CN107608205A - 一种用于建筑结构的平面三自由度加载试验方法 - Google Patents

一种用于建筑结构的平面三自由度加载试验方法 Download PDF

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史鹏飞
王照然
李云贵
孙建运
蒋立红
吴斌
李伟
赵永曦
李雨亭
张翠强
李六连
王鹏
刘慧然
翟明会
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Harbin Institute of Technology
China State Construction Engineering Corp Ltd CSCEC
China Construction Baili Engineering Technology Development Co Ltd
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Harbin Institute of Technology
China State Construction Engineering Corp Ltd CSCEC
China Construction Baili Engineering Technology Development Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种用于建筑结构的平面三自由度加载试验方法，其特征在于，针对需进行试验的结构试件，确定期望位移在试件上固定安装多个作动器和位移传感器，所述位移传感器把测得的位移参数L反馈给控制器，控制器通过转换矩阵将其转换为并与期望位移进行比较，得到加载位移命令通过不断迭代，对作动器进行精确控制，可提高试验过程中的加载精度，提高试验结果的准确性。

Description

一种用于建筑结构的平面三自由度加载试验方法
技术领域
本发明属于结构工程领域，涉及一种结构加载试验方法，尤其涉及一种用于建筑结构的平面三自由度加载试验方法。
背景技术
近年来，各种新型建筑结构不断涌现，相应地，为了确保施工和使用安全，需要对这些建筑结构进行加载试验。这些建筑结构尺寸越来越大，传统的试验方法主要采用比例试件进行分析，由于缩小尺寸后相似条件较难满足，试验结果与实际情况差别较大。
国内部分高校和研究院所提出了混合试验的方法，即对部分重大关键结构采用全尺寸物理模拟，其他结构采用计算机模拟，再将分析结果进行装配还原。因此，物理模拟试验中的加载误差成为整个试验系统精度的核心控制环节，现有技术中对试验过程的误差不能实施反馈和控制，影响了试验的可靠性。
发明内容
本发明提供一种用于建筑结构的平面三自由度加载试验方法，以解决现有技术中加载误差大，边界条件难以实现的问题。
一种用于建筑结构的平面三自由度加载试验方法，针对需进行试验的结构试件，确定期望位移在试件上固定安装多个作动器和位移传感器，所述位移传感器把测得的位移参数L反馈给控制器，控制器通过转换矩阵将其转换为并与期望位移进行比较，得到加载位移命令包括以下步骤：
步骤一：将外接位移传感器安装到试件的测点上，并将伺服作动器与试件连接固定，启动传感器进行采样，伺服作动器准备接收命令，
步骤二：确定实际希望试件实现的位移，包括水平期望位移竖向期望位移和期望转角并输入控制器，
步骤三：通过转换矩阵G对三个自由度命令进行解耦，得到分别适用于三个作动器的期望命令：
步骤四：读取外接位移传感器测得的实际位移L1，L2，L3，L4，以及竖向作动器反力
步骤五：通过转换矩阵F，将L1，L2，L3，L4，转化为作动器的实际位移
步骤六：控制器将作动器的期望命令与实际位移进行比较，得到三台作动器的加载位移命令
重复步骤三到步骤六，反复迭代，直到(p＝1,2,3),停止加载，其中，e为预设的精度要求。
优选地，控制器采用比例积分算法计算，所述计算位移命令由以下公式迭代得到： (p＝1,2,3),其中，为第i+1步作动器命令，Kp，Ki为控制参数，Δt为反馈位移采样时间间隔。
特别地，试件(2)水平方向两侧分别布置水平作动器(3)和水平位移传感器(6)，试件两端分别布置第一竖向作动器(4)和第二竖向作动器(5)，第一竖向位移传感器(9)和第二竖向位移传感器(7)分别布置在试件两端，中间布置第三竖向位移传感器，水平位移传感器(3)测得位移信号记为L1,第一竖向位移传感器(9)测得位移信号记为L2，第二竖向位移传感器(7)测得位移信号记为L4，第三竖向位移传感器(8)测得位移信号记为L3，第一竖向作动器(4)测得作动器反力第二竖向作动器(5)测得作动器反力
进一步地，所述参数Kp，Ki从0开始逐步增加进行调试。
特别地，步骤三所述的对竖向期望位移和期望转角进行解耦所用的转换矩阵G为：
其中L为加载梁长度。
可选地，步骤五所述的将L2，L3，L4转换为的转换矩阵F为：
可选地，步骤五所述的将L3，L4，转换为的转换矩阵H为：
其中Kv是所加载结构的竖向刚度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的位移外环控制框图；
图2为本发明的力外环控制框图；
图3为本发明的加载示意图；
图4为采用发明的位移外环控制加载方法用于地震作用下的拟动力试验水平位移对比图；
图5为采用发明的位移外环控制加载方法用于地震作用下的拟动力试验水平竖向位移对比图；
图6为采用发明的位移外环控制加载方法用于地震作用下的拟动力试验水平转角对比图；
图7为采用发明的力外环控制加载方法用于地震作用下的拟动力试验位移对比图；
图8为采用发明的力外环控制加载方法用于地震作用下的拟动力试验竖向力对比图；
图9为采用发明的力外环控制加载方法用于地震作用下的拟动力试验转角对比图。
附图标记：1-基台、2－试件、3－水平作动器、4－第一竖直作动器、5－第二竖直作动器、6-水平位移传感器、7-第二竖向位移传感器、8-第三竖向位移传感器、9-第一竖向位移传感器
具体实施方式
参考图1一种用于建筑结构的平面三自由度加载试验方法，针对需进行试验的结构试件，确定期望位移在试件上固定安装多个作动器和位移传感器，所述位移传感器把测得的位移参数L反馈给控制器，控制器通过转换矩阵将其转换为并与期望位移进行比较，得到加载位移命令包括以下步骤：
步骤一：将外接位移传感器安装到试件的测点上，并将伺服作动器与试件连接固定，启动传感器进行采样，伺服作动器准备接收命令，
步骤二：确定实际希望试件实现的位移，包括水平期望位移竖向期望位移和期望转角并输入控制器，
步骤三：通过转换矩阵G对三个自由度命令进行解耦，得到分别适用于三个作动器的期望命令：
步骤四：读取外接位移传感器测得的实际位移L1，L2，L3，L4，以及竖向作动器反力
步骤五：通过转换矩阵F，将L1，L2，L3，L4，转化为作动器的实际位移
步骤六：控制器将作动器的期望命令与实际位移进行比较，得到三台作动器的加载位移命令
重复步骤三到步骤六，反复迭代，直到(p＝1,2,3),停止加载，其中，e为预设的精度要求。
进一步地，控制器采用比例积分算法计算，所述计算位移命令由以下公式迭代得到： (p＝1,2,3),其中，为第i+1步作动器命令，Kp，Ki为控制参数，Δt为反馈位移采样时间间隔。特别地，所述参数Kp，Ki从0开始逐步增加进行调试。
参考图1和图2，步骤三所述的对竖向期望位移和期望转角进行解耦所用的转换矩阵G为：
其中L为加载梁长度。
参考图1，本发明一种实施例中，步骤五所述的将L2，L3，L4转换为 的转换矩阵F为：
参考图2，本发明另一种实施例中，，其特征在于，步骤五所述的将L3，L4，转换为的转换矩阵H为：
其中Kv是所加载结构的竖向刚度。
参考图3，进行加载试验时，将试样2放置在基台1上，试件2水平方向两侧分别布置水平作动器3和水平位移传感器6，试件两端分别布置第一竖向作动器4和第二竖向作动器5，第一竖向位移传感器9和第二竖向位移传感器7分别布置在试件两端，中间布置第三竖向位移传感器，水平位移传感器3测得位移信号记为L1,第一竖向位移传感器9测得位移信号记为L2，第二竖向位移传感器7测得位移信号记为L4，第三竖向位移传感器8测得位移信号记为L3，第一竖向作动器4测得作动器反力第二竖向作动器5测得作动器反力
图1及图2中的加载控制系统是已经工业化生产的试验加载设备，本发明对该种设备并无特殊要求，具有广泛的适用性。
拟动力试验中选取El Centro(NS 1940)地震波，加速度峰值调为70gal，逐步积分方法选取中心差分法，结果表明，其加载位移精度达到10-2毫米量级，转角加载精度达到了10-4弧度，本发明的加载控制方法对三个自由度的期望位移与转角完成了高精度的加载。
参考图4，该图为本发明位移外环控制加载方法下结构进行地震作用下(EI-Centrol)的拟动力试验结果，图中分别将作动器行进位移与测点位移计位移对结构水平期望位移作差进行对比。结果表明，本发明加载精度远远高于直接使用作动器反馈信号的加载精度，提高了至少10倍。随着地震激励幅值变大，使用作动器自身测得的反馈信号的误差也会更大，而本发明的外环控制加载精度却不受其影响，相比之下，本发明优势更加明显，对提高加载精度具有重要意义。
参考图5，该图为本发明位移外环控制加载方法下结构进行地震作用下(EI-Centrol)的拟动力试验结果，图中分别将由作动器行进位移计算得出的结构竖向位移与测点位移计位移测得的结构竖向位移对结构竖向期望位移作差进行对比。结果表明，本发明加载精度远远高于直接使用作动器反馈信号的加载精度，提高了至少10倍。
参考图6，该图为本发明位移外环控制加载下结构进行地震作用下(EI-Centrol)的拟动力试验结果，图中分别将由作动器行进位移计算得出的结构转角与由测点位移计位移计算得出的结构转角对结构期望转角作差进行对比。结果表明，本发明加载精度远远高于直接使用作动器反馈信号的加载精度，提高了至少10倍。
参考图7，该图为本发明力外环控制加载下结构进行地震作用下(EI-Centrol)的拟动力试验结果，图中分别将作动器行进位移与测点位移计位移对结构水平期望位移作差进行对比。结果表明，本发明加载精度远远高于直接使用作动器反馈信号的加载精度，提高了至少10倍。
参考图8，该图为本发明力外环控制加载下结构进行地震作用下(EI-Centrol)的拟动力试验结果，图中为结构实际竖向反力与期望反力作差。结果表明，竖向反力误差在5kN上下，对于土木工程中大刚度结构而言，该误差已经非常之小，本发明对于竖向反力控制也具有较高精度。
参考图9，该图为本发明力外环控制加载下结构进行地震作用下(EI-Centrol)的拟动力试验结果，图中分别将由作动器行进位移计算得出的结构转角与由测点位移计位移计算得出的结构转角对结构期望转角作差进行对比。结果表明，本发明加载精度远远高于直接使用作动器反馈信号的加载精度，提高了至少10倍。
以上所述的实例仅仅是对本发明的用于建筑结构的平面三自由度加载试验方法实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于建筑结构的平面三自由度加载试验方法，其特征在于，针对需进行试验的结构试件，确定期望位移在试件上固定安装多个作动器和位移传感器，所述位移传感器把测得的位移参数L反馈给控制器，控制器通过转换矩阵将其转换为并与期望位移进行比较，得到加载位移命令包括以下步骤：
步骤一：将外接位移传感器安装到试件的测点上，并将伺服作动器与试件连接固定，启动传感器进行采样，伺服作动器准备接收命令，
步骤二：确定实际希望试件实现的位移，包括水平期望位移竖向期望位移和期望转角并输入控制器，
步骤三：通过转换矩阵G对三个自由度命令进行解耦，得到分别适用于三个作动器的期望命令：
步骤四：读取外接位移传感器测得的实际位移L1，L2，L3，L4，以及竖向作动器反力
步骤五：通过转换矩阵F，将L1，L2，L3，L4，转化为作动器的实际位移
步骤六：控制器将作动器的期望命令与实际位移进行比较，得到三台作动器的加载位移命令
重复步骤三到步骤六，反复迭代，直到停止加载，其中，e为预设的精度要求。
2.根据权利要求1所述的用于建筑结构的平面三自由度加载试验方法，其特征在于，控制器采用比例积分算法计算，所述计算位移命令由以下公式迭代得到： 其中，为第i+1步作动器命令，Kp，Ki为控制参数，Δt为反馈位移采样时间间隔。
3.根据权利要求1所述的用于建筑结构的平面三自由度加载试验方法，其特征在于，试件(2)水平方向两侧分别布置水平作动器(3)和水平位移传感器(6)，试件两端分别布置第一竖向作动器(4)和第二竖向作动器(5)，第一竖向位移传感器(9)和第二竖向位移传感器(7)分别布置在试件两端，中间布置第三竖向位移传感器，水平位移传感器(3)测得位移信号记为L1,第一竖向位移传感器(9)测得位移信号记为L2，第二竖向位移传感器(7)测得位移信号记为L4，第三竖向位移传感器(8)测得位移信号记为L3，第一竖向作动器(4)测得作动器反力第二竖向作动器(5)测得作动器反力
4.根据权利要求2所述的用于建筑结构的平面三自由度加载试验方法，其特征在于，所述参数Kp，Ki从0开始逐步增加进行调试。
5.根据权利要求3所述的用于建筑结构的平面三自由度加载试验方法，其特征在于，步骤三所述的对竖向期望位移和期望转角进行解耦所用的转换矩阵G为：
其中L为加载梁长度。
6.根据权利要求3所述的用于建筑结构的平面三自由度加载试验方法，其特征在于，步骤五所述的将L2，L3，L4转换为的转换矩阵F为：
<mrow> <mfenced open = "(" close = ")"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow> </mtd> <mtd> <mn>1</mn> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow> </mtd> <mtd> <mn>1</mn> </mtd> <mtd> <mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>.</mo> </mrow>
7.根据权利要求3所述的用于建筑结构的平面三自由度加载试验方法，其特征在于，步骤五所述的将L3，L4，转换为的转换矩阵H为：
其中Kv是所加载结构的竖向刚度。
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