CN109406123A - 动静态多功能试验伺服加载系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动静态多功能试验伺服加载系统，属于土木工程技术领域。本发明包括钢反力平台、反力墙、刚性十字型加载梁和动态作动器，所述反力墙包括呈90°的反力墙一和反力墙二，所述动态作动器包括若干个水平向动态作动器和若干个竖向动态作动器，水平向动态作动器分别与反力墙和刚性十字型加载梁连接，竖向动态作动器分别与钢反力平台和刚性十字型加载梁连接。本发明系统组件可自由拆装形成不同功能的试验伺服加载系统，可通过拆装连接和控制作动器实现静态多维加载、动态多维加载、竖向高速冲击加载及海浪波模拟加载系统间的自由转换，可大大节省了实验时人力、物力的投入，是设计合理、高效便捷、可自由拆卸、多功能的试验伺服加载系统。

Description

动静态多功能试验伺服加载系统

技术领域

本发明涉及动静态多功能试验伺服加载系统，属于土木工程技术领域。

背景技术

近年来地震频发，超大地震、密集地震及伴随或引发的海啸、泥石流等次生灾害会造成海陆基础设施工程结构严重破坏；此外，交通事故，恐怖袭击等偶然事件也都会对基础设施结构构件造成损伤和毁坏，且难以修复，导致重大经济损失，威胁生命安全。亟待真实模拟结构体系及结构构件地震作用、海啸、车船撞击、爆炸及冲击等作用下的力学行为的模拟测试平台。然而，现有结构试验系统不能很好的模拟大型结构构件在多灾害环境下的非线性动态行为，特别是对大型结构构件的多维动态快速滞回加载能力不足。

现有的加载系统大多可进行静态往复加载试验、拟动力实验等静态试验，但是安装及拆卸复杂，且不能模拟结构构件在实际结构中的多种边界和加载条件。因此，亟待研发一种能够兼备动静态试验功能、拆装灵活又能模拟多维加载边界条件的试验系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有加载系统存在的上述缺陷，提出了动静态多功能试验伺服加载系统。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

一种动静态多功能试验伺服加载系统，包括钢反力平台、反力墙、刚性十字型加载梁和动态作动器，所述反力墙包括呈90°的反力墙一和反力墙二，所述动态作动器包括若干个水平向动态作动器和若干个竖向动态作动器，水平向动态作动器分别与反力墙和刚性十字型加载梁连接，竖向动态作动器分别与钢反力平台和刚性十字型加载梁连接。

所述反力墙为钢筋混凝土反力墙。

所述钢反力平台和反力墙上设有若干螺栓孔。

所述螺栓孔间距500mm×500mm。

所述刚性十字型加载梁四端设有可拆卸的滑动端头。

所述刚性十字型加载梁底部设有可拆卸的冲击锤头。

所述刚性十字型加载梁底部设有可拆卸的海浪波模拟装置。

所述动态作动器包括四个水平向动态作动器和四个竖向动态作动器，八个动态作动器协同联动牵引刚性十字型加载梁可对结构构件及体系进行多个方向单调加载，可实现多维静态加载。

所述钢反力平台、反力墙、刚性十字型加载梁和动态作动器之间的连接均为可拆卸连接。

所述钢反力平台、反力墙、刚性十字型加载梁和动态作动器之间的连接均为铰接。

所述可拆卸支撑钢架、可拆卸冲击锤头、可拆卸冲击试验减振保护装置、海浪波模拟装置、海浪波冲击试件平台通过拆卸组装可分别进行不同功能的伺服加载试验。

所述钢反力平台与钢筋混凝土反力墙和混凝土地面通过螺栓连接。

所述钢反力平台上还设有可拆卸支撑钢架，可拆卸支撑钢架上设有柱形滑道，柱形滑道上连接有可拆卸的滑动端头。

所述可拆卸的滑动端头上设有圆形通孔，柱形滑道为圆柱形，可拆卸的滑动端头与柱形滑道滑动连接。

所述柱形滑道下端填充有减振垫块。

所述刚性十字型加载梁下方设有可拆卸冲击试验减振保护装置。

所述可拆卸冲击试验减振保护装置中设有速度相关型阻尼器，采用粘滞性阻尼器，以减弱试件瞬时破坏产生的振动。

所述八个动态作动器协同联动牵引刚性十字型加载梁可对结构构件及体系进行多个方向快速的循环往复加载、卸载，可实现多维动态加载。

所述刚性十字型加载梁底部设有可拆卸的冲击锤头。

所述冲击锤头包括穿透式冲击锤头和落锤式冲击锤头。

所述钢反力平台上设有可拆卸支撑钢架和可拆卸冲击试验减振保护装置，刚性十字型加载梁四端与可拆卸支撑钢架的可拆卸滑动端头连接，可拆卸滑动端头与可拆卸钢架的柱形滑道滑动连接，四个水平向动态作动器可进行拆卸，拆卸后四个竖向动态作动器配合刚性十字型加载梁、可拆卸支撑钢架、可拆卸冲击锤头和可拆卸冲击试验减振保护装置可实现动态冲击加载。

所述刚性十字型加载梁底部设有可拆卸的海浪波模拟装置。刚性十字型加载梁下方设有海浪波冲击试件平台。

所述海浪波模拟装置内部填充有粘滞流体。

所述钢反力平台上设有海浪波冲击试件平台，刚性十字型加载梁底部设有海浪波模拟装置，海浪波模拟装置内部填充有粘滞流体，四个水平向动态作动器可进行拆卸，拆卸后四个竖向动态作动器配合刚性十字型加载梁、可拆卸支撑钢架、海浪波模拟装置和海浪波冲击试件平台可实现海浪波冲击加载。

所述钢反力平台、反力墙、刚性十字型加载梁和动态作动器之间的连接均为可拆卸连接，可拆卸支撑钢架、可拆卸冲击锤头、可拆卸冲击试验减振保护装置、海浪波模拟装置、海浪波冲击试件平台通过拆卸组装可分别进行不同功能的伺服加载试验。

本发明的使用方法如下所述：

需要进行多维静态加载试验时，试件顶部与刚性十字型加载梁底部中央部位刚接，试件底部与钢反力平台刚接，八个动态作动器协同联动牵引刚性十字型加载梁进行加载，可对结构构件及体系进行多维静态加载。需要进行多维动态加载试验时，试件顶部与刚性十字型加载梁底部中央部位刚接，试件底部与钢反力平台刚接，八个动态作动器协同联动牵引刚性十字型加载梁进行快速循环往复加载，可对结构构件及体系进行多维动态加载。该功能可进行剪力墙、梁、柱、节点、隔震支座及2-3层结构多维静力加载、低周往复加载、拟动力加载、实时混合仿真加载、动态低幅度疲劳加载及动态大幅值往复加载等试验，可施加拉、压、弯、剪及扭等动静态荷载，模拟多种边界条件。

需要进行动态冲击试验时，保持四个竖向动态作动器不变，将与刚性十字型加载梁一侧连接的水平向动态作动器拆卸，另一侧可悬挂在反力墙上。四个可拆卸滑动端头一端分别与刚性十字型加载梁伸臂端部刚性连接，另一端与可拆卸支撑钢架中的柱形滑道相连接，可拆卸冲击试验减振保护装置固定于十字型加载梁底部正下方的钢反力平台，在可拆卸支撑钢架支撑与防护下形成竖向冲击试验系统。进行冲击实验时，试件置于可拆卸冲击试验减振保护装置内，将不同形式的锤头与刚性十字型加载梁底部连接，通过控制竖向四个动态作动器对刚性十字型加载梁施加竖向拉力，同时在重力作用下，使刚性十字型加载梁达到设计速度，使锤头冲击试验试件，进行冲击试验研究。进行试验时，因冲击力大，冲击速度快，为避免刚性十字型加载梁失稳，损坏动态作动器及钢反力平台，且防止试件破坏后刚性十字型加载梁会对作动器产生过量冲击并导致动态作动器损坏，在可拆卸支撑钢架的竖向导轨下增设减振垫块对刚性十字型加载梁进行缓冲隔振，在可拆卸冲击试验减振保护装置中设置速度型阻尼器以减弱试件瞬时破坏产生的振动。

海浪波冲击模拟装置内部填充粘滞流体，可填充液压油等粘滞流体，液压油在运动时各层流速不同，相邻两流层之间有相对运动，产生粘滞力。通过海浪波模拟装置持续向试件施加荷载，模拟波浪荷载，海浪波冲击模拟装置表面用高强高韧性弹性复合材料，例如采用碳纤维增强复合材料包裹，形成封闭的软体，使其具有轻质高强、高韧性、耐磨损抗烧蚀的性能，更好地模拟海浪波实时性和真实性，海浪波冲击模拟装置通过顶部的刚性连接板与刚性十字型加载梁连接，底部为柔性接触面。需要进行海浪波冲击模拟试验时，控制四个竖向动态作动器，通过刚性十字型加载梁，使软体的海浪波冲击模拟装置产生类似海浪波的运动，达到试验设计要求时，软体底部柔性接触面与试件可以紧密贴合接触，模拟海浪冲击作用，进行试验。

本发明所述的动静态多功能试验伺服加载系统，通过在有限的空间内，利用尽可能少的部件，通过选择性连接，组合拆装选择使用所需部件，实现多维静态加载试验、多维动态加载试验、动态加载试验和海浪波冲击模拟试验。作动器可以根据需要进行参数的调整，连接方式均为可拆卸连接，组合更加灵活，实现功能更加多元。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

(1)该动静态多功能试验伺服加载系统，系统组件可自由拆装形成不同功能的试验伺服加载系统，可通过拆装连接和控制作动器实现静态多维加载、动态多维加载、竖向高速冲击加载及海浪波模拟加载系统间的快速自由转换，可大大节省了实验时人力、物力的投入，是设计合理、高效便捷、可自由拆卸、多功能的试验伺服加载系统；

(2)动静态试验伺服加载系统，可通过八个动态作动器协同联动实现结构构件及体系的多维加载，特别是可以实现动态大幅值往复加载，从而对动态非线性结构行为和严重地震事件中的失效机制进行可靠的预测和模拟，对抗震新建筑物的研发和测试具有重要的意义；

(3)动态试验伺服加载系统，拆除四个水平向动态作动器之后，在刚性十字型加载梁上安装冲击锤头，利用四个竖向动态作动器的拉力和刚性十字型加载梁的自重并配合可拆卸支撑钢架和可拆卸冲击试验减振保护装置可实现竖向冲击试验，从而对车辆或船舶撞击建筑物所产生的破坏进行研究和测试，对验证和部署抗冲击的新建筑，以及加固和改良现有结构的构造技术具有重要意义；

(4)海浪波冲击系统，拆除四个水平向动态作动器，在刚性十字型梁底部中央处安装海浪波模拟装置，利用四个竖向动态作动器的拉力和刚性十字型加载梁的自重并配合可拆卸支撑钢架实现海浪波冲击模拟，对海啸等自然灾害对建筑物所产生的破坏进行研究和测试，对验证和部署抗冲击的新建筑和加固和改良现有结构的构造技术具有重要意义。

附图说明

图1是本发明整体结构的俯视示意图。

图2是本发明整体结构的主视示意图。

图3是本发明多维动静态加载系统的主视示意图。

图4是本发明动态冲击加载系统的主视示意图。

图5是本发明海浪波冲击系统的主视示意图。

图6是本发明可拆卸十字型加载梁冲击锤头的主视示意图。

图7是本发明可拆卸支撑钢架的主视示意图。

图中：1、反力墙一；2、反力墙二；3、水平向动态作动器一；4、水平向动态作动器二；5、水平向动态作动器三；6、水平向动态作动器四；7、刚性十字型加载梁；8、可拆卸支撑钢架；9、钢反力平台；10、竖向动态作动器一；11、竖向动态作动器二；12、竖向动态作动器三；13、竖向动态作动器四；14、穿透式冲击锤头；15、落锤式冲击锤头；16、柱形滑道；17、可拆卸滑动端头；18、减振垫块；19、可拆卸冲击试验减振保护装置；20、海浪波模拟装置；21、海浪波冲击试件平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-2所示，本发明所述的一种动静态多功能试验伺服加载系统，包括钢反力平台、反力墙、刚性十字型加载梁和动态作动器，所述钢筋混凝土反力墙包括呈90°的反力墙一和反力墙二，钢反力平台与钢筋混凝土反力墙和混凝土地面通过螺栓连接。所述动态作动器包括四个水平向动态作动器和四个竖向动态作动器，水平向动态作动器一3、水平向动态作动器二4分别与反力墙一1和刚性十字型加载梁7通过支座连接，连接方式为铰接。水平向动态作动器三5、水平向动态作动器四6分别与反力墙二2和刚性十字型加载梁通过支座连接，连接方式为铰接。竖向动态作动器一10、竖向动态作动器二11、竖向动态作动器三12、竖向动态作动器四13分别与钢反力平台9和刚性十字型加载梁通过支座连接，连接方式为铰接。且动态作动器下端与钢反力平台连接处为球铰，可完成动态作动器的旋转。四个水平向动态作动器和四个竖向动态作动器通过协同联动实现载荷、位移、应变等控制实现加载。

所述钢反力平台上还设有可拆卸支撑钢架8，可拆卸支撑钢架上设有柱形滑道16，圆柱形，滑动端头上设有圆形通孔，每个柱形滑道上套接连接一个滑动端头，刚性十字型加载梁四端通过螺栓各连接一个可拆卸滑动端头17。

所述柱形滑道下端填充有减振垫块18，对刚性十字型加载梁冲击试件时进行缓冲隔震并保护动态作动器。

所述刚性十字型加载梁下方设有可拆卸冲击试验减振保护装置19，凹槽内设置速度型阻尼器以减弱试件瞬时破坏产生的振动。

所述可拆卸冲击试验减振保护装置中设有速度相关型阻尼器，采用粘滞性阻尼器，由筒体、活塞和流体组成，通过流体对活塞与筒体的相对运动产生阻尼，散耗能量，减少试件冲击时产生的振动反应。

钢反力平台与钢筋混凝土反力墙和混凝土地面通过螺栓连接抗滑移，钢反力平台和反力墙上布有螺栓孔，螺栓孔间距500mm×500mm，螺栓孔的布置以方便实验试件和系统组件与钢反力平台的连接，并且可以进行拆卸和更换，增加循环使用率。

所述刚性十字型加载梁底部设有可拆卸的海浪波模拟装置，内部填充有粘滞流体。刚性十字型加载梁下方设有海浪波冲击试件平台21。

本发明的使用过程如下所述：

本发明的多维动静态加载系统如图3所示，将实验试件放于刚性十字型加载梁下方中心处，试件顶部与刚性十字型加载梁的底部中央部位连接，试件底部与钢反力平台刚接，八个动态作动器协同联动牵引刚性十字型加载梁进行加载，可对结构构件及体系进行多维静态加载。需要进行多维动态加载试验时，试件顶部与刚性十字型加载梁底部中央部位刚接，试件底部与钢反力平台刚接，八个动态作动器协同联动牵引刚性十字型加载梁进行快速循环往复加载，可对结构构件及体系进行多维动态加载。该功能可进行剪力墙、梁、柱、节点、隔震支座及2-3层结构多维静力加载、低周往复加载、拟动力加载、实时混合仿真加载、动态低幅度疲劳加载及动态大幅值往复加载等试验，可施加拉、压、弯、剪及扭等动静态荷载，模拟多种边界条件。

本发明的动态冲击加载系统如附图4所示，将与刚性十字型加载梁一侧连接的水平向动态作动器拆卸，另一侧可悬挂在反力墙上。拆除四个水平向动态作动器之后，将实验试件放于刚性十字型加载梁下方，与可拆卸冲击试验减振保护装置通过螺栓连接固定，可拆卸冲击试验减振保护装置与钢反力平台再用螺栓进行连接固定。其中具体的可拆卸刚性十字型加载梁冲击锤头结构如附图6所示，将刚性十字型加载梁四个端部与连接在柱形滑道上的滑动端头连接，并在刚性十字型加载梁底面中心处通过螺栓安装冲击锤头，可根据试验需要选择用于穿透式冲击试验的穿透式冲击锤头14和用于落锤式冲击试验的落锤式冲击锤头15，其中冲击锤头可以进行自由拆卸和更换，以模拟不同的撞击工况，后续也可以根据试验所需工况进行锤头设计和安装。具体的可拆卸支撑钢架如附图7所示，结合刚性十字型加载梁的形状以及系统要求设计稳定的可拆卸支撑钢架，防止刚性十字型加载梁在冲击过程中发生失稳。可拆卸支撑钢架四端设有柱形滑道与刚性十字型梁四端滑动端头滑动套接连接，滑动端头根据使用需要选择性与刚性十字型加载梁四端连接。在可拆卸支撑钢架下侧填充减振垫块进行隔震保护,可拆卸支撑钢架与钢反力平台通过螺栓进行连接。在安装可拆卸刚性十字型加载梁冲击锤头和可拆卸支撑钢架之后，通过四个竖向动态作动器对刚性十字型加载梁施加拉力以及刚性十字型加载梁自身重力并在可拆卸支撑钢架和可拆卸冲击试验减振保护装置的配合下可进行试件的竖向冲击，实现动态冲击试验,进而模拟和分析车辆或船舶撞击建筑物所产生的破坏。

本发明的海浪波冲击系统如附图5所示，保持四个竖向动态作动器不变，将与刚性十字型加载梁一侧连接的水平向动态作动器拆卸，另一侧可悬挂在反力墙上。在刚性十字型加载梁底表面中心处安装海浪波模拟装置20，其内部填充液压油类粘滞流体，表面用碳纤维增强复合材料包裹，形成封闭的软体，顶部为刚性连接板与刚性十字型加载梁连接，底部为柔性接触面。将实验试件通过螺栓固定在海浪波冲击试件平台上并放于刚性十字型加载梁下方，海浪波冲击试件平台与钢反力平台再用螺栓进行连接固定。进行海浪波模拟试验时，控制四个竖向动态作动器，通过刚性十字型加载梁，使软体产生类似海浪波的运动，达到试验设计要求时，软体底部柔性接触面与试件撞击，进行海浪波冲击模拟试验。

本发明所要解决的技术问题是克服了现有试验系统不能进行动态往复加载试验以研究大型结构构件动态滞回性能并模拟大型结构构件在实际地震作用下的动态力学行为，动态加载、静态加载及冲击试验功能不能兼具，且不能自由拆装以及不能模拟多种动静态边界条件问题为了克服现有结构试验系统很难对大型结构构件进行模拟试验，尤其是缺乏动态冲击试验和海浪波试验的测试平台的问题，本发明提供一种结构设计合理、高效便捷、可自由拆装、兼具动静态试验功能的三向六自由度伺服加载系统，将多维静态加载、多维动态加载及模拟冲击加载功能有效的结合起来，提供了一种新型的动静态-可拆卸-多功能试验伺服加载系统。特别是该系统的多维动载加载功能，可实现结构构件及结构体系缩尺模型的快速滞回试验研究。

本系统可灵活拆装加载系统组件,可进行结构构件及结构体系缩尺模型的静力、拟静力、拟动力、动态往复加载、及动力冲击等试验，并可进行三向六自由度拉、压、弯、剪、扭单工况及多工况耦合加载，模拟多种边界条件，形成一个动静态结合、可拆卸的多功能加载系统，为海陆基础设施给工程结构及构件的抗震及抗冲击性能研究，提供可靠的试验服务，具有重要意义。对大型结构构件及缩尺结构体系进行动、静态试验研究，推进试验技术的发展，为基础设施工程结构抗震、抗冲击试验提供试验研究平台。

以下实例用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过市售购买获得的常规产品。需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接，或一体连接；可以是电连接，也可以是直接相连，或者是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。

Claims (13)

1.一种动静态多功能试验伺服加载系统，其特征在于：包括钢反力平台(9)、反力墙、刚性十字型加载梁(7)和动态作动器，所述反力墙包括呈90°的反力墙一(1)和反力墙二(2)，所述动态作动器包括若干个水平向动态作动器和若干个竖向动态作动器，水平向动态作动器分别与反力墙和刚性十字型加载梁(7)连接，竖向动态作动器分别与钢反力平台(9)和刚性十字型加载梁(7)连接。

2.根据权利要求1所述的动静态多功能试验伺服加载系统，其特征在于：所述钢反力平台(9)和反力墙上设有若干螺栓孔。

3.根据权利要求1所述的动静态多功能试验伺服加载系统，其特征在于：所述动态作动器协同联动牵引刚性十字型加载梁(7)可对结构构件及体系进行多个方向单调加载，可实现多维静态加载。

4.根据权利要求1所述的动静态多功能试验伺服加载系统，其特征在于：所述八个动态作动器协同联动牵引刚性十字型加载梁(7)可对结构构件及体系进行多个方向快速的循环往复加载、卸载，可实现多维动态加载。

5.根据权利要求1所述的动静态多功能试验伺服加载系统，其特征在于：所述钢反力平台(9)上还设有可拆卸支撑钢架(8)，可拆卸支撑钢架(8)上设有柱形滑道(16)，柱形滑道(16)上连接有可拆卸的滑动端头。

6.根据权利要求5所述的动静态多功能试验伺服加载系统，其特征在于：所述柱形滑道(16)下端填充有减振垫块(18)。

7.根据权利要求5所述的动静态多功能试验伺服加载系统，其特征在于：所述刚性十字型加载梁(7)底部设有可拆卸的冲击锤头。

8.根据权利要求7所述的动静态多功能试验伺服加载系统，其特征在于：所述可拆卸冲击锤头包括穿透式冲击锤头(14)和落锤式冲击锤头(15)。

9.根据权利要求1所述的动静态多功能试验伺服加载系统，其特征在于：所述钢反力平台(9)上还设有可拆卸冲击试验减振保护装置(19)，可拆卸冲击试验减振保护装置(19)中设置速度型阻尼器。

10.根据权利要求7所述的动静态多功能试验伺服加载系统，其特征在于：所述刚性十字型加载梁(7)底部设有可拆卸冲击锤头，钢反力平台(9)上设有可拆卸支撑钢架(8)和可拆卸冲击试验减振保护装置(19)，刚性十字型加载梁(7)四端与可拆卸支撑钢架(8)的可拆卸滑动端头(17)连接，可拆卸滑动端头(17)与可拆卸钢架的柱形滑道(16)滑动连接，四个水平向动态作动器可进行拆卸，拆卸后四个竖向动态作动器配合刚性十字型加载梁(7)、可拆卸支撑钢架(8)、可拆卸冲击锤头和可拆卸冲击试验减振保护装置(19)可实现动态冲击加载。

11.根据权利要求1所述的动静态多功能试验伺服加载系统，其特征在于：所述刚性十字型加载梁(7)底部设有可拆卸的海浪波模拟装置(20)。

12.根据权利要求11所述的动静态多功能试验伺服加载系统，其特征在于：所述钢反力平台(9)上设有海浪波冲击试件平台(21)，刚性十字型加载梁(7)底部设有海浪波模拟装置(20)，海浪波模拟装置(20)内部填充有粘滞流体，四个水平向动态作动器可进行拆卸，拆卸后四个竖向动态作动器配合刚性十字型加载梁(7)、可拆卸支撑钢架(8)、海浪波模拟装置(20)和海浪波冲击试件平台(21)可实现海浪波冲击加载。

13.根据权利要求1-12任一项所述的动静态多功能试验伺服加载系统，其特征在于：所述钢反力平台(9)、反力墙、刚性十字型加载梁(7)和动态作动器之间的连接均为可拆卸连接，可拆卸支撑钢架(8)、可拆卸冲击锤头、可拆卸冲击试验减振保护装置(19)、海浪波模拟装置(20)、海浪波冲击试件平台(21)通过拆卸组装可分别进行不同功能的伺服加载试验。