CN102928293B - 多功能码头结构动力静力试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能码头结构动力静力试验系统，包括可拆卸大刚度承载框架、垂向加载作动器、水平加载作动器、多通道控制器、电液伺服油源系统、数据采集系统、位移和力传感器。加载框架净空尺寸最大4.5m×4.5m×4.5m（长×宽×高），试验空间可根据试样要求任意调节，加荷方式可以通过两个10t~100t静态垂向作动器、3t~20t动态水平作动器完成竖向和水平组合加载，模拟大水位差高桩框架码头结构在门机荷载、堆货荷载、船舶荷载等各种复杂工况组合作用下整体或构件受力性能试验。并提供了码头结构动力静力试验方法，能真实的模拟码头结构在各种复杂受力工况下的受力变形性能，也可用于类似结构的受力试验。

Description

多功能码头结构动力静力试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及一种适用于空间结构件的受力变形试验系统及试验方法，特别涉及一种码头空间结构受力变形试验系统及试验方法。

背景技术

随着国民经济的发展，内河航运的基础建设也取得了长足的进步，但由于内河码头建设面临复杂的水文和地质环境，在船舶系缆力或撞击力及各种复杂工况作用下，极易造成大水位差高桩框架码头的破坏，因此，在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。

因此急需一种码头空间结构件受力变形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空间结构件受力变形试验系统及试验方法。

本发明的目的之一是提出一种多功能码头结构动力静力试验系统；本发明的目的之二是提出一种利用多功能码头结构动力静力试验系统来进行的码头结构动力静力试验的方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的多功能码头结构动力静力试验系统，包括承载框架、用于模拟高桩码头竖向荷载的垂向加载作动器、用于模拟船舶对码头的撞击力和系缆力的水平加载作动器、分别为垂向加载作动器与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；所述承载框架通过反力地基构成封闭的试件加载空间，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，所述垂向加载作动器设置于加载框架的垂向调节梁上并作用于试件，所述电液伺服驱动器分别与垂向加载作动器和水平加载作动器连接并分别为其提供动力，所述控制器分别与垂向加载作动器和水平加载作动器连接用于控制垂向加载作动器和水平加载作动器对试件施加载荷，所述水平加载作动器设置有水平位移传感器，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，所述垂向加载作动器设置有垂向位移传感器，所述垂向位移传感器设置于垂向加载作动器与试件接触的作用端，所述水平加载作动器设有水平负荷传感器，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，所述垂向加载作动器设有垂向负荷传感器，所述垂向负荷传感器用于检测垂向加载作动器对试件施加的载荷，所述水平位移传感器、垂向位移传感器、水平负荷传感器、垂向负荷传感器分别与数据采集系统连接。

进一步，所述承载框架包括承载横梁、立柱和斜支撑，所述承载横梁、立柱和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。

进一步，所述水平调节梁为设置于加载框架上垂向移动的承载横梁，所述垂向调节梁为设置于加载框架上水平移动的承载横梁。

进一步，所述承载框架还包括双层试验力分配梁、试件底座、水平支撑装置和水平拉杆支撑板，所述双层试验力分配梁设置与垂向加载作动器与试件之间，所述试件设置于试件底座上，所述试件底座与试件连接，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。

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。

进一步，所述垂向加载作动器还设置有万向球头和法兰，所述垂向加载作动器通过万向球头与前端部分配梁连接，所述垂向加载作动器通过法兰与水平调节梁连接；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试样连接，所述水平加载作动器通过后球铰与垂向调节梁连接。

进一步，所述水平加载作动器采用电液伺服拟动力作动器，用于最高响应频率高于20Hz的拟动力加载试验。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的根据多功能码头结构动力静力试验系统来进行的码头结构动力试验方法，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：按规范分级驱动垂向加载作动器作用于待测试件垂向载荷，获取垂向承载力信号及位移、变形信号；

S5：按规范分级驱动水平加载作动器作用于待测试件水平载荷，获取水平承载力信号及位移、变形信号；

S6：处理获取垂向承载力信号、水平承载力信号及位移、变形信号；

S7：分析待测试件并输出处理结果。

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：框架组装简单，结构稳定，具有很强的通用性。既能完成高桩码头的加载实验又能根据添加的辅具完成梁、板、柱、墙、框架、节点等典型结构的力学性能试验，垂向承载梁能和滑动导轨能够在不移动高桩码头的情况下直接调整高桩码头的受力点。在控制方面，采用POP-M多通道电液伺服计算机控制，该控制系统操作方便，控制精度高，系统的稳定性好，数据采集的精度高，并且该控制系统有着很强的数据分析能力。

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。

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高桩框架码头结构试验加载主视图；

图2为本发明实施例提供的高桩框架码头结构试验加载侧视图；

图3为本发明实施例提供的高桩框架码头结构试验加载俯视图；

图4为本发明实施例提供的码头结构动力试验方法流程图；

图5为本发明实施例提供的码头结构动力试验装置原理框图。

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、水平承载梁-12、控制器-13。

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高桩框架码头结构试验加载主视图，图2为本发明实施例提供的高桩框架码头结构试验加载侧视图，图3为本发明实施例提供的高桩框架码头结构试验加载俯视图，图4为本发明实施例提供的码头结构动力试验方法流程图，图5为本发明实施例提供的码头结构动力试验装置原理框图，如图所示，本发明提供的多功能码头结构动力试验系统，包括承载框架1、用于模拟高桩码头竖向荷载如门机轮压力、堆货荷载的垂向加载作动器2、用于模拟船舶对码头的撞击力和系缆力的水平加载作动器3、分别为垂向加载作动器与水平加载作动器提供动力的电液伺服驱动器（包括电液伺服油源4）、控制器13、数据采集系统。所述垂向加载作动器设置于分配梁11的导轨10上，所述承载框架与反力地基一起，构成了封闭的试件加载空间5，为电液伺服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（即承载横梁6）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，所述垂向加载作动器设置于加载框架的垂向调节梁上并作用于试件，所述垂向加载作动器采用最大推力为2×1000（100）千牛，最大拉力为2×500（50）千牛，最大行程为300毫米；所述电液伺服驱动器分别与垂向加载作动器和水平加载作动器连接并分别为其提供动力，所述控制器分别与垂向加载作动器和水平加载作动器连接用于控制垂向加载作动器和水平加载作动器对试件施加载荷，所述水平加载作动器设置有水平位移传感器，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，所述垂向加载作动器通过导轨10来调节垂向加载作动器的位置，所述垂向加载作动器设置有垂向位移传感器，所述垂向位移传感器设置于垂向加载作动器与试件接触的作用端，所述水平加载作动器设有水平负荷传感器，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，所述垂向加载作动器设有垂向负荷传感器，所述垂向负荷传感器用于检测垂向加载作动器对试件施加的载荷，所述水平位移传感器、垂向位移传感器、水平负荷传感器、垂向负荷传感器分别与数据采集系统连接。

所述承载框架包括承载横梁6、立柱7、斜支撑8，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。

所述水平调节梁为设置于加载框架上垂向移动的承载横梁，所述垂向调节梁为设置于加载框架上水平移动的承载横梁（即水平承载梁12）。

所述承载框架还包括双层试验力分配梁11、试件底座、水平支撑装置9、水平拉杆支撑板，所述双层试验力分配梁设置与垂向加载作动器与试件之间，所述试件设置于试件底座上，所述试件底座与试件连接，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。

所述承载框架的长、宽、高分别为6米、6米、6米，本发明提供的实施例采用的组合式加载框架，整个框架由钢结构梁、柱、斜支撑等部件由8.8级以上的高强度螺栓连接而成，所有的部件均为钢板焊接而成，退火处理后经过机械加工达到设计尺寸，组装后形成整体框架，加载框架竖向满足动态加载1000千牛的要求，保证长时间使用不变形，随时可以进行拆卸后再组装为其他用途的加载框架。不仅可以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，以满足其他结构如：墙、柱、板、梁及节点等典型建筑结构试验的要求，全方位地发挥加载框架的作用，达到一次投资，长期使用的目的。

所述承载框架还设置有用于移动试件的门式起重机，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。

所述垂向加载作动器还设置有万向球头和法兰，所述垂向加载作动器通过万向球头与前端部分配梁连接，所述垂向加载作动器通过法兰与水平调节梁连接；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试样连接，所述水平加载作动器通过后球铰与垂向调节梁连接。

所述水平加载作动器采用电液伺服拟动力作动器，用于最高响应频率高于20Hz的拟动力加载试验。

本发明提供的实施例采用两个100吨拟静力电液伺服作动器作为垂向加载作动器，配有内置式磁致伸缩位移传感器和高精度负荷传感器。

根据多功能码头结构动力试验系统来进行的码头结构动力试验方法，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：按规范分级驱动垂向加载作动器作用于待测试件垂向载荷，获取垂向承载力信号及位移、变形信号；

S5：按规范分级驱动水平加载作动器作用于待测试件水平载荷，获取水平承载力信号及位移、变形信号；

S6：处理获取垂向承载力信号、水平承载力信号及位移、变形信号；

S7：分析待测试件并输出处理结果。处理结果包括输出应力和应变值；

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。根据这些实验结果及分析结论，得到码头动力结构的试验结论。

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 (9)

1.  多功能码头结构动力静力试验系统，其特征在于：包括承载框架、用于模拟高桩码头竖向荷载的垂向加载作动器、用于模拟船舶对码头的撞击力和系缆力的水平加载作动器、分别为垂向加载作动器与水平加载作动器提供动力的电液伺服驱动器、控制器和数据采集系统；所述承载框架通过反力地基构成封闭的试件加载空间，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，所述垂向加载作动器设置于加载框架的垂向调节梁上并作用于试件，所述电液伺服驱动器分别与垂向加载作动器和水平加载作动器连接并分别为其提供动力，所述控制器分别与垂向加载作动器和水平加载作动器连接用于控制垂向加载作动器和水平加载作动器对试件施加载荷，所述水平加载作动器设置有水平位移传感器，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，所述垂向加载作动器设置有垂向位移传感器，所述垂向位移传感器设置于垂向加载作动器与试件接触的作用端，所述水平加载作动器设有水平负荷传感器，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，所述垂向加载作动器设有垂向负荷传感器，所述垂向负荷传感器用于检测垂向加载作动器对试件施加的载荷，所述水平位移传感器、垂向位移传感器、水平负荷传感器、垂向负荷传感器分别与数据采集系统连接。

2.  根据权利要求1所述的多功能码头结构动力静力试验系统，其特征在于：所述承载框架包括承载横梁、立柱和斜支撑，所述承载横梁、立柱和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。

3.  根据权利要求2所述的多功能码头结构动力静力试验系统，其特征在于：所述水平调节梁为设置于加载框架上垂向移动的承载横梁，所述垂向调节梁为设置于加载框架上水平移动的承载横梁。

4.  根据权利要求3所述的多功能码头结构动力静力试验系统，其特征在于：所述承载框架还包括双层试验力分配梁、试件底座、水平支撑装置和水平拉杆支撑板，所述双层试验力分配梁设置与垂向加载作动器与试件之间，所述试件设置于试件底座上，所述试件底座与试件连接，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。

5.  根据权利要求4所述的多功能码头结构动力静力试验系统，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。

6.  根据权利要求5所述的多功能码头结构动力静力试验系统，其特征在于：所述垂向加载作动器还设置有万向球头和法兰，所述垂向加载作动器通过万向球头与前端部分配梁连接，所述垂向加载作动器通过法兰与水平调节梁连接；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试样连接，所述水平加载作动器通过后球铰与垂向调节梁连接。

7.  根据权利要求6所述的多功能码头结构动力静力试验系统，其特征在于：所述水平加载作动器采用电液伺服拟动力作动器，用于最高响应频率高于20Hz的拟动力加载试验。

8.  根据权利要求1至7任一项所述的多功能码头结构动力静力试验系统来进行的码头结构动力试验方法，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：按规范分级驱动垂向加载作动器作用于待测试件垂向载荷，获取垂向承载力信号及位移、变形信号；

S5：按规范分级驱动水平加载作动器作用于待测试件水平载荷，获取水平承载力信号及位移、变形信号；

S6：处理获取垂向承载力信号、水平承载力信号及位移、变形信号；

S7：分析待测试件并输出处理结果。

9.  根据权利要求8所述的多功能码头结构动力静力试验系统来进行的码头结构动力试验方法，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。