZMB，2015）
5 结 论
结构试验技术人员在科研工作中创造性地发展了多种竖向加载装置，本文对常见的结构抗震试验用竖向加载装置进行了综述，有如下结论：
（1）各种竖向加载装置的基本原理及设计方法有所不同，试验技术人员可根据不同试验目的、试验内容、试件参数加以选择。
（2）各种竖向加载装置有其适用性。一般来说，场地宽敞的大型结构实验室可采用电液伺服加载系统，场地狭窄的小型结构实验室可采用简便的小型竖向加载稳压装置。
参考文献：
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Various Vertical Loading Apparatuses App lied in the Structural Seism ic Test
LU Liang*HUANG Ziheng LUWensheng
（Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction，Tongji Univ.，Shanghai200092，China）
Abstract：In the static test of the seismic performance of structures，the vertical forcewhich simulating gravity is required to keep the fixed value and direction，and would move along with the deformation of the specimen.Most of the test projects use common hydraulic jacks to provide large vertical forces，it is difficult to keep a stable vertical force because of the influence of the horizontal displacement and vertical deformation of the specimen.In the course of development of structural test technology，laboratory technicians developed a variety of ingenious vertical loading apparatuses to meet the requirements of structural seismic testing，including gravity-mimic loading apparatus，mechanical lever type vertical loading apparatus，hydraulic lever type vertical loading apparatus，pulley type vertical loading apparatus，and connecting accumulator vertical loading apparatus.In recent years，with the development of structural test technology and the application of advanced experimental equipment，hydraulic-electro servo vertical loading apparatuses have become the mainstream application equipment.The basic principles，structural features，advantages and disadvantages of various vertical loading apparatuses are introduced，and two kinds of hydraulic-electro-servo vertical loading systems are demonstrated，all these apparatuses are reference to select vertical loading apparatus in a structural seismic test.
Keywords：structural seismic test，vertical loading apparatus，hydraulic jack，hydraulic-electro servo test system，structural experiment technology
收稿日期：2016－08－18
基金项目：国家自然科学基金项目（51678453）
*联系作者，Email：95010＠tongji.edu.cn
结构抗震试验用各类竖向加载装置 结构抗震试验用各类竖向加载装置
鲁 亮*黄子恒 卢文胜
（同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092）
摘 要：在结构抗震性能静力试验研究中，要求模拟重力的竖向荷载保持数值恒定、方向竖直不变、且伴随结构顶部变形而移动。多数结构试验项目采用普通液压千斤顶提供大吨位的竖向载荷，受到试件水平位移和试件自身竖向变形影响，要保持竖向荷载稳定不变比较困难。在结构试验技术发展历程中，实验技术人员研发了多种巧妙的竖向加载装置来满足结构抗震试验要求，包括仿重力加载装置、机械杠杆式竖向加载装置、液压杠杆式竖向加载装置、滑轮组式竖向加载装置、连接蓄能器的竖向加载装置等。近年来随着结构试验技术发展及先进实验设备的应用，电液伺服竖向加载装置成为主流应用设备。对各类竖向加载装置的基本原理、结构特点和优缺点等进行介绍，并给出两种电液伺服竖向加载系统方案，为结构抗震试验竖向加载装置选型提供参考。
关键词：结构抗震试验，竖向加载装置，液压千斤顶，电液伺服加载系统，结构试验技术
0 引 言
在进行结构构件抗震性能试验时，水平荷载模拟地震作用，竖向荷载模拟重力作用。模拟重力作用的竖向荷载应在试验过程中保持大小不变、方向竖直、作用点随着试件顶部位移而移动，这样才能保证重力模拟的正确性和准确性［1］。结构构件抗震试验所需竖向荷载一般为几十至几百吨，采用质量块加载方法，显然不合适，一般采用液压千斤顶加载。限于设备条件，很多结构实验室在进行结构抗震试验时，多数试验项目采用普通液压千斤顶加载，千斤顶与竖向反力装置之间采用滚轴、滑轮或直线导轨移动，这些措施不能保证竖向荷载在试验过程中恒定不变，竖向荷载的变幅甚至达到设定值的50%以上，严重影响试验结果精度。究其原因，普通液压油为近似不可压缩液体，当油腔体积稍有变化，荷载就产生较大变化，而人工加载方法不能及时调整液压泵压力值。千斤顶油腔体积变化的原因在于：①随试件水平往复位移，试件顶部高程呈现波浪形变化；②试件竖向塑性变形或损伤引起试件高度减小；③液压系统压力随试验时间进程会有略微内部泄压，造成千斤顶压力变化，其中前两个原因是竖向荷载不能保持恒定的主要原因。为保证结构试验质量和提高试验技术水平，广大结构试验技术人员不断研发出各类不同形式的竖向加载装置来满足结构抗震试验需求。作者通过文献调研和现场调查，总结了几种实用的竖向加载装置技术，此类装置凝结了很多研究人员的智慧并不断进行着更新，文中无法一一指明其原创出处，这里特别注明并一并致谢。以下阐说的竖向加载装置包括：①仿重力加载架；②机械杠杆式竖向加载装置；③液压杠杆式竖向加载装置；④滑轮组式竖向加载装置；⑤连接蓄能器的竖向加载装置；⑥电液伺服竖向加载装置。
1 仿重力加载架
1.1 装置简介
参考《混凝土结构试验方法标准》（GB 50152—92）第10.1.2条的内容［2］，标准中提出了专门试验装置，其中就包括仿重力加载架，见图1。仿重力加载架可保证竖向千斤顶随试件顶部平动而不改变竖向荷载值。
图1 剪力墙试验用仿重力加载架
Fig.1 Gravity-mimic apparatus used in shear wall test
仿重力加载架在国内试验室并不多见，日本和台湾地区的研究人员有使用报道，文献［3］中使用仿重力加载架进行了一种隔震结构试验，图2为日本爱知工业大学进行橡胶支座性能试验时所采用的仿重力加载装置。
图2 橡胶支座试验用仿重力加载架（爱知工业大学，2005）
Fig.2 Gravity-mimic apparatus used in rubber bearing test（Aichi Institute of Technology，2005）
1.2 仿重力加载架几何参数
仿重力加载架的结构示意图见图3，在进行结构抗震试验时，图中E点随试件移动，可能的运动轨迹如图3中的虚线曲线所示，符合抗震试验要求的理想运动轨迹应该是条近似水平直线（如图3中的
为试验时E点的移动范围）。查阅资料，未能找到仿重力加载架的设计方法，设计仿重力加载架的关键步骤是找到机构连杆的几何关系。此处不考虑加载架的承载性能，仅考虑如何设置结构构件的几何尺寸关系，使得E点的运动轨迹为水平直线来满足试验要求，本问题最主要的几何参数为杆件AC、BD与水平面的夹角。这种结构在机械工程中被称为铰链连杆机构，曲率驻点曲线和欧拉-萨法利方程是解决这一问题的两个重要的工具［4］。依据铰链连杆机构定义，图3中的AC为原动件、BD为从动件、CD为连杆、AB为机架。设各杆长分别为L1、L2、L3和L4，各杆与水平面x向的夹角分别为θ1、θ2、θ3和θ4，三角形ΔCDE为刚性块。为简化起见，假定L1＝L3、CE和DE边长均为Ln，结构沿竖向对称。机构力学问题为原动杆L1匀速运动，求出刚性块ΔCDE上E点的运动轨迹。
图3 仿重力加载架结构示意图
Fig.3 Layout of gravity-mimic apparatus
将平面四杆机构看成一个封闭矢量多边形，得矢量方程为：
用复数表示矢量方程的表达式为：
由上式分出实部和虚部，可以得到：
从上式两个方程中消去θ3，可以得到一个只包含θ1和θ2的方程，给定θ1，就可以求出满足此方程的θ2。求解得：
其中：A＝L4－L1cosθ1，B＝－L1sinθ1，C
建立坐标系如图3所示，在局部动坐标系x′Cy′中，E点的坐标为：
其中
在整体坐标系xAy中，E点的坐标为：
其中
为坐标转换矩阵。
式（6）为E点坐标的解析解形式，通过解析解找到E点的最优近似直线轨迹比较复杂，可以通过数值方法来得到答案，以下给出一个设计案例。
如图3所示，在进行结构抗震试验时，希望E点在±200 mm范围内
呈直线运动，设计案例假设L1＝L3＝1.0 m、L2＝Ln＝0.3 m、L4＝2L1cosθι＋L2，其中θι为杆件
与水平面的初始夹角。给定不同的控制变量θι，可以得到不同形式的机构，从而可以得到E点所对应的不同的轨迹曲线。为了求得不同θ时的E点的运动轨迹，编写MATLAB程序进行计算。取θι分别为55°、60°、65°、70°、75°进行试算，可以得到不同的轨迹曲线。通过偏差分析可以得到，在θι＝70°时，E点运动轨迹的直线度最好，见图4。如上设计的仿重力加载架在±200 mm的水平位移范围内可以保证竖向荷载随试件顶部移动，同时保持加载方向竖直、荷载大小不变。
图4 不同初始夹角下E点的运动轨迹
Fig.4 Movement path of E-point at different initial angles
2 杠杆式竖向荷载稳压装置
2.1 机械杠杆式竖向荷载稳压装置
图5所示为试件顶部竖向加载用的千斤顶，可以为一个或数个，称之为加载千斤顶。加载千斤顶的活塞总面积为Al，油路内压力pl，这样施加在试件顶部的竖向压力为fl＝Al×pl。机械杠杆式稳压装置的原理见图6，首先在加载油路中连通一个相同油路压力的千斤顶，称之为稳压千斤顶，稳压千斤顶的活塞面积As，出力为fs＝As× pl。杠杆一端为稳压千斤顶，另一端为一质量块，杠杆比为l1∶l2。
图5 竖向加载用千斤顶
Fig.5 Hydraulic jacks for vertical loading
图6 机械杠杆式稳压装置的原理图
Fig.6 Schematic ofmechanical-lever-type stabilized loading apparatus
在进行结构试验时，如需在试件顶部施加竖向恒载fl，可以计算出质量块的重量为：
通过合理参数设计，此套装置就可以用一个较小的质量块维持试件顶部的荷载恒定。依据能量守恒原理，当加载千斤顶有δl的竖向变位时，质量块的位移就会放大为：
机械杠杆式稳压装置原理明晰、结构简单，易于实施，西安建筑科技大学结构实验室就有这样一套装置［5］。
2.2 液压杠杆式竖向荷载稳压装置
机械杠杆式荷载恒压装置需占用一定的场地，与机械杠杆原理类似，作者研制了一种液压杠杆式荷载恒压装置，并获得实用新型专利授权［6］。液压杠杆的基本原理是采用增压油缸替代机械杠杆，装置示意图见图7，增压油缸有高压、低压两个油腔，高压油腔与加载千斤顶连通，压强为pl，低压油腔与称量千斤顶油腔相连，压强为pc。用质量块给称量千斤顶施加较小的重力G，就可以提供给加载千斤顶较大的荷载pl。
图7 液压杠杆式稳压装置的原理图
Fig.7 Schematic of hydraulic-lever type stabilized loading apparatus
同济大学工程结构试验中心配置有液压杠杆式荷载恒压装置一套，具体设计时的计算过程如下。设增压千斤顶高压、低压油腔的活塞面积分别为Ag，Ad，称量油缸活塞面积为Ac，那么在进行结构试验时，如需在试件顶部施加竖向恒载fl，可以计算出质量块的重量为：
依据能量守恒原理，当加载千斤顶有δl的竖向变位时，质量块的位移就会放大为：
液压杠杆式竖向荷载稳压装置的另一个优点是能提供很大的杠杆比，如设计增压千斤顶的高压活塞直径为40 mm、低压活塞直径为400 mm，就能提供100倍的杠杆比。
与机械式杠杆式竖向荷载稳压装置一样，液压杠杆式竖向荷载稳压装置在加载速度小时的稳压效果很好，可以保证所加竖向荷载大小不变、方向竖直、作用点随试件顶部移动。当试验实施的加载速度较大时，由于质量块附加惯性力的影响，系统稳压效果就会变差。
3 滑轮组和蓄能式竖向荷载恒压装置
3.1 滑轮组式竖向荷载恒压装置
有部分结构试验项目采用滑轮组给试件施加竖向荷载，滑轮组加载示意图见图8。滑轮组恒压装置由钢丝绳和多组滑轮组成，上部的几个滑轮可被视为动滑轮。当钢丝绳的拉力为p1时，如图8所示滑轮组可以在试件（如剪力墙）顶部施加8p1的荷载。有时为了提供更大的竖向荷载，还可以通过双圆杠杆进一步放大，双圆杠杆的力放大比为
，这样在杠杆大圆侧悬挂一个重G的质量块，就可以得到施加在试件顶部的荷载P为：
此处n为滑轮组的组数，图8中所示为4组。设计举例，如G＝5 kN，n＝4
＝10，计算得到P＝400 kN，这种量级的荷载可以满足部分结构抗震试验需要。
图8 滑轮组式竖向稳压装置原理图
Fig.8 Schematic of pulley type stabilized loading apparatus
在进行如图8所示的滑轮组加载装置设计时，为了防止偏压，一般在试件前后两面各布置一套相同的滑轮组。滑轮组荷载恒压装置的缺点是：①会受到质量块惯性力的影响，同杠杆式荷载恒压装置一样，不适合高速加载；②随着试件的水平位移的产生，钢丝绳的合力P会与竖直方向产生夹角（一般不超过3%～5%），此时在数据处理需要对竖向力和水平力做实时修正；③在加载过程中，钢丝绳合力大小不变，合力作用点随试件顶部移动，合力作用方向随试件水平位移略有变化。
3.2 蓄能器式竖向荷载稳压装置
常用蓄能器有气囊式和重力式两种，由于加载油路压力高，直接采用重力蓄能器不可行，本文2.2节所描述的液压杠杆式竖向稳压装置也可视为改进型重力式蓄能器的一种，所以结构实验室一般采用气囊式蓄能器连通加载油路来进行竖向荷载稳压。蓄能式竖向荷载稳压装置的原理见图9。气囊内压缩气体（一般为氮气）的压力和油路压力相同。气囊初始体积V1、压力p1，当液压油路压力发生变化时，借助气体的可压缩性，液压油就会挤入或挤出蓄能器，这时气囊的体积和压力变为V2，p2，按照不考虑温度变化的理想气体状态方程：p1×V1＝p2×V2（玻意耳定律）［7］，则油路压力变化为：
一般结构试验时竖向加载油路油腔体积变化ΔV＝V1－V2的量级为零点几升，对于一个常规体积约100升的蓄能器来说，油路压力变化可小于1%，这样就相对保持了加载油路的压力稳定，竖向荷载的变化在可接受范围内。
图9 蓄能式稳压装置的原理图
Fig.9 Schematic of vertical loading stabilizer with an accumulator
4 电液伺服竖向加载系统
电液伺服技术是集机械、液压、计算机和自动控制于一体的综合性技术。电液伺服系统具有响应速度快、输出功率大、控制精确性高等突出优点，因而在土木工程、航空航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到广泛应用，系统核心控制部件是电液伺服阀［8］。土木工程结构试验所用电液伺服加载系统一般由作动器、泵源、控制器等组成，控制系统为闭环系统，可实现位移、荷载精确加载。电液伺服阀控制精度高、响应速度快，最快响应频率达500 Hz。作动器所用位移传感器、荷载传感器精度高、线性度高，控制精度最高达到0.01%FS。驱动作动器的波形信号可为正弦波、三角波、方波、地震波等，已经成为结构试验的首选和必备设备。利用电液伺服加载系统的特点，可以实现竖向荷载恒定加载，常用的电液伺服竖向加载系统有两种，分别如图10和图11所示，分别称为下拉式和上压式电液伺服加载系统。
图10 下拉式电液伺服加载系统
Fig.10 Schematic of pull-down type electro-hydraulicservo loading system
下拉式和上压式电液伺服竖向加载系统均能很好地满足结构抗震试验，经过计算机控制的竖向荷载完全满足理想竖向加载要求：①力大小不变；②加载方向竖直；③合力作用点随试件顶部移动。在具体使用事项上，下拉式和上压式电液伺服竖向加载系统有些差异。
图10所示下拉式加载系统无需竖向反力装置、节约占地空间和造价。竖向加载作动器会随着试件水平位移而倾斜，与垂直向夹角θ随水平位移变化，为保证竖向力pd稳定，需实时测试夹角θ，控制作动器出力P见式（13）。同时需要对水平作动器的出力F进行修正，得到施加在试件上的实际水平荷载fd，见式（14）。
图11 上压式电液伺服加载系统
Fig.11 Schematic of upper-press type electro-hydraulicservo loading system
图11 所示上压式加载系统一次性造价比下拉式高，需要配置竖向反力装置和随动作动器。随动作动器可保证竖向加载作动器实时保持竖直，控制信号来自水平作动器或竖向作动器的倾角信号。筑邦测控公司提供的一种上压式竖向加载装置的效果图见图12。
图12 上压式电液伺服加载系统示例（筑邦测控，2015）
Fig.12 Example of an upper-press type electro-hydraulic servo loading system（ZMB，2015）
5 结 论
结构试验技术人员在科研工作中创造性地发展了多种竖向加载装置，本文对常见的结构抗震试验用竖向加载装置进行了综述，有如下结论：
（1）各种竖向加载装置的基本原理及设计方法有所不同，试验技术人员可根据不同试验目的、试验内容、试件参数加以选择。
（2）各种竖向加载装置有其适用性。一般来说，场地宽敞的大型结构实验室可采用电液伺服加载系统，场地狭窄的小型结构实验室可采用简便的小型竖向加载稳压装置。
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Various Vertical Loading Apparatuses App lied in the Structural Seism ic Test
LU Liang*HUANG Ziheng LUWensheng
（Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction，Tongji Univ.，Shanghai200092，China）
Abstract：In the static test of the seismic performance of structures，the vertical forcewhich simulating gravity is required to keep the fixed value and direction，and would move along with the deformation of the specimen.Most of the test projects use common hydraulic jacks to provide large vertical forces，it is difficult to keep a stable vertical force because of the influence of the horizontal displacement and vertical deformation of the specimen.In the course of development of structural test technology，laboratory technicians developed a variety of ingenious vertical loading apparatuses to meet the requirements of structural seismic testing，including gravity-mimic loading apparatus，mechanical lever type vertical loading apparatus，hydraulic lever type vertical loading apparatus，pulley type vertical loading apparatus，and connecting accumulator vertical loading apparatus.In recent years，with the development of structural test technology and the application of advanced experimental equipment，hydraulic-electro servo vertical loading apparatuses have become the mainstream application equipment.The basic principles，structural features，advantages and disadvantages of various vertical loading apparatuses are introduced，and two kinds of hydraulic-electro-servo vertical loading systems are demonstrated，all these apparatuses are reference to select vertical loading apparatus in a structural seismic test.
Keywords：structural seismic test，vertical loading apparatus，hydraulic jack，hydraulic-electro servo test system，structural experiment technology
收稿日期：2016－08－18
基金项目：国家自然科学基金项目（51678453）
*联系作者，Email：95010＠tongji.edu.cn