CN109060503B - 试验构件空间侧向约束加载的反馈控制装置及控制方法 - Google Patents

试验构件空间侧向约束加载的反馈控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种试验构件空间侧向约束加载的反馈控制装置及控制方法，其中，反馈控制装置包括加载装置和约束装置；加载装置有一组，设置在试验构件的纵向一侧；每个加载装置与试验构件的节点对应设置，用以给节点施加主加载方向的荷载；约束装置有一组，设置在试验构件的横向一侧，用以约束节点的侧向位移；在每个约束装置的对侧，均布置有第一位移测量装置；第一位移测量装置用以测量试验构件上对应位置处的实际侧向约束位移；在每组加载装置的对侧布置有一组第二位移测量装置；第二位移测量装置用以测量试验构件上对应节点的实际主加载方向位移。本发明解决了传统试验中构件约束的边界条件难以准确再现以及试验结果的精度和可信度较低的技术问题。

Description

试验构件空间侧向约束加载的反馈控制装置及控制方法
技术领域
本发明实验力学领域，具体涉及一种土木工程结构的试验构件在空间侧向约束加载下的变形分量反馈控制方法。
背景技术
建筑结构通常由于体型巨大，从而受限于经济及试验环境约束，难以进行足尺结构试验。目前常用的试验方法一般选取结构中关键部位或受力复杂集中部位进行研究。这样选取的结构构件进行力学性能研究不可避免的需要还原构件边界真实的受力状态，也即是构件的边界条件再现。然而受限于技术条件，通常仅对构件边界自由度中敏感自由度进行结点约束，但是由于构件在结构中随着整体结构运动、运动过程及方式复杂多变以及试验中所约束自由度的位移及转角变化与结构整体运动有关，因此这样得出的结论与结构真实受力状况有区别。
发明内容
本发明提出了一种空间侧向约束加载的变形分量反馈控制装置及控制方法，要解决传统的试验方法中边界条件难以精确再现以及试验结果的准确度较低的技术问题。
本发明技术方案如下。
一种空间侧向约束加载的变形分量反馈控制装置，包括有加载装置、约束装置和位移测量装置；所述加载装置至少有一组，设置在试验构件的纵向一侧；其中，每组加载装置沿竖向平行间隔布置，并且每个加载装置与试验构件的节点位置对应设置；所述加载装置的自由端水平连接在试验构件上，用以给节点施加横向荷载；所述约束装置有一组，设置在试验构件的横向一侧；其中，约束装置的自由端水平连接在试验构件上，用以约束节点的纵向位移；所述位移测量装置有一组，设置在约束装置的对侧，用以测量试验构件的纵向位移。
优选的，所述试验构件为钢筋混凝土框架结构构件或者为钢结构构件。
优选的，所述加载装置和约束装置的外侧设有反力墙；所述加载装置的固定端与反力墙连接，加载装置的自由端与试验构件螺栓固结；所述约束装置的固定端与反力墙连接，约束装置的自由端与试验构件螺栓固结；所述位移测量装置外侧设有反力架，位移测量装置的固定端与反力架固定连接；位移测量装置的自由端与试验构件铰接连接。
优选的，所述加载装置、约束装置和位移测量装置三者均与计算机相连，该计算机对接收到的加载装置的加载信息和位移测量装置采集的实际侧向约束位移
Figure BDA0001748032250000011
进行分析判断。
一种空间侧向约束加载的变形分量反馈控制装置的控制方法，包括如下步骤。
步骤1：在试验构件的纵向一侧布置加载装置，同时在试验构件的对侧布置约束装置和位移测量装置；其中，加载装置、约束装置和位移测量装置布置在试验构件的敏感受力点处。
步骤2：对试验构件的各个敏感受力点处均设定对应的目标侧向约束位移
Figure BDA0001748032250000012
步骤3：确定比例积分控制算法中控制参数Kp、Ki；其中，Kp是比例参数，Ki是积分参数，并且选择加载装置的加载速度控制参数。
步骤4：使用加载装置进行加载，同时使用位移测量装置采集试验构件对应敏感受力点处的实际侧向约束位移
Figure BDA0001748032250000021
步骤5：对比试验构件的敏感受力点处实际侧向约束位移
Figure BDA0001748032250000022
与目标侧向约束位移
Figure BDA0001748032250000023
分析实际侧向约束位移与目标侧向约束位移之间的误差
Figure BDA0001748032250000024
步骤6：当
Figure BDA0001748032250000025
大于规定要求的误差时，得出位移修正命令，并且将该位移修正命令反馈给加载装置，加载装置在接收到位移修正命令后，对加载的数值进行修正，然后继续加载。
步骤7：重复步骤4至步骤6的过程，直至
Figure BDA0001748032250000026
小于规定要求的误差，完成边界修正。
优选的，步骤1中的敏感受力点为框架节点或者为主次梁节点或者为梁柱节点。
优选的，步骤3中比例积分控制算法的计算公式为
Figure BDA0001748032250000027
其中，Δt为位移计采样间隔，
Figure BDA0001748032250000028
为位移修正命令。
优选的，步骤4中，加载装置将加载信息输出给计算机，同时位移测量装置将采集的试验构件的实际侧向约束位移
Figure BDA0001748032250000029
输出给计算机，由计算机进行分析判断；
步骤6：当
Figure BDA00017480322500000210
大于规定要求的误差时，得出位移修正命令的具体方法为：使用计算机程序预设控制算法，对公式
Figure BDA00017480322500000211
进行计算，得出位移修正命令
Figure BDA00017480322500000212
优选的，步骤6中当
Figure BDA00017480322500000213
小于规定要求的误差时，完成边界修正，操作停止。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果。
1、本发明方法是对试验构件的约束自由度进行控制加载，通过在约束装置的对侧布置位移测量装置进行误差监测，采用反馈控制方法，通过算法调整加载装置进行加载，保证约束自由度高精度的模拟真实边界条件。
2、本发明中的控制方法在试验构件的敏感受力点布置位移测量装置监测试验构件约束方向位移变化，通过外接位移测量装置的采样结果与预期位移对比，分析其误差，使用程序预设控制算法完成侧向约束装置、位移测量装置和加载装置的命令调节，修正边界条件，达到构件约束边界的准确模拟效果；解决传统试验中边界条件难以精确再现情况，提高试验结果的可信度。
3、本发明的控制方法适用于土木工程试验中结构的空间侧向约束的加载控制，该方法可对侧向约束结点进行高精度的位移控制，及时修正试验构件侧向位移，保证试验按照预设目的完成边界条件的模拟及荷载的施加。
附图说明
图1为本发明中变形分量反馈控制装置的正视图。
图2为本发明中变形分量反馈控制装置的俯视图。
图3为本发明中变形分量反馈控制装置的侧视图。
附图标记：1－加载装置、2－约束装置、3－位移测量装置、4－试验构件、4.1－立柱、4.2－框架梁、5－反力墙、6－反力架。
具体实施方式
如图1-3所示，这种空间侧向约束加载的变形分量反馈控制装置，包括有加载装置1、约束装置2和位移测量装置3；所述加载装置1有一组，设置在试验构件4的左侧；其中，每组加载装置1沿竖向平行间隔布置，并且每个加载装置1与试验构件4的节点位置对应设置；所述加载装置1的自由端水平连接在试验构件4上，用以给节点施加横向荷载；所述约束装置2至少有一组，设置在试验构件4的横向一侧；其中，每组约束装置2沿竖向平行间隔布置，且与加载装置1对应；所述约束装置2的自由端水平连接在试验构件4上，用以约束节点的纵向位移；所述位移测量装置3至少有一组，设置在约束装置2的对侧，用以测量试验构件4的纵向位移，并将纵向位移反馈给约束装置2。
本实施例中，所述试验构件4为钢筋混凝土框架结构构件，包括有立柱4.1和连接在相邻立柱4.1之间的框架梁4.2；所述试验构件4的左侧和后侧均设有反力墙5；所述加载装置1水平连接在左侧的反力墙与立柱4.1之间，并且每个加载装置1与梁柱连接节点对应设置；其中，加载装置1的固定端与反力墙5螺栓固结，加载装置1的自由端与立柱4.1螺栓固结；所述约束装置2水平连接在后侧的反力墙与立柱4.1之间，约束装置2的组数与立柱4.1的根数相适应，并且每个约束装置2与梁柱连接节点对应设置；其中，约束装置2的固定端与反力墙5螺栓固结，约束装置2的自由端与立柱4.1螺栓固结；所述位移测量装置3前侧设有反力架6，每个位移测量装置3布置在每个约束装置2的对侧；其中，位移测量装置3的固定端与反力架6螺栓固结，位移测量装置3的自由端与立柱4.1铰接连接。
当然在其他实施例中，所述试验构件4还可以为钢结构构件；所述加载装置1至少布置有一组，设置在试验构件4的纵向一侧；其中，每组加载装置1沿竖向平行间隔布置，并且每个加载装置1与试验构件4的节点位置对应设置。
本实施例中，所述加载装置1、约束装置2和位移测量装置3三者均与计算机相连，加载装置1将加载信息、位移测量装置3将采集的实际侧向约束位移
Figure BDA0001748032250000031
输出给计算机，该计算机对接收到的加载装置1的加载信息和位移测量装置3采集的实际侧向约束位移
Figure BDA0001748032250000032
进行分析判断，再将分析结果反馈给加载装置1。
这种空间侧向约束加载的变形分量反馈控制装置的控制方法，对试验构件4上的典型受力点及约束方向进行位移监测，采集误差信息，通过控制算法分析，得出加载控制命令，修正构件约束方向的位移及反力，保证边界条件符合预期；该方法包括如下步骤。
步骤1：在试验构件4的左侧布置加载装置1，同时在试验构件4的后侧布置约束装置2、在试验构件4的前侧布置位移测量装置3；其中，加载装置1、约束装置2和位移测量装置3布置在试验构件4的框架节点或者为主次梁节点或者为梁柱节点。
步骤2：在计算机中对试验构件4的各个敏感受力点处均设定每步加载过程中对应的目标侧向约束位移
Figure BDA0001748032250000033
其中，上标m是约束点编号，下标i是加载步编号，下文中标注相同。
步骤3：确定比例积分控制算法中控制参数Kp、Ki；其中，Kp是比例参数，Ki是积分参数；在保证加载控制稳定的同时，选择适于本次加载装置1的加载速度控制参数；控制参数Kp和Ki的确定方法较多，这里采用逐步放大测试方法进行确定。
步骤4：使用加载装置1进行加载，同时使用位移测量装置3采集试验构件4对应敏感受力点处的实际侧向约束位移
Figure BDA0001748032250000041
加载装置1将加载信息输出给计算机，同时位移测量装置3将采集的试验构件4的实际侧向约束位移
Figure BDA0001748032250000042
输出给计算机，由计算机进行分析判断。
步骤5：对比试验构件4的敏感受力点处实际侧向约束位移
Figure BDA0001748032250000043
与目标侧向约束位移
Figure BDA0001748032250000044
分析实际侧向约束位移与目标侧向约束位移之间的误差
Figure BDA0001748032250000045
其中，
Figure BDA0001748032250000046
是第m个约束点对应当前第i步的加载误差。
步骤6：当
Figure BDA0001748032250000047
大于规定要求的误差时，计算机使用计算机程序预设控制算法，对公式
Figure BDA0001748032250000048
Figure BDA0001748032250000049
进行计算，得出位移修正命令
Figure BDA00017480322500000410
并且将该位移修正命令反馈给加载装置1、约束装置2和位移测量装置3；约束装置2接收到位移修正命令后，对约束反力进行修正，位移测量装置3接收到位移修正命令后，对约束方向的位移进行修正；加载装置1在接收到位移修正命令后，对加载的数值进行修正，然后继续加载。
步骤7：加载装置1对构件加载的同时，各约束结点处的约束装置2和位移测量装置3执行各自修正命令
Figure BDA00017480322500000411
同时采集误差信息，计算下一次加载的修正命令；重复步骤4至步骤6的过程，直至
Figure BDA00017480322500000412
小于规定要求的误差，完成边界修正；完成边界修正的标准由试验者自行制定，可以是
Figure BDA00017480322500000413
小于1mm，也可以是
Figure BDA00017480322500000414
小于0.1mm。
本实施例中，步骤1中的加载装置1、约束装置2和位移测量装置3还可以布置在其他由试验者根据自己试验需求设定的某些结构节点或部位。
本实施例中，步骤2中的目标侧向约束位移
Figure BDA00017480322500000415
是试验者想让试件实现的位移，如何确定则由试验者根据其试验目的自行设置。
本实施例中，步骤6中当
Figure BDA00017480322500000416
小于规定要求的误差时，完成边界修正，操作停止。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围涵盖本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.一种试验构件空间侧向约束加载的反馈控制装置的控制方法，其特征在于，
试验构件空间侧向约束加载的反馈控制装置，包括有加载装置(1)和约束装置(2)；所述加载装置(1)有一组，设置在试验构件(4)的纵向一侧；其中，每组加载装置(1)沿竖向平行间隔布置，并且每个加载装置(1)与试验构件(4)的节点对应设置；所述加载装置(1)的自由端水平连接在试验构件(4)上，用以给节点施加主加载方向的荷载；所述约束装置(2)有一组，设置在试验构件(4)的横向一侧；所述约束装置(2)的自由端水平连接在试验构件(4)上，用以约束节点的侧向位移；在试验构件(4)上、位于每个约束装置(2)的对侧，均布置有第一位移测量装置(3)；所述第一位移测量装置(3)用以测量试验构件(4)上对应位置处的实际侧向约束位移
Figure FDA0003827848400000011
在试验构件(4)上、位于每组加载装置(1)的对侧，均沿横向平行间隔布置有一组第二位移测量装置(5)；所述第二位移测量装置(5)用以测量试验构件(4)上对应节点的实际主加载方向位移
Figure FDA0003827848400000012
所述试验构件(4)为钢筋混凝土框架结构构件或者为钢结构构件；
所述加载装置(1)和约束装置(2)的外侧设有反力墙(6)；所述加载装置(1)的固定端与反力墙(6)连接，加载装置(1)的自由端与试验构件(4)螺栓固结；所述约束装置(2)的固定端与反力墙(6)连接，约束装置(2)的自由端与试验构件(4)螺栓固结；所述第一位移测量装置(3)外侧设有第一反力架(7)；所述第一位移测量装置(3)的固定端与第一反力架(7)固定连接，第一位移测量装置(3)的自由端与试验构件(4)铰接连接；所述第二位移测量装置(5)外侧设有第二反力架(8)；所述第二位移测量装置(5)的固定端与第二反力架(8)固定连接，第二位移测量装置(5)的自由端与试验构件(4)铰接连接；
控制方法包括如下步骤：
步骤1：布置加载装置(1)、约束装置(2)、第一位移测量装置(3)和第二位移测量装置(5)；
步骤2：记录第一位移测量装置(3)从固定端至铰接端的距离L1，并记录第二位移测量装置(5)固定端至铰接端的距离L2；
步骤3：设定试验构件(4)的侧向约束处预期的位移变化，即每步加载过程中目标侧向约束位移
Figure FDA0003827848400000013
步骤4：确定比例积分控制算法中控制参数Kp和Ki，并且选择本次加载装置(1)的加载速度控制参数；其中，Kp是比例参数，Ki是积分参数；
步骤5：利用加载装置(1)对试验构件(4)进行加载；同时利用第一位移测量装置(3)采集试验构件(4)各约束点的实际侧向约束位移
Figure FDA0003827848400000021
利用第二位移测量装置(5)采集试验构件(4)各约束点的实际主加载方向位移
Figure FDA0003827848400000022
步骤6：对比试验构件(4)的敏感受力点处实际侧向约束位移
Figure FDA0003827848400000023
实际主加载方向位移
Figure FDA0003827848400000024
与标侧向约束位移
Figure FDA0003827848400000025
分析存在的误差
Figure FDA0003827848400000026
Figure FDA0003827848400000027
是第m个约束点对应当前第i步加载时的侧向位移实际偏差；
步骤7：当
Figure FDA0003827848400000028
大于规定要求的误差时，得出位移修正命令
Figure FDA0003827848400000029
并且将该位移修正命令
Figure FDA00038278484000000210
反馈给加载装置(1)，加载装置(1)在接收到位移修正命令
Figure FDA00038278484000000211
后，对加载的数值进行修正，然后继续加载；其中，
Figure FDA00038278484000000212
为第m个约束点对应当前第i步加载的时的位移修正命令；
步骤8：重复步骤5至步骤7的过程，直至
Figure FDA00038278484000000213
小于规定要求的误差，完成边界修正。
2.根据权利要求1所述的一种试验构件空间侧向约束加载的反馈控制装置的控制方法，其特征在于：所述加载装置(1)、约束装置(2)、第一位移测量装置(3)和第二位移测量装置(5)四者均与计算机相连；计算机对接收到的加载装置(1)的加载信息、第一位移测量装置(3)采集的实际侧向约束位移
Figure FDA00038278484000000214
和第二位移测量装置(5)采集的实际主加载方向位移
Figure FDA00038278484000000215
进行分析判断。
3.根据权利要求1所述的试验构件空间侧向约束加载的反馈控制装置的控制方法，其特征在于：步骤1中所述加载装置(1)布置在试验构件(4)的纵向一侧；所述第二位移测量装置(5)布置在加载装置(1)的对侧；所述约束装置(2)布置在试验构件(4)的横向一侧；所述第一位移测量装置(3)约束装置(2)的对侧；其中，加载装置(1)、约束装置(2)第一位移测量装置(3)和第二位移测量装置(5)均布置在试验构件(4)的敏感受力点处；其中，敏感受力点为主次梁节点或者为梁柱节点。
4.根据权利要求1所述的试验构件空间侧向约束加载的反馈控制装置的控制方法，其特征在于：步骤4中Kp和Ki采用逐步放大测试方法进行确定。
5.根据权利要求4所述的试验构件空间侧向约束加载的反馈控制装置的控制方法，其特征在于：步骤5中的加载信息、实际侧向约束位移
Figure FDA00038278484000000216
和实际主加载方向位移
Figure FDA00038278484000000217
均同步输出给计算机，然后通过计算机进行分析判断；
步骤7中当
Figure FDA00038278484000000218
大于规定要求的误差时，采用比例积分控制算法完成约束装置(2)位移命令调整，具体为：使用计算机程序预设的比例积分控制算法，对公式
Figure FDA0003827848400000031
Figure FDA0003827848400000032
进行计算，得出位移修正命令
Figure FDA0003827848400000033
其中，Δt为位移计采样间隔。
6.根据权利要求1中所述的试验构件空间侧向约束加载的反馈控制装置的控制方法，其特征在于，步骤7中当
Figure FDA0003827848400000034
小于规定要求的误差时，完成边界修正，操作停止。
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