建筑结构是理论与试验紧密结合的学科, 试验技术水平直接影响课题研究水平。对高校和科研机构而言, 建设规模更大、功能更完善的结构试验平台对课题研究和教学都具有重大意义^[1]。完整的结构试验平台主要由两部分组成:一是由反力架、伺服器、操作系统等组成的空间加载系统^[2];二是作为上部空间加载系统的基础并提供地锚系统的钢筋混凝土台座基础^[3]。如图1所示, 清华大学的多功能空间加载装置由三组立柱、横梁、斜拉梁、钢-混凝土组合底梁基础等组成三维空间加载体系^[4]。

　　 华南理工大学在现有结构实验室内新建2 000t大型多功能结构试验平台, 上部设备由北京某公司设计制造, 以四钢柱、双横梁、钢-混凝土组合底梁组成反力框架, 配合3个电液伺服作动筒, 构成完备的双向自平衡加载体系。为充分发挥上部加载系统的功能, 充分利用原有的旧反力架, 拓展试验平台使用功能, 还需设计建造具备地面承载与锚固功能的扩展锚固台、地下操作室等。

　　 华南理工大学结构实验室始建于1984年, 为单层厂房结构, 横向跨度15m, 室内净宽仅13m。如图2所示, 实验室内的检测中心、操作室、反力墙等已有试验区和设施繁多, 净空间有限。原结构的基础形式为天然地基和地梁连接的条形基础、独立基础。拟建试验平台场地内有尺寸为7.3m×4.7m×0.8m, 重为46t的旧反力架 (图2) , 需对其进行移位并在后期建设时竖立安装在新建的试验平台扩展锚固台上, 配合新的加载框架, 形成一个由新、旧两个反力装置组合、加上可灵活安装及拆卸的连梁构成的新型的空间三向加载系统。

　　 空间限制:在横向净距仅13m的室内布置至少10m×12m的使用平面, 拟建场地距离实验大楼地下基础只有约1m, 需考虑施工对现有建筑的影响。

　　 基坑支护:基坑边缘距离实验大楼柱基不足1m, 开挖深度大于周边现有基础的埋深, 应有合适的基坑支护方案。

　　 构件施工:构件构造复杂, 钢筋、预埋件繁多, 对模板定位精度要求较高, 浇捣混凝土难度大。

　　 大型构件的吊装:要在有限的空间吊装尺寸达10m×2.7m×1.3m、重26t的底梁钢构部分和尺寸达7.3m×4.7m×0.8m、重46t的旧反力架。

　　 试验时, 试件底座通过地锚系统固定在试验平台下部的底梁或者周边扩展锚固台上。地锚系统有锚孔、锚槽两种形式^[4]。锚孔布置平整美观, 局部刚度大。锚槽使用灵活, 可沿其长度方向移动锚固装置。为充分利用操作平面, 采用了如图3所示的锚孔、锚槽组合的地锚系统。

　　 试验平台地锚系统中布置两种锚槽:新反力框架平面内的钢构锚槽 (图4) 及平面外扩展锚固台的钢筋混凝土锚槽 (图5) 。钢构锚槽工作原理如下:试件支座的丝杆通过螺母固定于锚槽顶板, 反力以丝杆→锚槽顶板→锚槽腹板→锚槽底板→锚筋的路径传至混凝土基础, 钢构锚槽构造复杂, 由设备商整体预制再进行现场安装。钢筋混凝土锚槽通过外凸的钢筋混凝土小牛腿承载加载架的反力, 为减少锚槽卡口处混凝土疲劳磨损, 在锚槽周边设置3mm厚的钢板, 同时作为锚槽浇筑混凝土模板, 免除复杂的模板布置及拆除工序。

　　 根据结构试验经验, 锚槽的最不利工况为受单边F=400kN/m的压力或拉力, 按照该工况对锚槽细部构造进行设计。小牛腿高200mm, 按单位计算长度验算混凝土受剪截面;再按照钢筋混凝土牛腿计算承载竖直向上拔力所需的受拉钢筋, 实配钢筋取12@150, 配筋面积为754mm²/m;最后验算斜截面受剪承载力。

　　 $\begin{array}{l}0.25\beta {}_{\text{c}}f{}_{\text{c}}bh{}_0=859.5\text{k}\text{Ν}>400\text{k}\text{Ν}(1)\\ A{}_{\text{s}}\ge \frac{F{}_{\text{V}}a}{0.85f{}_{\text{y}}h{}_0}=549\text{m}\text{m}{}^2/\text{m}(2)\\ \alpha {}_{\text{c}\text{v}}f{}_{\text{t}}bh{}_0+f{}_{\text{y}\text{v}}\frac{A{}_{\text{s}\text{v}}}{s}h{}_0=564.84\text{k}\text{Ν}>400\text{k}\text{Ν}(3)\end{array}$

　　 式中:β_c为混凝土强度影响系数;f_c, f_t分别为混凝土轴心抗压、抗拉强度设计值;b为锚槽单位计算长度;h₀为锚槽截面有效高度;A_s为承受竖向力所需的受拉钢筋截面面积;F_V为作用在牛腿顶部的竖向力设计值;a为竖向力作用点至锚槽凸面侧的水平距离;f_y, f_yv分别为普通钢筋的抗拉、强度设计值;α_cv为斜截面混凝土受剪承载力系数;A_sv为同一截面内箍筋各肢的全部截面面积;s为箍筋间距。

　　 锚孔形式为孔径80mm的方孔 (图6) , 孔间距为500mm, 通过预埋厚度为4mm的无缝方钢管实现。

　　 根据结构试验受力分析, 锚孔的最不利工况为受向上或向下、大小为2 000kN的冲切力, 作用面积为0.5m×0.5m。试验平台扩展锚固台由厚400mm的地锚系统构造层及厚500mm的受力层构成, 在此偏安全考虑取板厚为500mm进行验算, 对不配置箍筋或弯起钢筋的板, 其受冲切承载力验算如下:

　　 (0.7β_hf_t+0.25σ_{pc, m}) ηu_mh₀=2 046.87kN>2 000kN (4)

　　 式中:β_h为截面高度影响系数;σ_{pc, m}为计算截面周长上两个方向混凝土有效预压应力按长度的加权平均值;η为影响系数;u_m为计算截面的周长。

　　 试验平台扩展锚固台是辅助上部空间加载系统使用的关键构件, 应满足承载力及布置地锚系统的要求。在构造上将扩展锚固台按厚度分为两部分 (图7) :上层为厚400mm的地锚系统层, 下层为厚500mm的受力层。偏安全考虑, 将厚400mm的地锚系统层视为10kN/m²的附加恒载作用于厚500mm的受力层。

　　 扩展锚固台均布活载取值为100kN/m²。按弹性板进行计算, 其配筋为:底层X向12@100, Y向16@100;顶层X向12@100, Y向20@100。另为减少试验对扩展锚固台台面的损坏, 保证其表面的平整度, 在其表面预埋平铺一层30mm厚的钢板。

　　 按照无间接配筋的素混凝土进行试验平台扩展锚固台的局部受压承载力验算, 根据结构试验经验, 偏安全考虑, 取最大局部压力设计值F=2 000kN, 混凝土局部受压净面积A=0.25m²。由式 (5) , (6) 可见, 扩展锚固台满足试验局部受压承载力要求。

　　 $\begin{array}{l}1.35\beta {}_{\text{c}}\beta {}_{l}f{}_{\text{c}}A{}_{l\text{n}}=19338.75\text{k}\text{Ν}>2000\text{k}\text{Ν}(5)\\ 0.9\beta {}_{\text{c}}\beta {}_{l}f{}_{\text{c}}A{}_{l\text{n}}=12892.5\text{k}\text{Ν}>2000\text{k}\text{Ν}(6)\end{array}$

　　 式中:β_l为混凝土局部受压时的强度提高系数;A_ln为混凝土局部受压净面积。

　　 由于地下室深度只有3m, 外墙的侧面土压力较小, 设计的关键之处在于其墙厚要与900mm厚的拓展锚固台相契合。另外应考虑在逆作法 (详见3.1节) 分层浇筑时单层外墙相当于一层挡土拱圈^[5]。取地下室外墙厚为800mm, 相当于对一层在侧面土压力作用下、截面高h为800mm的挡土拱圈进行正截面配筋设计。

　　 $\begin{array}{l}\alpha {}_{\text{s}}={\rm M}/f{}_{\text{c}}bh{}_0^2=0.0357(7)\\ \xi =1-\sqrt{1-2\alpha {}_{\text{s}}}=0.0363(8)\\ A{}_{\text{s}}=\xi bh{}_{0}f{}_{\text{c}}/f{}_{\text{y}}=1118\text{m}\text{m}{}^2(9)\end{array}$

　　 式中:α_s为截面弹塑性抵抗弯矩系数;M为在3m深的侧面土压力作用下挡土拱圈所受弯矩;b为挡土拱圈单位计算宽度;h₀为截面有效高度;ξ为相对界限受压区高度;A_s为单位宽度水平分布钢筋计算截面面积。

　　 则取地下室外墙的水平分布钢筋为18@200, 竖向分布钢筋按构造配置。另外, 墙体设置了局部加厚区段, 以形成牛腿连接旧反力架, 并确保扩展锚固台与外墙有足够搭接长度, 如图8所示。

　　 试验平台地下室外墙及钢-混凝土组合底梁的平面布置较为均匀, 考虑到室内作业对基坑开挖及施工机械进出的限制, 选择由扩展锚固台、地下室外墙和底板围构而成的箱形基础作为试验平台的基础形式。由于试验平台上部的加载系统为北京某公司的自平衡系统, 箱形基础底板设计时主要考虑上部加载系统及基础本身的自重, 取底板厚为600mm, 主要设备及构件的自重见表1。

　　 底板面积为136m², 考虑10kN/m²的活载, 可得在恒载+活载标准组合下的基底反力为104kN/m², 小于地基承载力f_ak=120kPa。视地下室外墙和钢-混凝土组合底梁为支座, 基底反力为荷载, 按倒楼盖法计算配筋为:底层X向16@200, Y向16@150;顶层X向16@200, Y向16@150。按照广东省地方标准《建筑地基基础设计规范》 (DBJ 15-31—2003) 对地下室抗浮稳定性进行验算。

　　 $W/F\ge 1.05(10)$

　　 式中:W为地下室自重及其上作用的永久荷载标准值之和;F为地下水浮力。

　　 不满足式 (10) 的要求时应有抗浮措施^[6]。目前拟建场地的历史最高地下水位在基础底标高以下, 即水浮力为0, 满足式 (10) 要求, 可不采取抗浮措施。

　　 试验平台基坑平面约为14m×11m, 深3.8m。对于该小型浅基坑, 从经济与施工的角度出发, 放坡是其较为理想的基坑支护结构形式。但此基坑边与实验室现有条形基础 (埋深1.2m) 的净距只有1m, 无法满足放坡支护的条件。另一种可能的支护形式是采用钢板桩等支挡式基坑支护结构, 但其造价相对较高。在此, 较为经济且施工相对简便的基坑支护方案是采用支护结构与主体结构结合的逆作法, 将地下室外墙从上至下分为两段浇筑, 每段地下室外墙视为闭合的挡土拱圈^[5], 施工流程 (图9) 具体如下:1) 清空拟建场地上的试验设备后, 放线、破碎清除原钢筋混凝土地坪。2) 机械挖土至现有条形基础底标高, 放线挖地槽设置砖模。3) 浇筑扩展锚固台下方第一层地下室外墙^[7], 养护后拆模并设置第一道H型钢对撑。4) 在第一层地下室外墙的下方分段挖土、分段向下接长钢筋网、分段浇筑混凝土, 完成第二层地下室外墙。养护后拆模并设置角撑及第二道H型钢对撑。5) 挖土至基坑底, 设置短柱以免已浇筑外墙下沉, 浇筑素混凝土垫层及地下室底板。

　　 逆作法较为经济地完成了地下室外墙的施工, 但因场地限制, 其耗时也相对较长。施工前探讨过借鉴厦门某地下机械停车库采用的预制装配侧壁沉井式施工方法^[8], 在此因为工期、造价等原因没有采纳。

　　 预埋底梁钢构与后浇的钢筋混凝土形成钢骨混凝土底梁, 设置在反力架正下方, 对安装精度有较高要求。如图10 (a) 所示, 底梁钢构体积达10m×2.7m×1.3m, 重量达26t。图10展示了如何在实验室有限的空间内完成对其搬运、吊装及精确定位:1) 预置底梁钢筋网, 在中间放置支托, 在四角设置千斤顶, 用于调整底梁钢构的标高和水平度 (图10 (b) ) ;2) 底梁钢构下放置滑板, 用叉车在端部缓慢推动, 将其移至基坑边 (图10 (c) ) ;3) 采用吊车将底梁钢构吊到安装位置 (图10 (d) ) , 同时用实验室的桥式吊车进行平面位置微调;4) 底梁钢构放置就位后, 通过四角的千斤顶对底梁钢构的标高和水平度进行微调, 满足设计要求后将底梁钢构与支托焊接固定 (图10 (e) ) ;5) 安装底梁钢构下部的锚杆、调整绑扎底梁钢构周边的钢筋, 随后铺设模板浇筑混凝土 (图10 (f) ) 。由于底梁的钢筋较密、钢构件尺度较大, 且属于大体积混凝土浇筑, 宜选用流动性好、水化热小的混凝土。

　　 图11展示了试验平台地锚系统的安装工艺流程:1) 扩展锚固台的底模设置完毕后, 固定锚孔钢管, 铺设钢筋网, 锚孔钢管与构造钢筋焊接固定, 避免其在随后工序中的偏移。2) 每两列锚孔钢管为一组定位完成后, 在每组方钢管两侧铺设锚槽钢板。安装扩展锚固台的地面钢板。3) 焊接固定地面钢板、锚孔钢管、锚槽钢板, 地面钢板上预先设置了若干开孔以便浇筑混凝土, 扩展锚固台构造复杂, 浇筑需选择流动性较好的混凝土。4) 旧反力架运输进场并将其竖直安装在地下室外墙上。旧反力架和底梁钢构以8根型钢焊接相连, 扩展锚固台的受力钢筋也焊接在旧反力架上。5) 与旧反力架相邻区域的扩展锚固台浇筑完成后, 对地面钢板、锚槽钢板、锚孔钢管、旧反力架等钢构件补防锈漆, 并为锚孔、锚槽设置盖板。

　　 安装试验平台上部的加载系统后, 试验平台侧视图及外观如图12、图13所示, 至此试验平台主体构件安装基本完成。

　　 华南理工大学结构实验室2 000t大型多功能结构试验平台于2017年7月动工, 历时3个月, 即至2017年10月基本完成试验平台建设, 设计与施工的总结如下:

　　 (1) 根据结构试验的需求明确了地锚系统、扩展锚固台、钢-混凝土组合底梁、箱形基础等部件的量化设计要求与细部构造, 建成平面达10m×12m, 由锚孔、锚槽组成的, 使用灵活的地锚系统, 在规模及使用功能上该地锚系统皆属于国内先进水平。下部的地下操作室除方便试件锚固外, 还兼备了放置工装设备、工具的功能, 充分利用了旧实验室的有限空间。

　　 (2) 实现了新加载系统与实验室原有旧反力架的结合, 组成了使用更加灵活的结构空间加载系统。

　　 (3) 利用逆作法等施工方法克服室内施工空间限制等不利条件, 在达到设计要求、安全施工、不影响实验室原结构的前提下以较为经济的方式完成了构造复杂的试验平台的施工和安装。