CN111272582A - 一种结构单向压剪静力试验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种结构单向压剪静力试验系统及方法，包括加载设备、测控系统、反力地板、反力墙、位移传感器、柱式力传感器以及角度计；加载设备包括竖向施压组件和水平向作动器组件；试验试件沿竖直方向设置于反力地板上；竖向施压组件设置于试验试件上，用于对试验试件施加竖直方向的张拉力；水平向作动器组件一端连接于反力墙上，其另一端沿水平方向连接于试验试件顶部的侧面上；位移传感器设置于试验试件上，并与水平向作动器组件处于一条水平线上；柱式力传感器设置于竖向施压组件上；测控系统分别与柱式力传感器、位移传感器以及水平向作动器组件电连接；角度计用于测量竖向施压组件的角度；本发明试验加载控制精度高、可提高试验效率。

Description

一种结构单向压剪静力试验系统及方法
技术领域
本发明属于压剪静力试验技术领域，具体涉及一种结构单向压剪静力试验系统及方法。
背景技术
土木工程领域中，单向压剪静力试验是研究结构体系抗震性能的重要方法，试验荷载分为竖向荷载和水平往复荷载。竖向荷载所等效模拟的是试验原型结构受到的上部荷载，包括恒荷载和活荷载的组合值，其方向与重力方向相同、是铅直向下的。水平往复荷载所等效模拟的是试验原型结构受到的地震力。试验加载过程中，需要最大限度的保持竖向荷载恒定且其方向的铅直向下，从而准确模拟试验原型的受力状态以及重力二阶效应。
目前单向压剪静力试验的方法主要有两种：
1.在反力地板上搭建反力刚架反力刚架底部紧固连接在反力地板处，试验试件安装在反力刚架内，液压设备安装在试验试件与反力刚架之间，反力刚架、液压设备、试验试件与反力地板形成竖向加载的内力自平衡体系，以液压设备对试验试件施加的压力模拟试验原型结构受到的上部荷载，液压设备具有可滑动的装置，可沿着水平往复荷载的加载方向滑动，从而保证竖向荷载始终沿着铅直方向施加到试验试件上，水平往复荷载使用液压伺服作动器施加；
2.将预应力钢棒一端固定在反力地板处，另一端固定在试件顶部，对预应力钢棒施加预张力，预应力钢棒、试验试件、反力地板形成竖向加载的内力自平衡体系，预应力钢棒受到的张拉力与试验试件受到的压力等值反向，以预应力钢棒的张拉力对试验试件产生的压力模拟试验原型结构受到的上部荷载，水平往复荷载使用液压伺服作动器施加。
上述方法1的主要不足是：反力刚架的刚度须至少大于试件竖向抗压刚度的10倍才能保证试验试件与反力刚架在受压状态下产生的竖向变形不影响试验加载，从而保证试验加载的准确性与安全性；囿于反力刚架的造价，刚架不会制作得太大，试验试件不会特别大，而所施加的竖向荷载也不会太大，很难实现大比例尺或足尺试验，不利于通过试验真实反映大尺寸试验原型的抗震性能；即便斥巨资制做出巨大的刚架，结构较为复杂，由于其安装不方便，也会大大降低试验效率。
上述方法2的主要不足是：钢棒在受到张拉力后并紧固后，钢棒受到的张拉力与试验试件受到的压力等值反向，钢棒与试验试件随动，钢棒的轴向变形与试验试件受到在压力方向上产生的变形是协调的，当水平往复荷载与压力同时施加到试验试件时，试验试件会产生水平变形和沿着压力方向上的联合变形，由于试验试件的结构形式不同，其联合变形可能是弯曲型变形、剪切型变形或剪弯型变形，因此验试件受到在压力方向上产生的变形是变化的，进而钢棒的轴向变形也是变化的；钢棒轴向变形与钢棒的张拉力具有正比例的关系，钢棒的轴向变形变化时，钢棒的张拉力会变化，试验试件受到的压力也会变化，试验加载所模拟的上部荷载不在等于试验原型的上部荷载，试验试件实际的受力状态不再与试验原型相同，使得试件受到的压力不准。
同时，试验试件受到的压力垂直与试验试件的顶部截面，当试验试件产生水平变形和沿着压力方向上的联合变形时，试验加载施加压力的竖向分量模拟的是上部荷载，试验试件实际的受力状态不再与试验原型相同。当试验试件的抗侧刚度小、侧向变形大时，以上两种不利影响会十分显著。进一步地，这种加载方式无法准确模拟诸如钢筋混凝土框架柱、桥墩等抗侧刚度较小的试验原型结构在地震作用下的上部荷载的重力二阶效应。
中国专利CN109855984公开了一种单向压剪加载装置及其使用方法，其改进了上述方法1，可准确模拟试验原型在地震作用下的重力二阶效应；主要利用水平反力地板、试验件右侧的反力墙、试验件左侧的预应力竖向拉杆和试验件上侧的水平悬臂反力梁形成内力自平衡受力体系，使用安装在水平悬臂梁与试验件之间的竖向千斤顶配合滑动坦克施加竖向荷载，保证了所模拟试验原型受到的上部荷载的铅直向下；但在水平施加荷载的过程中，由于试验件的结构体系的多样性，试验件的水平、竖向联合变形具有不确定性，联合变形有可能是剪弯变形、剪切变形、弯曲变形或其他形式的变形，对于沿着水荷载施加方向的尺寸较大的试验件，其试验件的联合变形会导致滑动坦克滑动空间的不均匀变化，在水平荷载施加的过程中，滑动坦克存在卡在试件与水平悬臂梁之间的可能。
基于上述单向压剪静力试验中存在的技术问题，尚未有相关的解决方案；因此迫切需要寻求有效方案以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术中存在的不足之处，提出一种结构单向压剪静力试验系统及方法，旨在解决现有单向压剪静力试验结构复杂、效率低、测验结果不准的问题。
本发明提供一种结构单向压剪静力试验系统，包括加载设备、测控系统、反力设施、位移传感器、柱式力传感器以及角度计；加载设备包括竖向施压组件和水平向作动器组件；反力设施包括反力地板和反力墙；反力地板沿水平方向设置，用于放置试验试件；反力墙沿竖直方向设置于反力地板一侧；试验试件沿竖直方向设置于反力地板上；竖向施压组件设置于试验试件上，用于对试验试件施加竖直方向的张拉力；水平向作动器组件一端连接于反力墙上，水平向作动器组件另一端沿水平方向连接于试验试件顶部的侧面上，水平向作动器组件用于测量试验试件水平方向的受力；位移传感器设置于试验试件上，并与水平向作动器组件处于一条水平线上；位移传感器用于检测试验试件的水平位移；柱式力传感器设置于竖向施压组件上，用于检测竖直方向的张拉力；测控系统分别与柱式力传感器、位移传感器以及水平向作动器组件电连接，用于采集试验试件竖直方向的张拉力数据和水平方向的受力数据；角度计设置于竖向施压组件上，用于测量竖向施压组件的角度。
进一步地，竖向施压组件包括千斤顶、油泵、分配梁、加载梁、预应力钢棒以及铰接座；铰接座固定设置于反力地板上；加载梁设置于试验试件的顶部，分配梁设置于加载梁的顶部，分配梁的横截面面积小于加载梁的横截面面积；千斤顶设置于分配梁的顶部；预应力钢棒依次穿过千斤顶、分配梁以及加载梁并与铰接座固定连接；油泵通过连接管与千斤顶连接。
进一步地，分配梁和加载梁均为钢构件；和/或，分配梁和加载梁上分别设有通孔，通孔直径为100mm；和/或，千斤顶上设有穿心孔，穿心孔的直径大于100mm小于120mm；和/或，千斤顶的出力为千斤顶的面积与油泵提供的油压的乘积，且千斤顶最大出力为200吨；和/或，预应力钢棒的直径为80mm，预应力钢棒的外表面上设有T型螺纹，预应力钢棒和T型螺纹极限为400吨；和/或，柱式力传感器为单向压力式传感器；柱式力传感器的量程为0-250吨；柱式力传感器安装在千斤顶上端面并与千斤顶紧密贴合。
进一步地，竖向施压组件包括第一竖向施压组件和第二竖向施压组件包括；第一竖向施压组件设置于试验试件上，用于向试验试件施加左侧竖直方向的张拉力；第二竖向施压组件设置于试验试件上，用于向试验试件施加右侧竖直方向的张拉力。
进一步地，水平向作动器组件包括液压伺服作动器和转换夹板，液压伺服作动器具有配套的液压油源；液压伺服作动器上分别设有内置力传感器、内置位移传感器以及伺服阀，伺服阀分别与内置力传感器和内置位移传感器电连接；转换夹板设置于试验试件上；内置力传感器用于测量液压伺服作动器的动作受力，内置位移传感器用于测量液压伺服作动器的动作位移；液压伺服作动器一端通过作动器连接板与反力墙的外侧面固定连接，液压伺服作动器另一端通过内置力传感器与转换夹板连接；位移传感器的量测方向与液压伺服作动器加载方向在同一直线上。
进一步地，铰接座上设有转动铰，角度计设置于转动铰上；角度计为单轴角度计；角度计可实时量测转动铰的转动角度；角度计的转动量测轴垂直于转动铰的转动平面。
进一步地，测控系统包括信号采集模块、计算模块以及信号生成模块；信号采集模块通过通讯线缆分别与柱式力传感器、位移传感器以及角度计电连接，用于实时采集柱式力传感器、位移传感器以及角度计的信号；信号采集模块还通过通讯线缆分别与伺服阀和油泵上的电磁溢流阀电连接，用于实时检测伺服阀和电磁溢流阀的工作指令；信号生成模块用于将计算模块实时计算的命令转化成电平信号，并向电磁溢流阀、液压伺服作动器的伺服阀发出工作指令的电平信号。
进一步地，反力地板与反力墙是钢筋混凝土结构，反力地板与反力墙通过钢筋混泥土浇筑一体成型；反力地板与反力墙上分别设有直径为100mm的第一定位孔和第二定位孔，第一定位孔和第二定位孔的间距为500mm。
相应地，本发明还提供一种结构单向压剪静力试验方法，应用于上述所述的结构单向压剪静力试验系统；还包括以下步骤：
S1：修建反力设施：通过现浇的施工方法修建反力设施形成一个整体结构；
S2：制作与安装试验试件：制作试验试件并将试验试件安装在反力地板，连接方式为螺栓紧固连接；
S3：将试验试件与试验系统全部设备和仪器连接；
S4：向试验试件施加目标荷载，计算试验试件的单向压剪静力；
S5：拆除试验试件以及试验系统，结束试验。
进一步地，S3步骤具体包括：
S31：使用高强螺杆将转换夹板加紧在试验试件顶部；
S32：调整液压伺服作动器的安装高度，使得液压伺服作动器的位置位于试验试件顶部，使用丝杠将作动器连接板安装在反力墙上，将液压伺服作动器一端与作动器连接板紧固相连接，将液压伺服作动器的另一端与转换夹板相连接；
S33：将铰支座底部紧固连接在反力地板处；
S34：依次安装加载梁、分配梁、千斤顶以及柱式力传感器；将预应力钢棒从上到下依次穿过柱式力传感器、千斤顶、分配梁、加载梁和铰支座；
S35：对预应力钢棒施加试验加载所需的张拉力，然后将其上下两端使用与其直径和螺纹匹配的紧固螺母分别固定在千斤顶处和铰支座处上；
S36：依次安装柱式力传感器、位移传感器、角度计；将位移传感器设置于试验试件上，并与水平向作动器组件处于一条水平线上；位移传感器的量测方向与液压伺服作动器加载方向在同一直线上；将测控系统分别与柱式力传感器、位移传感器以及水平向作动器组件电连接。
进一步地，所述S4步骤具体包括：
S41：确定试验加载所需的比例-积分-微分控制算法的参数；其中Kp d是位移控制模式下算法的比例参数，Ki d是位移控制模式下算法的积分参数，Kd d是位移控制模式下算法的微分参数，Kp jack是力控制模式下算法的比例参数，Ki jack是力控制模式下算法的积分参数，Kd jack是力控制模式下算法的微分参数；
S42：确定液压伺服作动器施加的试验荷载的历程di targ.以及竖向压力的目标力G；
S43：启动油泵与液压伺服作动器的液压油源，控制液压伺服作动器与千斤顶对试验试件施加试验荷载以及竖向压力；液压伺服作动器的加载控制模式为位移控制模式，视试验试件侧向变形量di达到指定目标值di targ为完成加载的标志；千斤顶的加载控制模式为力控制模式，视柱式力传感器量测到的千斤顶的出力Fi jack与转动铰的转动角度cosθi bar的乘积到达试验目标力G为完成加载的标志；
S44：当试验加载进行到第i步时，测控系统的信号采集模块采集第i步时位移传感器的输出信号di，柱式力传感器的输出信号Fi jack，角度计的输出信号cosθi bar；测控系统通过通讯接口将di、Fi jack、cosθi bar传递给测控系统的计算模块，计算模块计算第i步位移误差ei d＝di-di targ.和力的误差ei jack＝Fi jack-G；
S45：计算模块通过比例积分微分控制算法计算出第i步液压伺服作动器的加载修正值ui d与千斤顶的加载修正值ui jack；其中，ui d与ui jack计算方法分别：ui d＝Kp dei d+Ki d∑j＝0 j＝i(ej d)+Kd d(ei d-ei-1 d)；ui jack＝Kp jackei jack+Ki jack∑j＝0 j＝i(ej jack)+Kd jack(ei jack-ei-1 jack)；计算模块计算出修正后的加载位移目标di+ui d与力目标Fi jack+ui jack，将di+ui d与Fi jack+ui jack传递给测控系统的信号生成模块；
S46：信号生成模块将di+ui d与Fi jack+ui jack分别转换成电平信号，并将电平信号分别对应传到伺服阀以及电磁溢流阀；
S47：伺服阀在收到di+ui d电平信号后调整液压伺服作动器对试验试件施加的水平荷载，修正加载的目标位移为di+ui d；电磁溢流阀在收到Fi jack+ui jack电平信号后控制油泵调整千斤顶对试验试件施加的竖向压力，修正加载的目标力为Fi jack+ui jack；
S48：信号采集模块采集位移传感器的输出信号di,upg，柱式力传感器的输出信号Fi,upg jack，以及角度计的输出信号θi，upg bar；
S49：计算机计算位移误差ei,upg d＝di,upg-di targ.与力的误差ei,upg jack＝Fi,upg jackcosθi，upg bar-G；
S410：计算机判断位移误差绝对值abs(ei,upg d)与绝对值abs(ei,upg jack)同时小于试验加载可接受的误差时，认为第i步的试验加载完成，否则，重复S45～S49，直至移误差绝对值abs(ei,upg d)与力的误差绝对值abs(ei,upg jack)同时小于试验加载可接受的误差；
S411：记录并存储试验第i步试验加载完成时，液压伺服作动器的内置力传感器的量测值Fi act、内置位移传感器的量测值di,upg act、柱式力传感器的量测值Fi,upg jack以及角度计的量测值cosθi，upg bar；
S412：液压伺服作动器施加的试验荷载的历程di targ.全部完成后，试验加载结束。
采用上述本方法，使得本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
第一、试验加载力学机理更加明确，可准确模拟试验原型的受力状态
由于本发明使用的千斤顶、油泵、分配梁、加载梁、预应力钢棒、铰支座与试验试件形成内力自平衡体系，千斤顶对预应力钢棒施加的张拉力与试验试件受到的压力等值反向；当试验试件受到水平力的作用时，试验产生联合变形，铰支座的转动带动预应力钢棒在空间平面内转动，通过调节千斤顶出力保证试验受到的压力在铅直向的分量恒为试验加载的目标值，试验加载的力学机理明确，易于试验结果的分析。
第二、提高试验效率，降低试验成本
由于本发明加载设备包括千斤顶、油泵、分配梁、加载梁、预应力钢棒、以及铰支座，各个加载设备的体量均不会过大、可灵活地组装与拆卸，无需搭建大型反力刚架，提高了试验效率，降低了试验成本。
第三、试验加载控制精度高
本发明提供的试验加载方法使用比例-积分-微分控制算法控制液压伺服作动器对试验试件施加水平作用力，以试验试件受到液压伺服作动器施加的水平荷载的加载方向上的实际位移作为加载控制指标，以试验试件的实际位移与试验目标位移的偏差作为判别完成水平加载的标志，加载控制的精度高。
第四、试验结果准确
本发明提供的试验加载方法使用比例-积分-微分控制算法控制穿心千斤顶对预应力钢棒施加张拉力，试验试件、千斤顶、油泵、分配梁、加载梁、预应力钢棒、以及铰支座形成的内力自平衡体系在加载测控设备的实时调节下可使得试验试件受到恒定的铅直向下的压力，可准确模拟结构在地震作用下的自重影响以及重力二阶效应。
此外，以液压伺服作动器实际施加的水平荷载减去千斤顶施加力的水平分量作为结构实际受到的水平作用力，以试验试件受到液压伺服作动器施加的水平荷载的加载方向上的实际位移作为水平位移，试验结果可准确地反映试验原型结构在地震往复荷载作用下的抗震性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明一种结构单向压剪静力试验系统一主视图；
图2为本发明一种结构单向压剪静力试验系统一侧视图；
图3为本发明一种结构单向压剪静力试验系统加载设备与测控设备架构组成的示意图；
图4为本发明一种结构单向压剪静力试验系统二主视图；
图5为本发明一种结构单向压剪静力试验系统一侧视图；
图6为本发明一种结构单向压剪静力试验方法第i步加载测控流程图。
图中：1-试验试件，2-加载设备，3-测控系统，4-反力设施，5-位移传感器，6-柱式力传感器，7-角度计，21-千斤顶，23-分配梁，24-加载梁，25-预应力钢棒，26-铰支座，211-电磁溢流阀，261-转动铰，27-液压伺服作动器，28-转换夹板，29-连接杆，210-作动器连接板，272-伺服阀，273-内置力传感器，31-信号采集模块，32-计算模块，33-信号生成模块，41-反力地板，42-反力墙，34-通讯线缆。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图3所示，本发明提供一种结构单向压剪静力试验系统，可用于土木工程领域，通过静力加载准确模拟试验原型结构在动力的地震作用下的上部荷载作用、所受到的地震力作用以及结构重力二阶效应；试验系统包括加载设备2、测控系统3、反力设施4、位移传感器5、柱式力传感器6以及角度计7；加载设备2包括竖向施压组件和水平向作动器组件；反力设施4包括反力地板41和反力墙42；反力地板41沿水平方向设置，用于放置试验试件1；反力墙42沿竖直方向设置于反力地板41一侧；试验试件1沿竖直方向设置于反力地板41上；竖向施压组件设置于试验试件1上，用于对试验试件1施加竖直方向的张拉力；水平向作动器组件一端连接于反力墙42上，水平向作动器组件另一端沿水平方向连接于试验试件1顶部的侧面上，水平向作动器组件用于测量试验试件1水平方向的受力；位移传感器5设置于试验试件1上，并与水平向作动器组件处于一条水平线上；位移传感器5用于检测试验试件1的水平位移；柱式力传感器6设置于竖向施压组件上，用于检测竖直方向的张拉力；测控系统3分别与柱式力传感器6、位移传感器5以及水平向作动器组件电连接，用于采集试验试件1竖直方向的张拉力数据和水平方向的受力数据；角度计7设置于竖向施压组件上，用于测量竖向施压组件的角度；采用上述方案，具有试验效率高、试验模拟准确等优点，可进行大比例尺试验加载。
优选地，结合上述方案，如图1至图3所示，本实施例中，竖向施压组件包括千斤顶21、油泵22、分配梁23、加载梁24、预应力钢棒25以及铰接座26；其中，千斤顶21对预应力钢棒25施加的张拉力与试验试件1受到的压力等值反向；油泵具有电磁溢流阀221，电磁溢流阀221可接收外部控制命令实时改变油泵的油压；铰接座26固定设置于反力地板41上；加载梁24设置于试验试件1的顶部，分配梁23设置于加载梁24的顶部，分配梁23的横截面面积小于加载梁24的横截面面积；千斤顶21设置于分配梁23的顶部；预应力钢棒25依次穿过千斤顶21、分配梁23以及加载梁24并与铰接座26固定连接；油泵22通过连接管与千斤顶21连接。
优选地，结合上述方案，如图1至图3所示，本实施例中，分配梁23和加载梁24均为钢构件；和/或，分配梁23和加载梁24上分别设有通孔，通孔直径为100mm，设有加劲肋板；和/或，千斤顶21上设有穿心孔，穿心孔的直径大于100mm小于120mm；和/或，千斤顶21的出力为千斤顶21的面积与油泵22提供的油压的乘积，且千斤顶21最大出力为200吨；和/或，预应力钢棒25的直径为80mm，预应力钢棒25的外表面上设有T型螺纹，预应力钢棒25和T型螺纹极限均为400吨。
优选地，结合上述方案，如图1至图3所示，本实施例中，竖向施压组件包括第一竖向施压组件和第二竖向施压组件包括；第一竖向施压组件设置于试验试件1上的左侧，用于向试验试件1施加左侧竖直方向的张拉力；第二竖向施压组件设置于试验试件1上的右侧，用于向试验试件1施加右侧竖直方向的张拉力；采用上述方案，通过在试验试件1两侧设有竖向施压组件，以同时对两侧竖直方向施加张拉力。
优选地，结合上述方案，如图1至图3所示，本实施例中，水平向作动器组件包括液压伺服作动器27和转换夹板28，液压伺服作动器27具有配套的液压油源；液压伺服作动器27上分别设有内置力传感器273、内置位移传感器以及伺服阀272，伺服阀272分别与内置力传感器273和内置位移传感器电连接；转换夹板28设置于试验试件1上；内置力传感器273用于测量液压伺服作动器27的动作受力，内置位移传感器用于测量液压伺服作动器27的动作位移；液压伺服作动器27一端通过作动器连接板与反力墙42的外侧面固定连接，液压伺服作动器27另一端通过内置力传感器273与转换夹板28连接；位移传感器5的量测方向与液压伺服作动器27加载方向在同一直线上。
优选地，结合上述方案，如图1至图3所示，本实施例中，铰接座26上设有转动铰261，转动铰261上设有角度计7；角度计7为单轴角度计；角度计7可实时量测转动铰261的转动角度；角度计7的转动量测轴垂直于转动铰261的转动平面。
优选地，结合上述方案，如图1至图3所示，本实施例中，转换夹板28上设有间距100mm的通孔，转换夹板28成对使用，分别布置在试验试件1两端，使用连接杆29将成对布置的转换夹板28通过高强螺杆连接；进一步地，转换夹板28包括第一转换夹板和第二转换夹板；第一转换夹板和第二转换夹板通过连接杆29固定在试验试件1上。
优选地，结合上述方案，如图1至图3所示，本实施例中，柱式力传感器6为单向压力式传感器；柱式力传感器6的量程为0-250吨；柱式力传感器6安装在千斤顶21上端面并与千斤顶21紧密贴合。
优选地，结合上述方案，如图1至图3所示，本实施例中，测控系统3包括信号采集模块31、计算模块32以及信号生成模块33；其中，信号采集模块31、计算模块32以及信号生成模块33，其特征在于三者集成在计算机中，三者之间具有内部通讯接口，可实现实时通讯；信号采集模块31通过通讯线缆分别与柱式力传感器6、位移传感器5以及角度计7电连接，信号采集模块31采样频率大于10Hz，可用于实时采集柱式力传感器6、位移传感器5以及角度计7的信号；信号采集模块31还通过通讯线缆分别与伺服阀272和油泵22上的电磁溢流阀221电连接，用于实时检测伺服阀272和电磁溢流阀221的工作指令；信号生成模块33用于将计算模块32实时计算的命令转化成电平信号，并向电磁溢流阀221、液压伺服作动器27的伺服阀272发出工作指令的电平信号。
优选地，结合上述方案，如图1至图3所示，本实施例中，反力地板41与反力墙42是钢筋混凝土结构，反力地板41与反力墙42通过钢筋混泥土浇筑一体成型；反力地板41与反力墙42上分别设有直径为100mm的第一定位孔和第二定位孔，第一定位孔和第二定位孔的间距为500mm；进一步地，作动器连接板210的尺寸为1.5m(长)×2.0m(宽)×0.1m(厚)；作动器连接板210表面有100mm深、间距为200mm的M42螺纹孔；作动器连接板210设有6个贯通空，使用丝杠穿过作动器连接板210和反力墙42的贯通孔并在丝杠两端安装两颗紧固螺母使得作动器连接板210和反力墙42紧固在一起，紧固螺母，一颗安装在反力墙42处，一颗安装在作动器连接板210处。
优选地，结合上述方案，如图4至图5所示，本实施例中，竖向施压组件可以包括多个，多个竖向施压组件沿竖直方向并排设置于反力地板41上，用于同时对试验试件1进行竖向施力测试，在水平方向上可只用一个水平向作动器组件进行定位和测试；竖向施压组件和水平向作动器组件具体部件为上述实施例相同，此处不再重复。
相应地，结合上述方案，如图1至图6所示，本发明还提供一种结构单向压剪静力试验方法，应用于上述所述的结构单向压剪静力试验系统；该试验方法是一种使用基于比例-积分-微分控制算法控制试验加载，使用液压伺服作动器对所述试验试件施加往复的水平荷载；具体还包括以下步骤：
S1：修建反力设施4：通过现浇的施工方法修建反力设施4形成一个整体结构；
S2：制作与安装试验试件1：制作试验试件1并将试验试件1安装在反力地板41，连接方式为螺栓紧固连接；
S3：将试验试件1与试验系统全部设备和仪器连接；
S4：向试验试件1施加目标荷载，计算试验试件1的单向压剪静力；
S5：拆除试验试件1以及试验系统，结束试验。
优选地，结合上述方案，S3步骤具体包括：
S31：使用高强螺杆将转换夹板28加紧在试验试件1顶部；
S32：调整液压伺服作动器27的安装高度，使得液压伺服作动器27的位置位于试验试件1顶部，使用丝杠将作动器连接板210安装在反力墙41上，将液压伺服作动器27一端与作动器连接板210紧固相连接，将液压伺服作动器27的另一端与转换夹板28相连接；
S33：将铰支座底部26紧固连接在反力地板42处；
S34：依次安装加载梁24、分配梁23、千斤顶21以及柱式力传感器6；将预应力钢棒25从上到下依次穿过柱式力传感器6、千斤顶21、分配梁23、加载梁24和铰支座26；
S35：对预应力钢棒25施加试验加载所需的张拉力，然后将其上下两端使用与其直径和螺纹匹配的紧固螺母分别固定在千斤顶处21和铰支座处26上；
S36：依次安装柱式力传感器6、位移传感器5、角度计7；将位移传感器5设置于试验试件1上，并与水平向作动器组件处于一条水平线上；位移传感器5的量测方向与液压伺服作动器27加载方向在同一直线上；将测控系统3分别与柱式力传感器6、位移传感器5以及水平向作动器组件电连接。
优选地，结合上述方案，所述S4步骤具体包括：
S41：确定试验加载所需的比例-积分-微分控制算法的参数；其中Kp d是位移控制模式下算法的比例参数，Ki d是位移控制模式下算法的积分参数，Kd d是位移控制模式下算法的微分参数，Kp jack是力控制模式下算法的比例参数，Ki jack是力控制模式下算法的积分参数，Kd jack是力控制模式下算法的微分参数；
S42：确定液压伺服作动器27施加的试验荷载的历程di targ.以及竖向压力的目标力G；
S43：启动油泵22与液压伺服作动器27的液压油源，控制液压伺服作动器27与千斤顶21对试验试件1施加试验荷载以及竖向压力；液压伺服作动器27的加载控制模式为位移控制模式，视试验试件1侧向变形量di达到指定目标值di targ为完成加载的标志；千斤顶21的加载控制模式为力控制模式，视柱式力传感器5量测到的千斤顶21的出力Fi jack与转动铰261的转动角度cosθi bar的乘积到达试验目标力G为完成加载的标志；
S44：当试验加载进行到第i步时，测控系统3的信号采集模块31采集第i步时位移传感器5的输出信号di，柱式力传感器6的输出信号Fi jack，角度计7的输出信号cosθi bar；测控系统3通过通讯接口将di、Fi jack、cosθi bar传递给测控系统3的计算模块32，计算模块32计算第i步位移误差ei d＝di-di targ.和力的误差ei jack＝Fi jack-G；
S45：计算模块32通过比例积分微分控制算法计算出第i步液压伺服作动器27的加载修正值ui d与千斤顶21的加载修正值ui jack；其中，ui d与ui jack计算方法分别：ui d＝Kp dei d+Ki d∑j＝0 j＝i(ej d)+Kd d(ei d-ei-1 d)；ui jack＝Kp jackei jack+Ki jack∑j＝0 j＝i(ej jack)+Kd jack(ei jack-ei-1 jack)；计算模块32计算出修正后的加载位移目标di+ui d与力目标Fi jack+ui jack，将di+ui d与Fi jack+ui jack传递给测控系统3的信号生成模块33；
S46：信号生成模块33将di+ui d与Fi jack+ui jack分别转换成电平信号，并将电平信号分别对应传到伺服阀272以及电磁溢流阀221；
S47：伺服阀272在收到di+ui d电平信号后调整液压伺服作动器27对试验试件1施加的水平荷载，修正加载的目标位移为di+ui d；电磁溢流阀221在收到Fi jack+ui jack电平信号后控制油泵22调整千斤顶21对试验试件1施加的竖向压力，修正加载的目标力为Fi jack+ui jack；
S48：信号采集模块31采集位移传感器5的输出信号di,upg，柱式力传感器6的输出信号Fi,upg jack，以及角度计7的输出信号θi，upg bar；
S49：计算机计算位移误差ei,upg d＝di,upg-di targ.与力的误差ei,upg jack＝Fi,upg jackcosθi，upg bar-G；
S410：计算机判断位移误差绝对值abs(ei,upg d)与绝对值abs(ei,upg jack)同时小于试验加载可接受的误差时，认为第i步的试验加载完成，否则，重复S45～S49，直至移误差绝对值abs(ei,upg d)与力的绝对值误差abs(ei,upg jack)同时小于试验加载可接受的误差；
S411：记录并存储试验第i步试验加载完成时，液压伺服作动器27的内置力传感器273的量测值Fi act、内置位移传感器274的量测值di,upg act、柱式力传感器6的量测值Fi,upg jack以及角度计7的量测值cosθi，upg bar；
S412：液压伺服作动器27施加的试验荷载的历程di targ.全部完成后，试验加载结束。
本发明还提供一种结构单向压剪静力试验方法，使用比例积分微分方法控制试验加载，对于同时受到竖向压力和往复水平作用力的试验试件，无论所述试验试件出现剪弯变形、剪切变形或弯曲变形，均可保证在试验加载的过程中，试验试件受到恒定的轴向压力且试验试件受到的往复水平作用力为试验加载的目标值。
采用上述本方法，使得本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
第一、试验加载力学机理更加明确，可准确模拟试验原型的受力状态
由于本发明使用的千斤顶、油泵、分配梁、加载梁、预应力钢棒、铰支座与试验试件形成内力自平衡体系，千斤顶对预应力钢棒施加的张拉力与试验试件受到的压力等值反向；当试验试件受到水平力的作用时，试验产生联合变形，铰支座的转动带动钢棒在空间平面内转动，通过调节千斤顶出力保证试验受到的压力在铅直向的分量恒为试验加载的目标值，试验加载的力学机理明确，易于试验结果的分析。
第二、提高试验效率，降低试验成本
由于本发明加载设备包括千斤顶、油泵、分配梁、加载梁、预应力钢棒、以及铰支座，各个加载设备的体量均不会过大、可灵活地组装与拆卸，无需搭建大型反力刚架，提高了试验效率，降低了试验成本。
第三、试验加载控制精度高
本发明提供的试验加载方法使用比例-积分-微分控制算法控制液压伺服作动器对试验试件施加水平作用力，以试验试件受到液压伺服作动器施加的水平荷载的加载方向上的实际位移作为加载控制指标，以试验试件的实际位移与试验目标位移的偏差作为判别完成水平加载的标志，加载控制的精度高。
第四、试验结果准确
本发明提供的试验加载方法使用比例-积分-微分控制算法控制穿心千斤顶对预应力钢棒施加张拉力，试验试件、千斤顶、油泵、分配梁、加载梁、预应力钢棒、以及铰支座形成的内力自平衡体系在加载测控设备的实时调节下可使得试验试件受到恒定的铅直向下的压力，可准确模拟结构在地震作用下的自重影响以及重力二阶效应。
此外，以液压伺服作动器实际施加的水平荷载减去千斤顶施加力的水平分量作为结构实际受到的水平作用力，以试验试件受到液压伺服作动器施加的水平荷载的加载方向上的实际位移作为水平位移，试验结果可准确地反映试验原型结构在地震往复荷载作用下的抗震性能。
本发明试验加载控制精度高、可提高试验效率、保证试验准确性，适用于土木工程领域结构抗震试验研究中结构构件的单向压剪静力试验的加载。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种结构单向压剪静力试验系统，其特征在于，包括加载设备(2)、测控系统(3)、反力设施(4)、位移传感器(5)、柱式力传感器(6)以及角度计(7)；所述加载设备(2)包括竖向施压组件和水平向作动器组件；所述反力设施(4)包括反力地板(41)和反力墙(42)；所述反力地板(41)沿水平方向设置，用于放置试验试件(1)；所述反力墙(42)沿竖直方向设置于所述反力地板(41)一侧；所述试验试件(1)沿竖直方向设置于所述反力地板(41)上；所述竖向施压组件设置于所述试验试件(1)上，用于对所述试验试件(1)施加竖直方向的张拉力；所述水平向作动器组件一端连接于所述反力墙(42)上，所述水平向作动器组件另一端沿水平方向连接于所述试验试件(1)顶部的侧面上，所述水平向作动器组件用于测量所述试验试件(1)水平方向的受力；所述位移传感器(5)设置于所述试验试件(1)上，并与所述水平向作动器组件处于一条水平线上；所述位移传感器(5)用于检测所述试验试件(1)的水平位移；所述柱式力传感器(6)设置于所述竖向施压组件上，用于检测竖直方向的张拉力；所述测控系统(3)分别与所述柱式力传感器(6)、位移传感器(5)以及所述水平向作动器组件电连接，用于采集所述试验试件(1)竖直方向的张拉力数据和水平方向的受力数据；所述角度计(7)设置于所述竖向施压组件上，用于测量所述竖向施压组件的角度。
2.根据权利要求1所述的结构单向压剪静力试验系统，其特征在于，所述竖向施压组件包括千斤顶(21)、油泵(22)、分配梁(23)、加载梁(24)、预应力钢棒(25)以及铰接座(26)；所述铰接座(26)固定设置于所述反力地板(41)上；所述加载梁(24)设置于所述试验试件(1)的顶部，所述分配梁(23)设置于所述加载梁(24)的顶部，所述分配梁(23)的横截面面积小于所述加载梁(24)的横截面面积；所述千斤顶(21)设置于所述分配梁(23)的顶部；所述预应力钢棒(25)依次穿过所述千斤顶(21)、所述分配梁(23)以及所述加载梁(24)并与所述铰接座(26)固定连接；所述油泵(22)通过连接管与所述千斤顶(21)连接。
3.根据权利要求2所述的结构单向压剪静力试验系统，其特征在于，所述分配梁(23)和所述加载梁(24)均为钢构件；和/或，所述分配梁(23)和所述加载梁(24)上分别设有通孔，所述通孔直径为100mm；和/或，所述千斤顶(21)上设有穿心孔，所述穿心孔的直径大于100mm小于120mm；和/或，所述千斤顶(21)的出力为所述千斤顶(21)的张拉面积与所述油泵(22)提供的油压的乘积，且所述千斤顶(21)最大出力为200吨；和/或，预应力钢棒(25)的直径为80mm，预应力钢棒(25)的外表面上设有T型螺纹，所述预应力钢棒(25)与所述T型螺纹极限为400吨；和/或，所述柱式力传感器(6)为单向压力式传感器；所述柱式力传感器(6)的量程为0-250吨；所述柱式力传感器(6)安装在所述千斤顶(21)上端面并与所述千斤顶(21)紧密贴合。
4.根据权利要求1所述的结构单向压剪静力试验系统，其特征在于，所述竖向施压组件包括第一竖向施压组件和第二竖向施压组件包括；所述第一竖向施压组件设置于所述试验试件(1)上，用于向所述试验试件(1)施加左侧竖直方向的张拉力；所述第二竖向施压组件设置于所述试验试件(1)上，用于向所述试验试件(1)施加右侧竖直方向的张拉力。
5.根据权利要求2所述的结构单向压剪静力试验系统，其特征在于，所述水平向作动器组件包括液压伺服作动器(27)和转换夹板(28)，所述液压伺服作动器(27)具有配套的液压油源；所述液压伺服作动器(27)上分别设有内置力传感器(273)、内置位移传感器以及伺服阀(272)，所述伺服阀(272)分别与所述内置力传感器(273)和所述内置位移传感器(274)电连接；所述转换夹板(28)设置于所述试验试件(1)上；所述内置力传感器(273)用于测量所述液压伺服作动器(27)的动作受力，所述内置位移传感器用于测量所述液压伺服作动器(27)的动作位移；所述液压伺服作动器(27)一端通过作动器连接板与所述反力墙(42)的外侧面固定连接，所述液压伺服作动器(27)另一端通过所述内置力传感器(273)与所述转换夹板(28)连接；所述位移传感器(5)的量测方向与所述液压伺服作动器(27)加载方向在同一直线上。
6.根据权利要求5所述的结构单向压剪静力试验系统，其特征在于，所述铰接座(26)上设有转动铰(261)，所述角度计(7)设置于所述转动铰(261)上；所述角度计(7)为单轴角度计；所述角度计(7)可实时量测所述转动铰(261)的转动角度；所述角度计(7)的转动量测轴垂直于所述转动铰(261)的转动平面。
7.根据权利要求6所述的结构单向压剪静力试验系统，其特征在于，所述测控系统(3)包括信号采集模块(31)、计算模块(32)以及信号生成模块(33)；所述信号采集模块(31)通过通讯线缆分别与所述柱式力传感器(6)、所述位移传感器(5)以及所述角度计(7)电连接，用于实时采集所述柱式力传感器(6)、所述位移传感器(5)以及所述角度计(7)的信号；所述信号采集模块(31)还通过通讯线缆分别与所述伺服阀(272)和所述油泵(22)上的电磁溢流阀(221)电连接，用于实时检测所述伺服阀(272)和所述电磁溢流阀(221)的工作指令；所述信号生成模块(33)用于将所述计算模块(32)实时计算的命令转化成电平信号，并向所述电磁溢流阀(221)、所述液压伺服作动器(27)的伺服阀(272)发出工作指令的电平信号。
8.根据权利要求1所述的结构单向压剪静力试验系统，其特征在于，所述反力地板(41)与所述反力墙(42)是钢筋混凝土结构，所述反力地板(41)与所述反力墙(42)通过钢筋混泥土浇筑一体成型；所述反力地板(41)与所述反力墙(42)上分别设有直径为100mm的第一定位孔和第二定位孔，所述第一定位孔和所述第二定位孔的间距为500mm。
9.一种结构单向压剪静力试验方法，其特征在于，应用于上述权利要求1至8任一项所述的结构单向压剪静力试验系统；还包括以下步骤：
S1：修建反力设施(4)：通过现浇的施工方法修建反力设施(4)形成一个整体结构；
S2：制作与安装试验试件(1)：制作试验试件(1)并将所述试验试件(1)安装在所述反力地板(41)，连接方式为螺栓紧固连接；
S3：将试验试件(1)与试验系统全部设备和仪器连接；
S4：向试验试件(1)施加目标荷载，计算试验试件(1)的单向压剪静力；
S5：拆除试验试件(1)以及试验系统，结束试验。
10.根据权利要求9所述的结构单向压剪静力试验方法，其特征在于，所述S3步骤具体包括：
S31：使用高强螺杆将转换夹板(28)夹紧在试验试件(1)顶部；
S32：调整液压伺服作动器(27)的安装高度，使得液压伺服作动器(27)的位置位于试验试件(1)顶部，使用丝杠将作动器连接板(210)安装在反力墙(41)上，将液压伺服作动器(27)一端与作动器连接板(210)紧固相连接，将液压伺服作动器(27)的另一端与转换夹板(28)相连接；
S33：将铰支座底部(26)紧固连接在反力地板(42)处；
S34：依次安装加载梁(24)、分配梁(23)、千斤顶(21)以及柱式力传感器(6)；将预应力钢棒(25)从上到下依次穿过柱式力传感器(6)、千斤顶(21)、分配梁(23)、加载梁(24)和铰支座(26)；
S35：对预应力钢棒(25)施加试验加载所需的张拉力，然后将其上下两端使用与其直径和螺纹匹配的紧固螺母分别固定在千斤顶处(21)和铰支座处(26)上；
S36：依次安装柱式力传感器(6)、位移传感器(5)、角度计(7)；将位移传感器(5)设置于试验试件(1)上，并与水平向作动器组件处于一条水平线上；位移传感器(5)的量测方向与液压伺服作动器(27)加载方向在同一直线上；将测控系统(3)分别与柱式力传感器(6)、位移传感器(5)以及水平向作动器组件电连接；和/或，
所述S4步骤具体包括：
S41：确定试验加载所需的比例-积分-微分控制算法的参数；其中Kp d是位移控制模式下算法的比例参数，Ki d是位移控制模式下算法的积分参数，Kd d是位移控制模式下算法的微分参数，Kp jack是力控制模式下算法的比例参数，Ki jack是力控制模式下算法的积分参数，Kd jack是力控制模式下算法的微分参数；
S42：确定液压伺服作动器(27)施加的试验荷载的历程di targ.以及竖向压力的目标力G；
S43：启动油泵(22)与液压伺服作动器(27)的液压油源，控制液压伺服作动器(27)与千斤顶(21)对试验试件(1)施加试验荷载以及竖向压力；液压伺服作动器(27)的加载控制模式为位移控制模式，视试验试件(1)侧向变形量di达到指定目标值di targ为完成加载的标志；千斤顶(21)的加载控制模式为力控制模式，视柱式力传感器(5)量测到的千斤顶(21)的出力Fi jack与转动铰(261)的转动角度cosθi bar的乘积到达试验目标力G为完成加载的标志；
S44：当试验加载进行到第i步时，测控系统(3)的信号采集模块(31)采集第i步时位移传感器(5)的输出信号di，柱式力传感器(6)的输出信号Fi jack，角度计(7)的输出信号cosθi bar；测控系统(3)通过通讯接口将di、Fi jack、cosθi bar传递给测控系统(3)的计算模块(32)，计算模块(32)计算第i步位移误差ei d＝di-di targ.和力的误差ei jack＝Fi jack-G；
S45：计算模块(32)通过比例积分微分控制算法计算出第i步液压伺服作动器(27)的加载修正值ui d与千斤顶(21)的加载修正值ui jack；其中，ui d与ui jack计算方法分别：ui d＝Kp dei d+Ki d∑j＝0 j＝i(ej d)+Kd d(ei d-ei-1 d)；ui jack＝Kp jackei jack+Ki jack∑j＝0 j＝i(ej jack)+Kd jack(ei jack-ei-1 jack)；计算模块(32)计算出修正后的加载位移目标di+ui d与力目标Fi jack+ui jack，将di+ui d与Fi jack+ui jack传递给测控系统(3)的信号生成模块(33)；
S46：信号生成模块(33)将di+ui d与Fi jack+ui jack分别转换成电平信号，并将电平信号分别对应传到伺服阀(272)以及电磁溢流阀(221)；
S47：伺服阀(272)在收到di+ui d电平信号后调整液压伺服作动器(27)对试验试件(1)施加的水平荷载，修正加载的目标位移为di+ui d；电磁溢流阀(221)在收到Fi jack+ui jack电平信号后控制油泵(22)调整千斤顶(21)对试验试件(1)施加的竖向压力，修正加载的目标力为Fi jack+ui jack；
S48：信号采集模块(31)采集位移传感器(5)的输出信号di,upg，柱式力传感器(6)的输出信号Fi,upg jack，以及角度计(7)的输出信号θi，upg bar；
S49：计算机计算位移误差ei,upg d＝di,upg-di targ.与力的误差ei,upg jack＝Fi,upg jackcosθi，upg bar-G；
S410：计算机判断位移误差绝对值abs(ei,upg d)与绝对abs(ei,upg jack)同时小于试验加载可接受的误差时，认为第i步的试验加载完成，否则，重复S45～S49，直至移误差绝对值abs(ei,upg d)与力的误差abs(ei,upg jack)同时小于试验加载可接受的误差；
S411：记录并存储试验第i步试验加载完成时，液压伺服作动器(27)的内置力传感器(273)的量测值Fi act、内置位移传感器(274)的量测值di,upg act、柱式力传感器(6)的量测值Fi,upg jack以及角度计(7)的量测值cosθi，upg bar；
S412：液压伺服作动器(27)施加的试验荷载的历程di targ.全部完成后，试验加载结束。
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