CN109238667B - 试验构件空间侧向约束加载的条件控制装置的控制方法 - Google Patents

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CN109238667B CN201810853731.9A CN201810853731A CN109238667B CN 109238667 B CN109238667 B CN 109238667B CN 201810853731 A CN201810853731 A CN 201810853731A CN 109238667 B CN109238667 B CN 109238667B
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Abstract

一种试验构件空间侧向约束加载的条件控制装置的控制方法，其中，条件控制装置包括有加载装置和约束装置；加载装置至少有一组，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位置对应设置；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；在试验构件的每个节点处、位于对应的约束装置的对侧，均布置有第一位移测量装置；在试验构件上、位于每组加载装置的对侧，均沿横向间隔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、在试验中没考虑加载系统误差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条件控制装置的控制方法
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试验构件空间侧向约束加载时的条件控制装置的控制方法。
背景技术
建筑结构通常由于体型巨大，受限于经济及试验环境约束，很难进行足尺结构试验，一般选取结构中关键或受力复杂集中的部位进行研究。这样选取结构中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受力状态，也即是构件边界条件再现。
目前，在边界条件再现过程中通常只考虑构件边界自由度中的敏感自由度，即对其某个敏感的转角或位移进行约束。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，试验中所约束自由度位移或转角的变化与结构整体运动有关；同时由于结构整体弹性或塑性变形，导致结构上各点之间相对关系发生难以显式表达的变化，所以这样的做法与构件边界真实受力状况有区别的。若不考虑这些因素，则不能真实再现构件边界条件，容易造成试验结果失真。此外，在试验过程中还需考虑加载系统误差，根据约束位移变化大小，选择力或位移控制模式，以提高加载精度。
发明内容
本发明提出了一种试验构件空间侧向约束加载的条件控制装置的控制方法，要解决传统试验中构件约束的边界条件难以准确再现、在试验中没考虑加载系统误差以及试验结果的精度和可信度较低的技术问题。
本发明技术方案如下。
一种试验构件空间侧向约束加载的条件控制装置，包括有加载装置和约束装置；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，用以给节点施加主加载方向荷载；所述约束装置有一组，设置在试验构件的横向一侧；所述约束装置的自由端水平连接在试验构件上，用以约束节点的侧向位移；在试验构件的每个节点处、位于对应的约束装置的对侧，均布置有第一位移测量装置；所述第一位移测量装置用以测量试验构件上对应节点的实际侧向约束位移；在试验构件上、位于每组加载装置的对侧，均沿横向间隔布置有一组第二位移测量装置；所述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。
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；所述第一位移测量装置外侧设有第一反力架；所述第一位移测量装置的固定端与第一反力架固定连接，第一位移测量装置的自由端与试验构件铰接连接；所述第二位移测量装置外侧设有第二反力架；所述第二位移测量装置的固定端与第二反力架固定连接，第二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、第一位移测量装置和第二位移测量装置四者均与计算机相连；计算机对接收到的加载装置的加载信息、第一位移测量装置采集的实际侧向约束位移和第二位移测量装置采集的实际主加载方向位移进行分析判断。
这种试验构件空间侧向约束加载的条件控制装置的控制方法，包括如下步骤。
步骤1：布置加载装置、约束装置、第一位移测量装置和第二位移测量装置。
步骤2：记录第一位移测量装置从固定端至铰接端的距离L1，并记录第二位移测量装置从固定端至铰接端的距离L2。
步骤3：使用加载装置对试验构件进行小位移加载，根据结果得出试验构件的刚度矩阵Kspcimen。
步骤4：设定试验构件的侧向约束预期的位移变化，即每步加载过程中目标侧向约束位移
Figure GDA0003210108950000021
步骤5：确定比例积分控制算法中的控制参数KP和Ki；其中，KP是比例参数，Ki是积分参数，并且选择本次加载装置的加载速度控制参数。
步骤6：对试验构件进行加载；同时利用第一位移测量装置采集试验构件各约束点的实际侧向约束位移
Figure GDA0003210108950000022
利用第二位移测量装置采集试验构件各约束点的实际主加载方向位移
Figure GDA0003210108950000023
步骤7：对比试验构件的敏感受力点处实际侧向约束位移
Figure GDA0003210108950000024
实际主加载方向位移
Figure GDA0003210108950000025
与目标侧向约束位移
Figure GDA0003210108950000026
分析存在的侧向位移实际偏差
Figure GDA0003210108950000027
Figure GDA0003210108950000028
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8：当
Figure GDA0003210108950000029
大于规定要求的误差时，使用测量的试验构件的刚度矩阵Kspcimen与各敏感受力点侧向位移实际偏差
Figure GDA00032101089500000210
的向量
Figure GDA00032101089500000211
计算，得出当侧向位移实际偏差
Figure GDA00032101089500000212
时对应加载装置的预期出力
Figure GDA00032101089500000213
判断各加载装置的预期出力
Figure GDA00032101089500000214
是否超出加载误差限制
Figure GDA00032101089500000215
步骤9：根据判断的结果采取相应控制模式。
步骤10：重复步骤6至步骤9的过程，直至
Figure GDA00032101089500000216
小于规定要求的误差，完成边界修正。
优选的，步骤1中所述加载装置布置在试验构件的纵向一侧，所述第二位移测量装置与加载装置对应布置；所述第一位移测量装置和约束装置分别布置在试验构件的对侧；其中，加载装置、约束装置第一位移测量装置和第二位移测量装置均布置在试验构件的敏感受力点处；其中，敏感受力点为主次梁节点或者为梁柱节点。
优选的，步骤6中加载信息、实际侧向约束位移
Figure GDA00032101089500000217
和实际主加载方向位移
Figure GDA00032101089500000218
均同步输出给计算机，然后通过计算机进行分析判断。
优选的，步骤8中的加载误差限制
Figure GDA0003210108950000031
是根据加载装置1的精度计算出来的：即刚度乘以设备位移误差得出。
优选的，步骤8中当
Figure GDA0003210108950000032
小于规定要求的误差时，完成边界修正，操作停止。
优选的，步骤9中若
Figure GDA0003210108950000033
位于加载误差限制
Figure GDA0003210108950000034
以内时，确定对应于当前侧向误差
Figure GDA0003210108950000035
的约束装置的修正命令，修正命令
Figure GDA0003210108950000036
其中Δt为位移计采样间隔，KP和Ki采用逐步放大测试方法进行确定；若
Figure GDA0003210108950000037
超出加载误差限制
Figure GDA0003210108950000038
时，采用
Figure GDA0003210108950000039
将位移修正命令转换为力命令，并将力该命令交由加载装置进行执行。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果。
1、本发明的方法考虑了试验构件主加载方向上的位移对其侧向约束节点位移的影响，以及试验构件上各点相对位移关系随试验变化的影响，通过合理算法进行高精度侧向位移控制；同时本发明还考虑了试验构件的刚度及加载装置的精度限制，选择切换控制方法降低系统带来的误差，更进一步的提高了模拟结果的准确性。
2、本发明在约束点采用了反馈控制加载方法，通过对约束点及主加载方向的位移采样，分析构件当前位置与预期位置误差，综合考虑加载系统的性能，由控制算法选择力或位移加载模式，由加载装置和约束装置共同修正侧向位移误差，更精确的模拟了构件边界条件。
3、本发明中的方法，试验构件的敏感受力点约束方向进行位移监测，同时也对构件主加载方向进行位移采集；结合结构平面运动特性，对位移计信息进行分析，得出约束点真实侧向误差，采用算法选择控制模式并计算对应的加载命令，修正约束点位移，从而达到了构件约束边界的准确模拟效果。
4、本发明的方法是一种综合考虑上述因素的边界条件再现方法，通过合理算法调整约束自由度位移，降低各个因素对边界条件再现带来的不利影响，解决了传统构件约束中，试验中边界条件难以准确再现情况，提高试验结果的可信度。
附图说明
图1为本发明中条件控制装置的正视图。
图2为本发明中条件控制装置的侧视图。
图3为本发明中条件控制装置的俯视图。
附图标记：1－加载装置、2－约束装置、3－第一位移测量装置、4－试验构件、4.1－立柱、4.2－框架梁、5－第二位移测量装置、6－反力墙、7－第一反力架、8－第二反力架。
具体实施方式
如图1-3所示，这种试验构件空间侧向约束加载的条件控制装置，包括有加载装置1和约束装置2；所述加载装置1至少有一组，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；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的每个节点处、位于对应的约束装置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上对应节点的实际侧向约束位移；在试验构件4上、位于每组加载装置1的对侧，均沿横向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。
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6；所述加载装置1水平连接在左侧的反力墙6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6固定连接，加载装置1的自由端与立柱4.1螺栓固结；在每根立柱4.1上均布置有一个约束装置2、一个第二位移测量装置5和一个第一位移测量装置3；其中，第二位移测量装置5位于每根立柱4.1的右侧面上、与加载装置1相对；在第二位移测量装置5外侧设有第二反力架8；其中，第二位移测量装置5的固定端与第二反力架8焊接连接或者螺栓连接，第二位移测量装置5的自由端与试验构件4铰接连接；约束装置2连接在后侧的反力墙6与立柱4.1之间，其中，约束装置2的固定端与反力墙6固定连接，约束装置2的自由端与立柱4.1螺栓固结；第一位移测量装置3位于约束装置2的对侧，在第一位移测量装置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焊接连接或者螺栓连接，第一位移测量装置3的自由端与试验构件4铰接连接。
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。
本实施例中，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和第二位移测量装置5采集的实际主加载方向位移进行分析判断。
这种试验构件空间侧向约束加载的条件控制装置的控制方法，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；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与加载装置1对应布置；所述第一位移测量装置3和约束装置2分别布置在试验构件4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。
步骤2：记录第一位移测量装置3从第一反力架7一侧的固定端至与试验构件4一侧的铰接端的距离L1，并记录第二位移测量装置5从第二反力架8一侧的固定端至试验构件4一侧的铰接端的距离L2。
步骤3：试验构件4及试验系统安装调试完毕，使用加载装置1对试验构件4进行小位移加载，实际测量试验构件4的刚度矩阵Kspcimen；所谓的小位移加载，一般满足两个条件：一、位移较小，使构件处于弹性状态，不至于影响后续试验结果；二、小位移不能太小，过小会导致根据小位移测得的结构反力等信息误差太大，刚度计算不准备，但具体多大，根据构件刚度还有设备精度确定。
步骤4：设定试验构件4的侧向约束预期的位移变化，即每步加载过程中目标侧向约束位移
Figure GDA0003210108950000041
步骤5：确定比例积分控制算法中的控制参数KP和Ki；其中，KP是比例参数，Ki是积分参数，并且选择本次加载装置1的加载速度控制参数；KP和Ki这里采用逐步放大测试方法进行确定，保证加载控制稳定的同时，选择适于本次加载速度的控制参数。
步骤6：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 GDA0003210108950000051
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 GDA0003210108950000052
步骤7：对比试验构件4的敏感受力点处实际侧向约束位移
Figure GDA0003210108950000053
实际主加载方向位移
Figure GDA0003210108950000054
与目标侧向约束位移
Figure GDA0003210108950000055
分析存在的侧向位移实际偏差
Figure GDA0003210108950000056
Figure GDA0003210108950000057
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8：当
Figure GDA0003210108950000058
大于规定要求的误差时，使用测量的试验构件4的刚度矩阵Kspcimen与各敏感受力点侧向位移实际偏差
Figure GDA0003210108950000059
的向量
Figure GDA00032101089500000510
计算，得出当侧向位移实际偏差
Figure GDA00032101089500000511
时对应加载装置1的预期出力
Figure GDA00032101089500000512
判断各加载装置1的预期出力
Figure GDA00032101089500000513
是否超出加载误差限制
Figure GDA00032101089500000514
其中，加载装置1的预期出力
Figure GDA00032101089500000515
即如果给构件施加一个位移(这个位移就是误差
Figure GDA00032101089500000516
)，对应需要加载装置1施加力的值，计算方法为
Figure GDA00032101089500000517
是根据加载装置1的精度计算出来的：正常加载装置1有自己的误差，比如精度是0.1mm，那么让加载装置1实现0.1mm的位移那就不准确了；对于试件而言，刚度是Kspcimen，如果实现了0.1mm位移，那么应该反力F是0.1×Kspcimen，这时若让加载装置1采用力控制，力命令是F，则试验构件4也能实现0.1mm位移；所以
Figure GDA00032101089500000518
就是刚度Kspcimen乘以设备位移误差；当然了不一定非得是设备位移误差，如果试验者觉得0.5mm的误差也不能接受，那么
Figure GDA00032101089500000519
就是刚度Kspcimen乘以0.5mm。
步骤9：根据判断的结果采取相应控制模式。
步骤10：重复步骤6至步骤9的过程，直至
Figure GDA00032101089500000520
小于规定要求的误差，完成边界修正。
本实施例中，步骤6中加载信息、实际侧向约束位移
Figure GDA00032101089500000521
和实际主加载方向位移
Figure GDA00032101089500000522
均同步输出给计算机，然后通过计算机进行分析判断。
本实施例中，步骤8中的加载误差限制
Figure GDA00032101089500000523
是根据加载装置1的精度计算出来的：即刚度乘以设备位移误差得出。
本实施例中，步骤8中当
Figure GDA00032101089500000524
小于规定要求的误差时，完成边界修正，操作停止。
本实施例中，步骤9中若
Figure GDA00032101089500000525
位于加载误差限制
Figure GDA00032101089500000526
以内时，确定对应于当前侧向误差
Figure GDA00032101089500000527
的约束装置2的修正命令，修正命令
Figure GDA00032101089500000528
其中Δt为位移计采样间隔，KP和Ki采用逐步放大测试方法进行确定；若
Figure GDA0003210108950000061
超出加载误差限制
Figure GDA0003210108950000062
时，采用F＝Kspcimen×
Figure GDA0003210108950000063
将位移修正命令转换为力命令，并将力该命令交由加载装置1进行执行，加载装置1对试验构件4加载的同时，各约束装置2执行各自修正命令
Figure GDA0003210108950000064
或
Figure GDA0003210108950000065
同时采集位移信息，计算下一次加载的修正命令；重复如上几步，完成边界修正，保证高精度加载。
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 (9)

1.一种试验构件空间侧向约束加载的条件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条件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)至少有一组，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；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)的每个节点处、位于对应的约束装置(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)上对应节点的实际侧向约束位移；在试验构件(4)上、位于每组加载装置(1)的对侧，均沿横向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；
该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：使用加载装置(1)对试验构件(4)进行小位移加载，根据结果得出试验构件(4)的刚度矩阵Kspcimen；
步骤4：设定试验构件(4)的侧向约束预期的位移变化，即每步加载过程中目标侧向约束位移
Figure FDA0003210108940000011
步骤5：确定比例积分控制算法中的控制参数KP和Ki；其中，KP是比例参数，Ki是积分参数，并且选择本次加载装置(1)的加载速度控制参数；
步骤6：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 FDA0003210108940000012
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 FDA0003210108940000013
步骤7：对比试验构件(4)的敏感受力点处实际侧向约束位移
Figure FDA0003210108940000014
实际主加载方向位移
Figure FDA0003210108940000015
与目标侧向约束位移
Figure FDA0003210108940000016
分析存在的侧向位移实际偏差
Figure FDA0003210108940000017
Figure FDA0003210108940000018
Figure FDA0003210108940000019
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8：当
Figure FDA00032101089400000110
大于规定要求的误差时，使用测量的试验构件(4)的刚度矩阵Kspcimen与各敏感受力点侧向位移实际偏差
Figure FDA00032101089400000111
的向量
Figure FDA00032101089400000112
计算，得出当侧向位移实际偏差
Figure FDA00032101089400000113
时对应加载装置(1)的预期出力
Figure FDA00032101089400000114
判断各加载装置(1)的预期出力
Figure FDA00032101089400000115
是否超出加载误差限制
Figure FDA00032101089400000116
步骤9：根据判断的结果采取相应控制模式；
步骤10：重复步骤6至步骤9的过程，直至
Figure FDA0003210108940000021
小于规定要求的误差，完成边界修正。
2.根据权利要求1所述的试验构件空间侧向约束加载的条件控制装置的控制方法，其特征在于：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。
3.根据权利要求1所述的试验构件空间侧向约束加载的条件控制装置的控制方法，其特征在于：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。
4.根据权利要求1所述的试验构件空间侧向约束加载的条件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和第二位移测量装置(5)采集的实际主加载方向位移进行分析判断。
5.根据权利要求1所述的试验构件空间侧向约束加载的条件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)与加载装置(1)对应布置；所述第一位移测量装置(3)和约束装置(2)分别布置在试验构件(4)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。
6.根据权利要求1所述的试验构件空间侧向约束加载的条件控制装置的控制方法，其特征在于：步骤6中加载信息、实际侧向约束位移
Figure FDA0003210108940000022
和实际主加载方向位移
Figure FDA0003210108940000023
均同步输出给计算机，然后通过计算机进行分析判断。
7.根据权利要求1所述的试验构件空间侧向约束加载的条件控制装置的控制方法，其特征在于：步骤8中的加载误差限制
Figure FDA0003210108940000024
是根据加载装置(1)的精度计算出来的：即刚度乘以设备位移误差得出。
8.根据权利要求7所述的试验构件空间侧向约束加载的条件控制装置的控制方法，其特征在于：步骤8中当
Figure FDA0003210108940000025
小于规定要求的误差时，完成边界修正，操作停止。
9.根据权利要求7所述的试验构件空间侧向约束加载的条件控制装置的控制方法，其特征在于：步骤9中若
Figure FDA0003210108940000026
位于加载误差限制
Figure FDA0003210108940000027
以内时，确定对应于当前侧向误差
Figure FDA0003210108940000028
的约束装置(2)的修正命令，修正命令
Figure FDA0003210108940000029
其中Δt为位移计采样间隔，KP和Ki采用逐步放大测试方法进行确定；若
Figure FDA00032101089400000210
超出加载误差限制
Figure FDA00032101089400000211
时，采用
Figure FDA00032101089400000212
将位移修正命令转换为力命令，并将该力命令交由加载装置(1)进行执行。
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