本发明涉及一种自平衡式空间往复加载系统及方法，属于土木结构试验领域。
背景技术：
由于地震动是多维的，建筑结构在地震作用下会产生复杂的空间反应，结构的抗侧力构件会承受轴力、双向水平力、双向弯矩、甚至扭矩作用。从结构多维抗震设计的角度看，考虑双向水平地震作用比仅考虑单向水平地震作用更能体现结构的真实地震状况。在试验中模拟双向地震作用常常假设试件悬臂自由的边界条件，沿主副轴进行位移加载。这就要求在试件顶部释放所有的转动约束，对试验装置提出了新的要求。
现有的模拟双向水平地震作用的空间加载试验很多都是对于混凝土构件进行的，其抗扭刚度大，转动约束影响较小；随着针对钢构件的空间加载试验日益增多，加载过程带来的附加弯矩扭矩影响越发难以忽视，而且要实现试件顶部悬臂自由的边界条件。有的试验采用万向铰跟动装置来考虑这一影响，但是试验采用的作动器一般都很笨重，跟动效果很差；有的试验作动器与试件采用销铰等装置来实现铰接，但是会牺牲精度。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种自平衡式空间往复加载系统及方法，能够实现对构件进行空间循环加载试验时，顶部万向球铰端头可以释放转动约束，保证加载端悬臂自由的边界条件。
本发明通过使用卧式反力框架实现试验加载时力的自平衡，使用万向铰支座和万向球铰支座实现液压作动器在空间加载时的空间转动及待测试件的自由扭转，满足了待测试件加载时悬臂自由的边界条件，具有准确、稳定、便于测量等优点。本发明根据需要选取做作动器的个数，当采用双向加载时，分为一个侧向力作动器一个轴心力作动器或两个侧向力作动器两种情况，这时组装万向球铰端头时只需要两个对应方向的凸缘法兰即可。当采用单向加载时，同理，只需要一个方向的凸缘法兰和作动器。当采用三向加载时，三个液压作动器分别为x轴作动器、y轴作动器、z轴作动器，三个液压作动器两两垂直布置，三个液压作动器分别和万向球铰端头的三个端板通过高强螺栓连接。
本发明提供了一种自平衡式空间往复加载系统，包括反力框架、液压作动器、万向球铰端头、万向铰支座；
反力框架由卧式反力框架和竖向反力框架组成；待加载试件水平置于卧式反力框架中，试件一端与反力框架固结，另一端通过万向球铰端头与液压作动器连接；液压作动器的另一端分别通过万向铰支座与反力框架连接；作动器的内侧通过万向球铰端头连接，作动器的外侧通过万向铰支座与反力框架固定；万向球铰端头固定在试件上；
所述万向球铰端头包含一个核心球、两个空心半球、球铰底座、三个垫盘、三个凸缘法兰、三个端板；两个空心半球组成一个空心外球，核心球位于空心外球的中间；万向球铰端头的核心球球面和空心外球的球面是同心球面；两个空心半球与核心球之间通过垫盘和凸缘法兰固定位置连接；空心外球和球铰底座通过内六角螺栓连接，端板设置在球体的外侧，且两两垂直设置；空心外球通过凸缘法兰连接端板；
万向铰支座包括：轴承座、万向轴承、第一销轴和第二销轴、两个耳板、底座、连接端板；两个耳板和轴承座中心设有孔，两个耳板固定在连接端板上，轴承座固定在底座上，万向轴承位于轴承座的孔内，两端连接销轴，销轴穿过耳板的孔，将耳板、轴承座连接为一个整体；
液压作动器和万向球铰端头的端板通过高强螺栓连接，液压作动器的另一端分别与反力框架连接。
上述系统中，所述液压作动器包括1~3个，对应单向加载、双向加载、三向加载的情况；
当采用单向加载时，设置一个方向的凸缘法兰和作动器；
当采用双向加载时，分为一个侧向力作动器一个轴心力作动器或两个侧向力作动器两种情况，这时组装万向球铰端头时只需要两个对应方向的凸缘法兰；
当采用三向加载时，三个液压作动器分别为x轴作动器、y轴作动器、z轴作动器，三个液压作动器两两垂直布置，三个液压作动器分别和万向球铰端头的三个端板通过高强螺栓连接，液压作动器的另一端分别与反力框架连接，其中两个液压作动器位于水平方向，分别与卧式反力框架的两个垂直边通过万向铰支座连接，另一个液压作动器位于竖直方向，与横向反力框架通过万向铰支座连接。
上述系统中，所述垫盘通过螺栓将空心外球和核心球的相对位置固定，凸缘法兰能在空心外球和核心球之间任意角度旋转摆动。垫盘外表面和空心半球共面，内表面和核心球共面，垫盘与空心外球通过内六角螺栓相连。
上述系统中，反力框架包括竖向反力框架、卧式反力框架；竖向反力框架包括框架柱和框架梁，均为焊接h型钢，且h型钢上设有螺栓孔，用高强度螺栓组装成竖向反力框架；卧式反力框架四根h型钢焊接成一个长方形框架，互相垂直的两根h型钢通过高强度螺栓连接，在h型钢的翼缘板上开有螺栓孔。
上述系统中，万向球铰端头的两个空心半球和球铰底座通过高强度内六角螺栓连接；球铰底座和待加载试件采用高强螺栓相连。
上述系统中，凸缘法兰和端板通过凸缘法兰端部的攻螺纹与端板的螺纹孔配合使用。
上述系统中，万向球铰端头空心半球在凸缘法兰通过处分别设有三个孔，孔的大小与加载臂的转动角度要求直接相关，三个孔的中心线两两垂直；孔对应的圆心角为45°~90°。
上述系统中，作动器与反力框架通过万向铰支座连接，不采用液压作动器自带的支座，采用根据框架的螺栓孔定制的万向铰支座；所述万向铰支座的轴承座与反力框架连接，连接端板与作动器相连，底座下部固定在轴承座上，耳板上部固定在连接端板上，两个耳板和轴承座通过第一销轴和第二销轴连接；第一销轴一端开有内螺纹，第二销轴一端设有外螺纹，第一销轴和第二销轴穿过万向轴承连接在一起。
所述万向铰支座，轴承座尺寸和开孔根据与反力框架连接处的结构来灵活设计；
所述万向铰支座，连接端板的尺寸和开孔根据液压作动器来灵活设计。
上述系统中，所述作动器和万向铰支座的连接端板通过螺栓相连；销轴穿过两耳板，和置于轴承座的万向轴承相连，万向轴承是一种球面滑动轴承，其滑动接触表面是一个内球面和一个外球面，运动时能在任意角度旋转摆动，从而实现铰接的边界条件。
本发明提供了一种自平衡式空间往复加载方法，包括以下步骤：
（1）确定试验方案，包括试件设计和加载方案设计，确定需要作动器的数量及其加载方向；
（2）根据试验方案组装万向球铰端头，选用需要的凸缘法兰数量；
（3）将试件连接于框架中设计位置，万向球铰端头连接于试件上，使得万向球铰端板指向作动器方向，以上连接全部采用高强螺栓；再将作动器首端通过内六角螺栓连接于万向球铰端头，尾端与万向铰支座通过高强螺栓连接，万向铰支座和反力框架通过高强螺栓连接；
（4）通过控制各个作动器，实现不同加载路径，从而实现设计的加载方案。
本发明的有益效果：
（1）本发明制造出模拟双向水平地震作用试验的试验条件——柱顶悬臂自由：作动器两端分别和柱顶球铰端头、万向铰支座相连，柱顶的转动约束得到释放，同时作动器也实现了两端铰接。
（2）本发明的试验装置，适用于任何形状、任何材料的抗侧力构件进行双向水平地震作用试验，由于柱顶的转动约束全部得到了释放，柱顶只能收到给定的集中力，并且时刻指向核心球球心，通过简单的求解便可以获得球心每时每刻的准确的受力和位移。
附图说明
图1为自平衡式空间往复加载系统的整体结构图；
图2为万向球铰端头的结构示意图；
图3为万向球铰端头的零件爆炸图；
图4为万向铰支座的结构示意图；
图5为万向铰支座的零件爆炸图。
图中1为框架柱，2为框架梁，3为卧式反力框架，4为液压作动器，5为万向球铰端头，6为试件，7为万向铰支座，8为第一空心半球，9为垫盘，10为核心球，11为凸缘法兰，12为端板，13为球铰底座，14为第二空心半球，15为连接端板，16为万向轴承，17为第一销轴，18为耳板，19为第二销轴，20为轴承座，21为底座。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
一种自平衡式空间往复加载系统，包括反力框架、液压作动器、万向球铰端头、万向铰支座；
反力框架由卧式反力框架3和竖向反力框架组成；待加载试件6水平置于卧式反力框架3中，试件6一端与反力框架固结，另一端通过万向球铰端头5与液压作动器4连接；液压作动器4的另一端分别通过万向铰支座7与反力框架连接；作动器的内侧通过万向球铰端头连接，作动器的外侧通过万向铰支座与反力框架固定；万向球铰端头固定在试件上；
所述万向球铰端头5包含一个核心球10、第一空心半球8、第二空心半球14、球铰底座13、三个垫盘9、三个凸缘法兰11、三个端板12；两个空心半球组成一个空心外球，核心球10位于空心外球的中间；万向球铰端头的核心球球面和空心外球的球面是同心球面；两个空心半球与核心球10之间通过垫盘9和凸缘法兰11固定位置连接；空心外球和球铰底座13通过内六角螺栓连接，端板12设置在球体的外侧，且两两垂直设置；空心外球通过凸缘法兰11连接端板12；
万向铰支座包括：轴承座20、万向轴承16、第一销轴17和第二销轴19、两个耳板18、底座21、连接端板15；两个耳板18和轴承座20中心设有孔，两个耳板18固定在连接端板15上，轴承座20固定在底座21上，万向轴承16位于轴承座20的孔内，两端连接销轴，销轴穿过耳板的孔，将耳板、轴承座连接为一个整体；
液压作动器和万向球铰端头的端板通过高强螺栓连接，液压作动器的另一端分别与反力框架连接。
上述系统中，所述液压作动器包括1~3个，对应单向加载、双向加载、三向加载的情况；
当采用单向加载时，设置一个方向的凸缘法兰和作动器；
当采用双向加载时，分为一个侧向力作动器一个轴心力作动器或两个侧向力作动器两种情况，这时组装万向球铰端头时只需要两个对应方向的凸缘法兰；
当采用三向加载时，三个液压作动器分别为x轴作动器、y轴作动器、z轴作动器，三个液压作动器两两垂直布置，三个液压作动器分别和万向球铰端头的三个端板通过高强螺栓连接，液压作动器的另一端分别与反力框架连接，其中两个液压作动器位于水平方向，分别与卧式反力框架的两个垂直边通过万向铰支座连接，另一个液压作动器位于竖直方向，与横向反力框架通过万向铰支座连接。
上述系统中，所述垫盘9通过螺栓将空心外球和核心球的相对位置固定，凸缘法兰11能在空心外球和核心球之间任意角度旋转摆动。垫盘外表面和空心半球共面，内表面和核心球共面，垫盘与空心外球通过内六角螺栓相连。
上述系统中，反力框架包括竖向反力框架、卧式反力框架3；竖向反力框架包括框架柱1和框架梁2，均为焊接h型钢，且h型钢上设有螺栓孔，用高强度螺栓组装成竖向反力框架；卧式反力框架四根h型钢焊接成一个长方形框架，互相垂直的两根h型钢通过高强度螺栓连接，在h型钢的翼缘板上开有螺栓孔。
上述系统中，万向球铰端头5的两个空心半球和球铰底座13通过高强度内六角螺栓连接；球铰底座和待加载试件采用高强螺栓相连。
上述系统中，凸缘法兰11和端板12通过凸缘法兰端部的攻螺纹与端板的螺纹孔配合使用。
上述系统中，万向球铰端头5空心半球在凸缘法兰11通过处分别设有三个孔，孔的大小与加载臂的转动角度要求直接相关，三个孔的中心线两两垂直；孔对应的圆心角为45°~90°。
上述系统中，作动器与反力框架通过万向铰支座连接，不采用液压作动器自带的支座，采用根据框架的螺栓孔定制的万向铰支座；所述万向铰支座的轴承座20与反力框架连接，连接端板15与作动器相连，底座下部固定在轴承座20上，耳板18上部固定在连接端板15上，两个耳板18和轴承座20通过第一销轴17和第二销轴19连接；第一销轴17一端开有内螺纹，第二销轴19一端设有外螺纹，第一销轴17和第二销轴19穿过万向轴承16而连接在一起。
所述万向铰支座，轴承座尺寸和开孔根据与反力框架连接处的结构来灵活设计；
所述万向铰支座，连接端板的尺寸和开孔根据液压作动器来灵活设计。
上述系统中，所述作动器和万向铰支座的连接端板通过螺栓相连；销轴穿过两耳板，和置于轴承座的万向轴承相连，万向轴承是一种球面滑动轴承，其滑动接触表面是一个内球面和一个外球面，运动时能在任意角度旋转摆动，从而实现铰接的边界条件。
本发明提供了一种自平衡式空间往复加载方法，包括以下步骤：
（1）确定试验方案，包括试件设计和加载方案设计，确定需要作动器的数量及其加载方向；
（2）根据试验方案组装万向球铰端头，选用需要的凸缘法兰数量；
（3）将试件连接于框架中设计位置，万向球铰端头连接于试件上，使得万向球铰端板指向作动器方向，以上连接全部采用高强螺栓；再将作动器首端通过内六角螺栓连接于万向球铰端头，尾端与万向铰支座通过高强螺栓连接，万向铰支座和反力框架通过高强螺栓连接；
（4）通过控制各个作动器，实现不同加载路径，从而实现设计的加载方案。