万吨级多功能试验系统研制与应用

大家好，欢迎来到IT知识分享网。

编者按

★

2023年5月10日是我国第七个“中国品牌日”，为贯彻落实全国住房和城乡建设工作会议精神，打响“中国建造”品牌，全面宣传住房和城乡建设领域“中国建造”发展成就，为行业主管部门、地方政府提供决策参考，为上下游产业链提供品牌价值信息，继发起主办“2022中国品牌日品牌实践案例征集活动”并出品《2022年中国品牌日品牌创新实践报告》之后，住房和城乡建设部建筑杂志社特别策划了我为“中国建造”品牌代言及创新案例征集活动（点击查看）。即日起我社全媒体平台将对入围案例（点击查看）进行全方位立体化系统性宣传推广，典型案例和可复制可推广经验做法将通过《智库报告》（内参）上报，同时将联合参编单位共同出品《2023“中国建造”品牌创新实践案例研究报告》，还将适时举办典型经验案例交流座谈会，并联合智库专家就典型创新实践案例深度开展实地调研等。敬请关注！

案例名称

万吨级多功能试验系统研制与应用

案例类别

产品技术创新实践案例

申报单位

中建工程产业技术研究院有限公司

案例概述

近年来，土木工程领域新型、复杂、巨型结构越来越多，给设计施工带来巨大的挑战。现有工程结构试验设备加载功能难以适应巨型足尺结构的复杂加载要求。从2009年始，中国建筑集团唯一的直属科技研发机构——中建工程产业技术研究院有限公司相关项目组历经十年时间，打破国外垄断，建成了全球加载能力最强、加载空间最大、加载功能最全的万吨级多功能试验系统，垂向最大加压10800t，水平双向最大加载分别为600t和900t；水平双向最大行程分别为±1500mm和±500mm；加载高度在0.5~10m内自动可调；可进行足尺或大比例试件的六自由度结构加载试验。

创新做法

随着国民经济的快速发展，以上海中心大厦（世界第三高楼632m）、央视新主楼（世界最大悬挑的空间复杂结构）、西堠门大桥（世界第二悬索桥主跨1650m）等为代表的一系列世界级工程相继建成，这些超出常规技术水平的“高、大、特、新”结构给工程设计施工带来巨大挑战。现有试验设备加载能力低、自由度少、可试验的试件尺寸小，难以模拟实际结构真实受力状况，使得设计中不得不加大安全冗余度，造成材料成本的巨大浪费。为此，亟待研制一套具有自主知识产权、加载能力强大、结构适应性强的大型试验设备，攻克加载框架基座超高精度安装与控制、超冗余并联机构的六自由度运动控制、试件脆断的缓冲与安全保护等关键技术难题。

在国家自主创新和高技术产业化等项目支持下，经过数十年的技术攻关，中建工程产业技术研究院成功研制了全球工程结构试验加载能力最强、试验空间最大、作动器行程最长、集静力和动力试验功能于一体的万吨级多功能试验系统，技术难度大、创新性强，成果总体达到国际领先水平，其主要关键技术及创新点如下：

（1）工程结构试验能力最强的试验系统。研发设计了万吨级多功能试验加载系统，具有垂向最大加压10800t，加拉1200t，水平双向最大加载分别为600t和900t的能力；绕双向水平轴最大转角为±2°，绕竖轴最大转角为±10°；试验空间长9.1m、宽6.6m、高10m，加载高度在0.5-10m内自动可调；可以进行足尺或大比例试件的六自由度拟静力加载试验和橡胶垫隔震支座动力加载试验。

（2）加载框架基座超高精度安装与控制技术。研发了大吨位（4500t）、大体量（17.1m×13.6m×8.3m）、密闭多腔（126个腔体）的钢-混凝土组合结构基座全过程施工控制系统，保证了土木施工的基座与制造业加工的立柱及锁紧机构的高精度匹配，实现了基座与四个立柱接触面（3.5m×3.5m）的高精度施工控制（平面度<0.1mm，水平度<0.1mm/m，等高一致性<0.2mm）。

（3）大吨位垂向滑动微摩擦静压轴承技术。提出了一种基于液体静压原理的双油垫平面静压轴承腔室结构及其设计方法，首次研制了2000吨级完全油膜承载微摩擦平面静压轴承，在现场实现了大尺寸（9.1m×5.2m×0.25m）滑动平板精加工技术，保证了在平面静压轴承直径范围内（φ1250mm）内平面度≤0.03mm，整体平面度≤0.08mm，粗糙度Ra＜0.6，实现了万吨轴压下加载平台摩擦系数不大于0.25%的极低指标。

（4）超冗余并联驱动控制技术与控制系统。研发了一套综合位移指标和力指标的超冗余系统控制技术，提出了基于矢量封闭模型和时变解耦矩阵的位移控制方法，以及基于内力空间的内力抑制力/位移混合控制方法，并自主研发了控制系统，避免了控制软件被“卡脖子”问题，有效解决了14套作动器驱动6自由度加载平台的超冗余控制难题，实现了位移精度为0.2%，耦合误差为0.15%，力加载精度0.3%的高精度控制。

（5）大吨位加载试件脆断安全保护技术。研发了一套集成弹簧阻尼隔振技术、气液缓冲技术和先进控制算法的安全保护系统，有效抑制了万吨轴压下试件脆断产生的振动和冲击，相比常规固结体系方案，消除了试验机对桩基础20000t的拉力，同时将试验机自身振动位移控制在8mm以内，有效保障了试验机系统安全。

实践成效

万吨级多功能试验系统已成功投入运行，开展了数十项大型复杂结构构件及隔震产品试验，全面达到了试验系统的预期功能和性能指标。先后完成张靖皋长江大桥（主跨2300m，世界主跨最大悬索桥）新型截面钢管混凝土塔柱试验（7200吨）、国际首例万吨级加压成型钢管混凝土叠合柱加载试验（10032吨）、世界首例海上风电中空夹层钢管混凝土塔筒压弯剪扭复合加载试验、世界首例预制装配桥墩室内足尺双向抗震试验（雄安新区-大兴国际机场快线工程，试件高8.7m、重192t）、世界控制加载设备最多的大规模6层足尺钢框架混合试验等多项高精尖重试验及减隔震产品测试。应用领域涵盖房建、桥梁、航天及核电能源等领域的国家重大项目和科学前沿技术研究，为国家及行业的高质量发展提供了重要技术支撑。

万吨级多功能试验系统的成功研制彰显“中国建造”的品牌技术实力，提升“中国建造”品牌的国际影响力。项目累计授权专利21项，其中发明专利15项；发表核心及以上论文21篇，获得省部级工法4项。曾获中国施工企业管理协会“2022年工程建设十大新技术”和“2022年中建集团科技进步一等奖”。依托该系统已成功开展数十项大型结构试验，包括世界主跨最大悬索桥(张靖皋长江大桥)桥塔、雄安快轨足尺预制桥墩、核电三维隔震支座等多个重点工程关键构件试验，推动了交通基础设施、核电等战略领域相关技术与产业的发展。

行业启示

万吨级多功能试验系统的成功研制彰显了“中国建造”品牌在土木工程建设领域试验技术的世界引领，需充分利用“中国建造”的优势试验资源，加强与相关领域合作单位之间的沟通交流，持续扩大万吨级多功能试验系统的应用领域，借助“中国建造”的高端试验资源，助推我国在航天、核电、能源等国防重大战略领域及桥梁、隧道、铁路等重大基础设施领域的飞速发展。