本发明涉及构件加载系统，尤其是一种大吨位六自由度加载系统。
背景技术：
目前结构或构件加载实验中最大的困难就是如何能准确模拟边界条件，即使最为常见的梁、板、柱等构件加载实验也无法做到。以柱子实验为例来看，柱端在结构中所受到的载荷是六维的，即三个平动的力和三个转动力矩。当将柱子作为试件从结构中取出，若要准确模拟柱端的受力或变形，则要对试件的柱端施加六维的力或六维的变形，遗憾的是目前的实验室中还没有能够完成这种实验的设备。这类实验的做法是简化受力模型、简化边界条件、降低加载的维数，已经实现的实验基本上是两维或三维的，如：轴向和水平向共同加载；柱端的三向加载实验；同时在柱端施加双水平向载荷和扭转载荷的三维实验。最为常见的就是压剪实验机了,也是目前国内正在热衷建设的实验设备.由于是不完全约束柱子的端面，所以在非加载方向存在自由变形，这种实验结果与完全模拟六维边界条件的加载结果有多大的差别目前还难以估计。另一个例子就是橡胶垫支座的压剪实验，目前国内外已经建设了很多，此类实验设备，国内最大的压剪实验系统是4000吨的出力。
针对目前这些常见的加载方式存在的问题，如何实现多维度的加载，开展了多方面的尝试研究。其中，以基于Stewart平台的六自由度加载系统可行性最高。Stewart平台是六自由度并联机构的基础平台。Stewart平台具有刚度大、承载能力强、位置误差不累计等特点，它在航空、航天、海底作业、地下开采、制造装配等行业有着广泛的应用。Stewart平台可以在空间六维实现运动和力的输出，与构件的实际受力最为接近，将其运用于构件加载有着良好的前景。例如，公开号为CN205879566U、CN202614540U以及CN103558079A的专利文献均公开了基于Stewart平台设计的加载系统。但是目前这些加载系统多处于理论或者小型实验阶段，未能实现可运用于大吨位的实际模拟加载。此外，硕士论文“超大型六自由度加载平台系统的研究与实现”(华中科技大学，梁来雨)中公开了利用Stewart平台实现超大型构件的加载实验。其具体方式是在地面建立大型Stewart平台，然后利用工程车将试件运至动平台下方，通过法兰将动平台与试件相连接，进而通过对动平台的控制实现实况加载试验。利用此加载系统虽然可以实现构件的大吨位的加载，但是其还存在较多的问题。试件设置于动平台下方，导致必须极大地增加动平台的高度以及跨度才能容纳试件；动平台的高度和跨度的增加，对于动平台的控制难度也会极大地增加，实际加载误差也会有所加大，并且动平台跨度大就要求其强度更高，相应地重量也会极大地增加，从实际来看，为了支撑动平台的重量，除了Stewart平台本身的六个作动器外，其又增加了三个辅助作动器。由于作动器本身承力的限制，又会造成实际加载作用于试件上的力的降低。最后，加载系统本身的存在一定的安全隐患，容易出现安全事故。
此外，公开号为CN1546875A的专利文献，公开了一种基于六自由度平台的广义加载系统，其将Stewart平台建立与基础上，并与基础上建立反力框架，试件设置于反力框架与Stewart平台之间进行加载，在加载过程中，加载力会通过反力框架和Stewart平台传递到基础上，基础与反力框架以及Stewart平台之间的连接点会受到巨大的作用力，在设计时需要考虑基础与反力框架以及Stewart平台之间的承力能力，因此，其加载吨位受到很大限制。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种可以实现大吨位安全加载的大吨位空间六自由度加载系统。
本发明公开的大吨位空间六自由度加载系统，包括混凝土基础、Stewart平台和反力框架；
所述反力框架包括底座、立柱、主梁和上连梁，所述底座设置于混凝土基础上，所述立柱设置于底座上，所述上连梁连接于立柱顶部，所述主梁位于上连梁与动平台之间并且通过可调节高度的连接方式连接于立柱上，所述反力框架形成闭合的自平衡体系；
所述Stewart平台设置于反力框架内，包括动平台和作动器，所述动平台通过作动器设置于底座上。
优选地，所述混凝土基础包括设置于地下的外围混凝土层和位于外围混凝土层内的底座混凝土层，所述底座设置于底座混凝土层上，所述动平台与地面高度齐平。
优选地，所述立柱内侧沿竖直方向设置有多组螺栓连接孔，所述主梁上设置有对应的螺栓连接孔，所述立柱与主梁通过高强螺栓穿过螺栓连接孔相互连接。
优选地，所述立柱的数量为3个并且呈等腰三角形排布，所述主梁为与立柱相匹配的三角结构，主梁的三个角上分别设置有连接部，所述主梁通过连接部与立柱相连接。
优选地，所述连接部的顶部和底部分别设置有加强连接件，所述加强连接件包括一体成型的横板与竖板，所述横板与竖板之间设置有加强肋，所述横板与主梁相连接，所述竖板与立柱相连接。
优选地，所述上连梁为与立柱相匹配的三角结构，上连梁通过高强螺栓连接于立柱顶部。
优选地，所述底座的周边和底部均连接有加强筋，所述加强筋延伸于底座混凝土层内，所述底座的底部均匀连接有支撑工字钢，所述支撑工字钢延伸于底座混凝土层内，所述外围混凝土层与底座混凝土层之间设置有连接筋，所述加强筋和支撑工字钢位于底座混凝土层内。
优选地，所述外围混凝土层外围设置有防水卷材，所述防水卷材与外围混凝土层之间设置有砂浆保护层，所述防水卷材底部设置有垫层。
优选地，所述外围混凝土层的外侧设置有支护结构，所述支护结构包括坡面、钢筋网、超前钢管桩和锚杆，所述钢筋网设置于坡面内，所述超前钢管桩竖向布置于坡面外侧的土层内，各超前钢管桩通过钢筋相互连接为整体，所述锚杆锚入土层内，所述锚杆上通过井字钢筋与钢筋网相连接，并且各锚杆通过钢筋相互连接。
本发明的有益效果是：该大吨位空间六自由度加载系统将Stewart平台设置于由底座、立柱、主梁和上连梁组成的闭合框架体系内，试件设置于Stewart平台上，分别利用主梁和动平台实现试件上下顶面的固定，相对于将试件设置于Stewart平台下方可以大幅缩小动平台的高度与跨度，从而提高动平台的加载吨位，同时将Stewart平台和试件设置于反力框架形成的闭合自平衡体系内，加载作用力不会传递于地基基础上，使系统的加载能力不再受混凝土基础承载能力的限制，且可有效降低地基基础施工成本。主梁通过可调节高度的连接方式连接于立柱上，通过调节主梁的高度可以对高度差异较大的不同构件实现加载，使其适用于大型构件的记载；在设置主梁的基础上，还在立柱顶部设置上连梁加强整个反力框架的整体性和受力性能，进一步提高系统的加载吨位。
附图说明
图1是本发明的示意图；
图2是图1的侧视图；
图3是图1的俯视图；
图4是底座的仰视图；
图5是底座的侧视图；
图6是混凝土基础的局部剖视图；
图7是外围混凝土层的俯视图；
图8是支护结构的示意图；
图9是锚杆与坡面的连接示意图；
图10是加强连接件的示意图。
附图标记：底座1，加强筋11，支撑工字钢12，立柱2，主梁3，加强连接件31，竖板311，横板312，加强肋313，上连梁4，作动器5，动平台6，试件7，外围混凝土层81，底座混凝土层82，砂浆保护层83，防水卷材84，垫层85，连接筋86，坡面87，锚杆88，超前钢管桩89，钢筋网810。
具体实施方式
下面对本发明进一步说明。
本发明公开的大吨位空间六自由度加载系统，包括混凝土基础、Stewart平台和反力框架，所述反力框架包括底座1、立柱2、主梁3和上连梁4，所述底座1设置于混凝土基础上，所述立柱2设置于底座1上，所述上连梁4连接于立柱2顶部，所述主梁3位于上连梁4与动平台6之间并且通过可调节高度的连接方式连接于立柱2上，所述反力框架形成闭合的自平衡体系；
所述Stewart平台设置于反力框架内，包括动平台6和作动器5，所述动平台6通过作动器5设置于底座1上。
利用该大吨位空间六自由度加载系统进行加载试验时，将试件7吊装于Stewart平台的动平台6上，将试件7的底部与动平台6相固定，根据试件7的高度调整主梁3的高度，使其可以在动平台6的行程范围内实现加载，然后将试件7的顶部与主梁3相固定。试件7安装完成后，通过动平台6对试件7施力模拟试件7的受力情况，达到加载的目的。Stewart平台包含有六个作动器5，试验平台施加力的方式为：①通过动平台6上下移动对试件7施加竖向轴力(六个作动器5同时向上或向下移动，使得加载平台受到了压力或拉力，并将此力传递给试件7)；②通过平台水平方向移动对试件7施加水平剪力(六个作动器5协同工作，使得平台沿水平方向移动，并受到水平方向剪力，将此剪力传递给试件7)；③通过平台转动对试件7施加弯矩(通过对侧布置的两个作动器5竖向力的差值和他们的间距的乘积即形成了弯矩)。
为了便于试件的到位安装，所述混凝土基础包括设置于地下的外围混凝土层81和位于外围混凝土层81内的底座混凝土层82，所述底座1设置于底座混凝土层82上，所述动平台6与地面高度齐平，可以更为方便地将试件输送至动平台上。
由于动平台6的上下行程有限，但在实际中试件7的高度差异很大，主梁3通过可调节高度的连接方式连接于立柱2上，通过调整主梁3的高度可以实现对于不同高度的构件的加载。此种可调节高度的连接方式通常有两类方式，一类是采用螺栓、螺钉等可拆卸的连接方式，需要调整高度时，将主梁3拆下，然后移动至需要的位置，然后再加以固定；另一类是通过伸缩机构进行调整，比如液压设备、螺纹升降机构等等。如图1-3所示的实施例中采用了螺栓固定方式实现主梁3高度的调整，具体方式是，所述立柱2内侧沿竖直方向设置有多组螺栓连接孔，所述主梁3上设置有对应的螺栓连接孔，所述立柱2与主梁3通过高强螺栓穿过螺栓连接孔相互连接，通过重新安装主梁3即可实现其高度的调整。
为了使立柱2受力均衡，立柱2可以沿圆周分布，但是还需试件7吊装，综合而看，所述立柱2的数量为3个并且呈等腰三角形排布，所述主梁3为与立柱2相匹配的三角结构，主梁3的三个角上分别设置有连接部，所述主梁3通过连接部与立柱2相连接。此种布置方式在受力情况和操作性上均能达到最佳。如图1所示的实施例中，由反力框架与Stewart平台构成的试件7加载空间的宽度达5m，进深达3m，最大实验高度可达5m。
立柱2与主梁3通过高强螺栓连接，而在实际记载中，主梁3会承担巨大的上下作用力，为了提高其承力能力，如图1和10所示，所述连接部的顶部和底部分别设置有加强连接件31，所述加强连接件31包括一体成型的横板312与竖板311，所述横板312与竖板311之间设置有加强肋313，所述横板312与主梁3相连接，所述竖板311与立柱2相连接。立柱2为等腰三角形排布，则所述上连梁4优选为与立柱2相匹配的三角结构，上连梁4通过高强螺栓连接于立柱2顶部。
底座1和混凝土基础作为底部结构需要承担整个上部结构的重力，除了需要保证其自身的结构强度外，还需要保证两者连接的牢固性，为此，所述底座1的周边和底部均连接有加强筋11，所述加强筋11延伸于底座混凝土层82内，所述底座1的底部均匀连接有支撑工字钢12，所述支撑工字钢12延伸于底座混凝土层82内，所述外围混凝土层81与底座混凝土层82之间设置有连接筋86，所述加强筋11和支撑工字钢12位于底座混凝土层82内。在浇筑混凝土时，先进行外围混凝土层81的浇筑，然后将底座1连同其上的加强筋11和支撑工字钢12一起定位放置，再采用自密实混凝土浇筑，以加强其流动性，浇筑时，从底座1通孔灌入，向四周流动扩散。
由于外围混凝土层81位于地下，为了保证底座1部分的干燥，防止地下水浸入，所述外围混凝土层81外围设置有防水卷材84，所述防水卷材84与外围混凝土层81之间设置有砂浆保护层83，所述防水卷材84底部设置有垫层85，以保证防水卷材84的安装，同时保证对防水卷材84起到保护作用。
底座1与混凝土基础稳固连接后，就需要保证混凝土基础与土层的稳固，为此，所述外围混凝土层81的外侧设置有支护结构，所述支护结构包括坡面87、钢筋网810、超前钢管桩89和锚杆88，所述钢筋网810设置于坡面87内，所述超前钢管桩89竖向布置于坡面87外侧的土层内，各超前钢管桩89通过钢筋相互连接为整体，所述锚杆88锚入土层内，所述锚杆88上通过井字钢筋与钢筋网810相连接，并且各锚杆88通过钢筋相互连接。
采用如图1所示的实施方式，通过上述从混凝土基础到反力框架的整体优化设计，加载的能力可达：竖向力(最大)：-10000kN---25000kN；水平力(最大)：-2000kN---2000kN；力矩(最大)：-1500kNm---1500kNm；位移(最大)：-400mm---400mm；角度(最大)：-15°---15°。