CN102928213B - 码头结构抗疲劳试验系统及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种码头结构抗疲劳试验系统及试验方法，包括承载框架、水平加载作动器、控制器、数据采集系统，水平加载作动器包括电液伺服阀、作动器本体和传感器。电液伺服阀与作动器本体连接并为作动器本体提供动力，可以完成码头常用构件的结构性能试验。通过磁致伸缩位移传感器获取水平承载力信号，真实的反映船舶荷载对码头结构的影响；电液伺服阀的输出压力油直接进入作动器，消除了管路液动力对作动器响应的影响，提高了作动器的响应频率；水平加载作动器的最高工作频率达20Hz，能够满足绝大部分拟动力加载试验和疲劳加载试验的要求，并能真实的模拟码头结构在各种复杂受力工况下的疲劳性能，并提供了码头疲劳承载力的试验方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于结构件的抗疲劳承载力试验的系统及试验方法，特别涉及一种码头结构件抗疲劳承载力试验的系统及试验方法。
背景技术
近年来水运事业得到了发展，特别是港口码头建设受到了广泛的关注，因此对码头修建的质量更需要有可靠的保障，由于船舶系缆力和对码头构件的撞击力以及船舶在停靠状态下由水流作用引起的挤靠力都会对码头结构会产生破坏，特别是在大水位差高桩框架码头的建设中，对码头整体结构的受力分析以及码头结构中桩、柱、梁、板、墙、框架、节点等常用构件的结构性能试验显得尤为重要，而在现实的技术中还没有可以模拟各种复杂工况作用下码头整体结构或构件疲劳性能的试验系统和试验方法，大型结构试验系统是一种用于测试结构力学性能的大型仪器，它的研制和发展，对国家现代化建设过程中必须建设的基础设施的设计检验、优化、验证具有重要意义。
大规模的工程设计的风险性和节约资源减少成本的总体要求对大型工程在设计阶段的试验验证变得更为重要和必不可少，在设计和使用过程中必须考虑的结构在复杂外界条件下(负荷、振动、高低温、腐蚀、风化)的变形和断裂强度等技术指标以及各种结构整体工作性能、钢筋混凝土结构非线性性能等问题的研究需要也日益突出。
现代结构试验由过去的单个构件试验向整体结构试验和足尺寸试验转化，为确保安全必须进行接近实际结构或全尺寸试验，同时，科学技术的发展特别是计算机技术、电子技术、自动控制技术和液压伺服技术的飞速发展为结构试验和监测技术的发展提供了坚实的基础，为各种复杂结构的设计、试验和监测提供了有力的保障，促进了结构设计理论的发展。因此，世界上各国都在致力于大型结构试验仪器的开发研究。
因此急需一种码头结构件疲劳承载力试验系统及试验方法。
发明内容
有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提出一种码头结构件抗疲劳承载力试验系统及试验方法。
本发明的目的之一是提出一种码头结构抗疲劳试验系统；本发明的目的之二是提出一种码头结构抗疲劳试验方法。
本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供的码头结构抗疲劳试验系统，包括承载框架、用于模拟船舶对码头的撞击力挤靠力和系缆力的水平加载作动器、为水平加载作动器提供动力的电液伺服油源、控制器和数据采集系统，所述水平加载作动器设置于承载框架的水平调节梁上并作用于测试件，所述控制器与水平加载作动器连接，所述控制器用于控制水平加载作动器对测试件施加载荷，所述水平加载作动器与数据采集系统连接，所述数据采集系统用于采集水平加载作动器施加载荷到测试件上所产生的检测信号。
进一步，所述水平加载作动器包括电液伺服阀、作动器本体和传感器，所述电液伺服阀安装在作动器本体上，所述电液伺服阀与作动器本体连接并为作动器本体提供动力，所述传感器设置于作动器本体上，所述传感器用于检测测试件负荷和位移信号。
进一步，所述传感器包括水平负荷传感器和水平位移传感器，所述水平负荷传感器设置于水平加载作动器上，所述水平负荷传感器用于检测水平加载作动器对试件施加的载荷，所述水平位移传感器设置于水平加载作动器与试件接触的作用端。
进一步，所述水平加载作动器还设置有前球铰和后球铰，所述水平加载作动器通过前球铰与测试件连接，所述水平加载作动器通过后球铰与承载框架的垂向调节梁连接。
进一步，所述前球铰和后球铰为带有关节轴承的无间隙球铰。
进一步，所述承载框架包括承载横梁、立柱、斜支撑、试件底座、水平支撑装置、水平拉杆支撑板、用于移动试件的门式起重机，所述承载横梁、立柱、斜支撑通过螺栓以可拆卸的方式连接形成组合式框架结构，所述水平支撑装置设置于承载框架一侧用于加固承载框架，所述水平拉杆支撑板设置于试件底座与承载框架的立柱之间，所述水平拉杆支撑板用于调节试件底座的位置，所述门式起重机设置于承载框架顶部的承载横梁。
进一步，所述控制器为多通道工控PC控制器，所述控制器与数据采集系统通讯连接，用于实现控制器内部信号与外部数据信号的同步采集。
本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供的码头结构抗疲劳试验方法，包括以下步骤：
S1：根据试验要求制作试件并预埋测试元件；
S2：数据采集系统参数设置初始化；
S3：放置待测试件；
S4:预加静载；
S5：按规范分级驱动水平加载作动器作用于待测试件反复水平载荷，获取试件承载力信号及位移、变形信号；
S6：处理试件承载力信号及位移、变形信号；
S7：输出处理结果。
进一步，所述步骤S7中处理结果包括应力和应变值；所述应力和应变值通过图或表的形式列出。
本发明的优点在于：本发明采用20吨拟动力伺服作动器作为水平加载作动器施加在被测试件上的水平试验力，通过磁致伸缩位移传感器获取水平承载力信号，然后通过处理水平承载力信号来测量试件的载荷能力，能真实的反映船舶对待测码头结构件的撞击力和系缆力的影响，可以完成单个作动器加载，也可以完成多个作动器同步或异步协调加载，满足不同的结构试验的要求。
本发明采用组合式加载框架，整个框架由螺栓连接而成，可以进行拆卸后再组装，满足高桩框架码头结构试验的要求，还可以非常方便地通过调整框架的组合方式和试验空间，变更框架用途，达到一次投资，长期使用的目的。
将电液伺服阀装在水平加载作动器上，电液伺服阀的输出压力油直接进入作动器，消除了管路液动力对作动器响应的影响，提高了作动器的响应频率，水平加载作动器的最高工作频率达20Hz，能够满足绝大部分拟动力加载试验和疲劳加载试验的要求，通过前后球铰保证了水平加载作动器的响应速度。
本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明实施例提供的码头结构抗疲劳试验系统的加载框架主视图；
图2为本发明实施例提供的码头结构抗疲劳试验系统的加载框架侧视图；
图3为本发明实施例提供的码头结构抗疲劳试验系统的加载框架俯视图；
图4为本发明实施例提供的码头结构抗疲劳试验系统中水平加载作动器示意图；
图5为本发明实施例提供的码头结构抗疲劳试验方法流程图。
图中，承载框架-1、垂向加载作动器-2、水平加载作动器-3、电液伺服油源-4、试件加载空间-5、承载横梁-6、立柱-7、斜支撑-8、水平拉杆支撑板-9、导轨-10、分配梁-11、水平调节梁-12、控制器-13、后球铰-14、位移传感器输出线-15、作动器本体-16、负荷传感器-17、进油油管-18、伺服阀-19。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
图1为本发明实施例提供的码头结构抗疲劳试验系统的加载框架主视图，图2为本发明实施例提供的码头结构抗疲劳试验系统的加载框架侧视图，图3为本发明实施例提供的码头结构抗疲劳试验系统的加载框架俯视图，如图所示：本发明提供的码头结构抗疲劳试验系统，包括承载框架1、用于模拟船舶对码头的撞击力挤靠力和系缆力的水平加载作动器、为水平加载作动器3提供动力的电液伺服油源4、控制器13和数据采集系统，该系统还可以设置分配梁11上的导轨10运行的垂向加载作动器2，但是当进行抗疲劳测试时，只需要使用水平加载作动器，所述水平加载作动器设置于加载框架的水平调节梁12上并作用于测试件，所述控制器与水平加载作动器连接，所述控制器用于控制水平加载作动器对测试件施加载荷，所述水平加载作动器与数据采集系统连接，所述数据采集系统用于采集水平加载作动器施加载荷到测试件上所产生的检测信号。
所述承载框架与反力地基一起，构成了封闭的加载空间5，为水平加载作动器加载系统提供反力架。所述水平加载作动器设置于加载框架的水平调节梁上并作用于试件，所述水平加载作动器采用最大推力2×250(30)千牛，最大拉力为2×200(20)千牛，最大行程为250毫米，最高工作频率为20赫兹，所述控制器与水平加载作动器连接，所述控制器用于控制水平加载作动器对测试件施加载荷，所述水平加载作动器与数据采集系统连接，所述数据采集系统用于采集水平加载作动器施加载荷到测试件上所产生的检测信号。
所述传感器包括水平负荷传感器和水平位移传感器，所述水平负荷传感器设置于水平加载作动器上，所述水平负荷传感器用于检测水平加载作动器对试件施加的载荷，所述水平位移传感器设置于水平加载作动器与试件接触的作用端。
图4为本发明实施例提供的码头结构抗疲劳试验系统中水平加载作动器示意图，如图所示：所述水平加载作动器设置有前球铰、后球铰14、位移传感器输出线15、作动器本体16、负荷传感器17、进油油管18和伺服阀19。伺服阀19采用电液伺服阀，所述电液伺服阀安装在作动器本体16上，所述电液伺服阀与作动器本体连接并为作动器本体提供动力，负荷传感器设置于作动器本体上，负荷传感器用于检测测试件负荷和位移信号。所述水平加载作动器通过前球铰与测试件连接，所述水平加载作动器通过后球铰与承载框架的垂向调节梁连接，前球铰和后球铰为带有关节轴承的无间隙球铰。
所述承载框架包括承载横梁6、立柱7、斜支撑8、试件底座、水平支撑装置、水平拉杆支撑板9、用于移动试件的门式起重机，所述承载横梁、立柱、斜支撑通过螺栓以可拆卸的方式连接形成组合式框架结构，所述水平支撑装置设置于承载框架一侧用于加固承载框架，所述水平拉杆支撑板设置于试件底座与承载框架的立柱之间，所述水平拉杆支撑板用于调节试件底座的位置，所述门式起重机设置于承载框架顶部的承载横梁。
所述控制器为多通道工控PC控制器，所述控制器与数据采集系统通讯连接，用于实现控制器内部信号与外部数据信号的同步采集。
图5为本发明实施例提供的码头结构抗疲劳试验方法流程图，如图所示，根据本发明所提供的试验系统来进行的码头结构抗疲劳试验方法，包括以下步骤：
S1：根据试验要求制作试件并预埋测试元件；
S2：数据采集系统参数设置初始化；
S3：放置待测试件；
S4:预加静载；
S5：按规范分级驱动水平加载作动器作用于待测试件水平方向反复载荷，获取试件承载力信号及位移、变形信号；
S6：处理试件承载力信号及位移、变形信号；
S7：输出处理结果。
在所述步骤S7中首先找出各项观测项目的有代表性的数值，如在设计荷载作用下的码头结构的水平和竖直的最大应力、应变和最大裂缝等值。将上述应力、应变值用图或表的形式列出，与理论计算出或者通过软件模拟计算出的结果进行比较，并计算出结构内力。根据这些实验结果分析，得到码头结构动力性能的试验结论。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.码头结构抗疲劳试验系统，其特征在于：包括承载框架、用于模拟船舶对码头的撞击力、挤靠力和系缆力的水平加载作动器、为水平加载作动器提供动力的电液伺服油源、控制器和数据采集系统，所述水平加载作动器设置于承载框架的水平调节梁上并作用于测试件，所述控制器与水平加载作动器连接，所述控制器用于控制水平加载作动器对测试件施加载荷，所述水平加载作动器与数据采集系统连接，所述数据采集系统用于采集水平加载作动器施加载荷到测试件上所产生的检测信号；
所述承载框架包括承载横梁、立柱、斜支撑、试件底座、水平支撑装置、水平拉杆支撑板、用于移动试件的门式起重机，所述承载横梁、立柱、斜支撑通过螺栓以可拆卸的方式连接形成组合式框架结构，所述水平支撑装置设置于承载框架一侧用于加固承载框架，所述水平拉杆支撑板设置于试件底座与承载框架的立柱之间，所述水平拉杆支撑板用于调节试件底座的位置，所述门式起重机设置于承载框架顶部的承载横梁。
2.根据权利要求1所述的码头结构抗疲劳试验系统，其特征在于：所述水平加载作动器包括电液伺服阀、作动器本体和传感器，所述电液伺服阀安装在作动器本体上，所述电液伺服阀与水平作动器本体连接并为作动器本体提供动力，所述传感器设置于作动器本体上，所述传感器用于检测测试件负荷和位移信号。
3.根据权利要求2所述的码头结构抗疲劳试验系统，其特征在于：所述传感器包括水平负荷传感器和水平位移传感器，所述水平负荷传感器设置于水平加载作动器上，所述水平负荷传感器用于检测水平加载作动器对试件施加的载荷，所述水平位移传感器设置于水平加载作动器与试件接触的作用端。
4.根据权利要求3所述的码头结构抗疲劳试验系统，其特征在于：所述水平加载作动器还设置有前球铰和后球铰，所述水平加载作动器通过前球铰与测试件连接，所述水平加载作动器通过后球铰与承载框架的垂向调节梁连接。
5.根据权利要求4所述的码头结构抗疲劳试验系统，其特征在于：所述前球铰和后球铰为带有关节轴承的无间隙球铰。
6.根据权利要求1所述的码头结构抗疲劳试验系统，其特征在于：所述控制器为多通道工控PC控制器，所述控制器与数据采集系统通讯连接，用于实现控制器内部信号与外部数据信号的同步采集。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的试验系统来进行的码头结构抗疲劳试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：根据试验要求制作试件并预埋测试元件；
S2：数据采集系统参数设置初始化；
S3：放置待测试件；
S4：预加静载；
S5：按规范分级驱动水平加载作动器作用于待测试件水平方向反复载荷，获取试件承载力信号及位移、变形信号；
S6：处理试件承载力信号及位移、变形信号；
S7：输出处理结果。
8.根据权利要求7所述的码头结构抗疲劳试验方法，其特征在于：所述步骤S7中处理结果包括应力和应变值；所述应力和应变值通过图或表的形式列出。
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