CN114623870A - 一种可定义轴向刚度的结构构件系统及其使用方法 - Google Patents

一种可定义轴向刚度的结构构件系统及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可定义轴向刚度的结构构件系统及其使用方法，该结构构件系统的第一钢构件与第二钢构件相对设置；液压缸安装于第一钢构件与第二钢构件之间；液压站、比例换向阀组以及液压缸通过油管路依次连通；液压传感器连接于比例换向阀组与液压缸之间的油管路中，用于测量油压；位移传感器用于测量液压缸的伸缩量；无线通讯模块用于与计算机之间进行信号传输；根据液压缸的伸缩量，控制器控制液压站和比例换向阀组动作，以调节油压实现结构构件系统的刚度调节。上述结构构件系统具有轴向刚度可调节、用途广泛、安装方便、可重复利用、能够最大程度地保证结构的安全的特点。

Description

一种可定义轴向刚度的结构构件系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及工程结构技术领域，具体涉及一种可定义轴向刚度的结构构件系统及其使用方法。
背景技术
杆件作为工程结构的重要构件，主要实现结构中的抗拉和抗压功能。通常杆件具有一定截面，在轴向具有抗拉、抗压能力。杆件的抗拉和抗压，在稳定临界力和弹性极限范围内，杆件的伸长或压缩变形量是由两端所受力大小和方向决定的，其遵循胡克定律。
在结构受力过程中，由于荷载的不断变化，而构件本身刚度是固定的，这就会导致整个结构体系发生形变，在超静定结构中，存在结构变形过大导致结构内力过大失稳的安全风险。因此，现有技术需要解决的技术问题是：如何在施工过程中调节结构构件的轴向刚度，从而让结构的变形更加合理，保证结构的安全。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可定义轴向刚度的结构构件系统及其使用方法，该结构构件系统具有轴向刚度可调节、用途广泛、安装方便、可重复利用、能够最大程度地保证结构的安全的特点。
本发明采用以下具体技术方案：
一种可定义轴向刚度的结构构件系统，该结构构件系统包括第一钢构件、第二钢构件、液压站、液压缸、比例换向阀组、液压传感器、位移传感器、环境温度传感器、应力传感器、无线通讯模块、控制器以及电源；
所述第一钢构件与所述第二钢构件相对设置；
所述液压缸安装于所述第一钢构件与所述第二钢构件之间；
所述液压站、所述比例换向阀组以及所述液压缸通过油管路依次连通，所述液压站通过所述比例换向阀组控制所述液压缸的伸缩，以调节所述第一钢构件与所述第二钢构件的间距；
所述液压传感器连接于所述比例换向阀组与所述液压缸之间的油管路中，用于测量油压；
所述位移传感器用于测量所述液压缸的伸缩量；
所述无线通讯模块用于与计算机之间进行信号传输；
所述控制器与所述无线通讯模块、所述液压传感器、所述环境温度传感器以及所述位移传感器之间信号连接，用于获取油压数据、环境温度数据以及伸缩量数据，并实现信息的发送和接收；
根据所述液压缸的伸缩量，所述控制器控制所述液压站和所述比例换向阀组动作，以调节油压实现结构构件系统的刚度调节；
所述电源与所述液压站、所述比例换向阀组、所述控制器、所述液压传感器、所述位移传感器、所述环境温度传感器以及所述无线通讯模块电连接。
更进一步地，所述第一钢构件在朝向所述第二钢构件的一端设置有第一套筒；
所述第二钢构件在朝向所述第一钢构件的一端设置有第二套筒；
所述第二套筒套设于所述第一套筒的外周侧；
在所述第二套筒与所述第一套筒之间形成容置空间；
所述液压站、所述液压缸、所述比例换向阀组、所述液压传感器、所述位移传感器、所述环境温度传感器、所述应力传感器、所述无线通讯模块、所述控制器以及所述电源均位于所述容置空间内。
更进一步地，所述液压缸包括缸体、缸盖、活塞以及活塞杆；
所述缸体与所述缸盖固定连接；
所述活塞滑动配合地安装于所述缸体内，并与所述活塞杆的一端固定连接；所述活塞杆的另一端伸出所述缸体，并与所述第二钢构件朝向所述第一钢构件的一侧端面固定连接；
所述缸体固定连接于所述第一钢构件朝向所述第二钢构件的一侧端面。
更进一步地，所述缸体内由所述活塞分隔为无杆腔和有杆腔；
所述比例换向阀组通过油管路与所述无杆腔和所述有杆腔连通，用于通过控制液压油的流向实现所述活塞在所述缸体内的滑动。
更进一步地，在所述第二套筒与所述第一套筒之间设置有密封结构，所述密封结构用于对所述容置空间进行密封。
更进一步地，所述控制器通过总线与所述无线通讯模块信号连接。
更进一步地，所述控制器根据刚度函数调节油压：
Figure BDA0003527443490000031
其中，F(L)为结构构件系统的轴向受力，f(x,a,t)为结构构件系统的刚度函数，L为液压缸的累积伸缩量，x为液压缸的轴向位置坐标，a为温度系数，t为环境温度。
一种上述技术方案提供的结构构件系统的使用方法，该使用方法具体包括以下步骤：
通过计算机和无线通讯模块将结构构件系统的刚度信息发送给控制器；
通过控制器接收结构构件系统的刚度信息并存储；
将结构构件系统安装于施工现场；
通过温度传感器获取结构构件系统所处环境温度，通过液压传感器获取结构构件系统的轴向受力，根据结构构件系统的预设刚度以及刚度函数，控制器通过液压站和比例换向阀组控制液压缸的伸缩长度，通过位移传感器测量液压缸的伸缩量实现液压缸长度调节的闭环控制。
更进一步地，还包括：计算机通过无线通讯模块实时读取和监测轴向受力、轴向位移以及环境温度。
有益效果：
1、轴向刚度可调节，本发明的结构构件系统在两个钢构件之间安装有液压缸，并设置有与液压缸连通的液压站和比例换向阀组，控制器根据外力变化实时控制控制进出液压缸的液压油以调节液压缸的响应刚度，能够根据现场需要自动调节刚度，减少钢结构以及基坑支护结构的整体变形，同时还可以防止自身失稳，可以减小结构安全风险，能够最大程度地保证结构的安全；本发明的结构构件系统不遵循一般的胡克定理，而通过对液压缸的控制可以实现正刚度、负刚度以及任意函数定义杆件的轴向刚度。
2、用途广泛，本发明的结构构件系统的长度可以通过液压缸的伸缩量进行调节，可以构成不同长度，还可用于基坑支撑系统、钢结构的梁、柱支撑处等施工场合。
3、安装方便，可重复利用，本发明的结构构件系统结构简单，具有安装方便、可以反复拆装、重复利用的特点。
附图说明
图1为本发明结构构件系统的结构示意图；
图2为本发明结构构件系统的原理示意图；
图3为本发明结构构件系统的控制框图。
其中，1-第一钢构件，2-第二钢构件，3-液压站，4-液压缸，5-比例换向阀组，6-液压传感器，7-位移传感器，8-环境温度传感器，9-应力传感器，10-无线通讯模块，11-控制器，12-电源，13-第一套筒，14-第二套筒，15-缸体，16-缸盖，17-活塞，18-活塞杆，19-计算机
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种可定义轴向刚度的结构构件系统，如图1结构所示，该结构构件系统包括第一钢构件、第二钢构件、液压站、液压缸、比例换向阀组、液压传感器、位移传感器、环境温度传感器、应力传感器、无线通讯模块、控制器以及电源；
所述第一钢构件与所述第二钢构件相对设置，所述第一钢构件与所述第二钢构件可以如图1沿水平方向设置，也可以沿竖直方向设置；
所述液压缸安装于所述第一钢构件与所述第二钢构件之间；所述第一钢构件与所述第二钢构件通过液压缸连接在一起，同时通过液压缸实现第一钢构件与所述第二钢构件之间间距的调节；所述液压缸包括缸体、缸盖、活塞以及活塞杆；所述缸体与所述缸盖固定连接；所述活塞滑动配合地安装于所述缸体内，并与所述活塞杆的一端固定连接；所述活塞杆的另一端伸出所述缸体，并与所述第二钢构件朝向所述第一钢构件的一侧端面固定连接；所述缸体固定连接于所述第一钢构件朝向所述第二钢构件的一侧端面；所述缸体内由所述活塞分隔为无杆腔和有杆腔；
所述液压站、所述比例换向阀组以及所述液压缸通过油管路依次连通，所述液压站通过所述比例换向阀组控制所述液压缸的伸缩，以调节所述第一钢构件与所述第二钢构件的间距；所述比例换向阀组通过油管路与所述无杆腔和所述有杆腔连通，用于通过控制液压油的流向实现所述活塞在所述缸体内的滑动；
所述液压传感器连接于所述比例换向阀组与所述液压缸之间的油管路中，用于测量油压；通过测量的油压获得结构构件系统的轴向压力；
所述位移传感器用于测量所述液压缸的伸缩量，也就是液压缸在液压油和轴向压力共同作用下的变化量；
所述无线通讯模块用于与计算机之间进行信号传输；通过无线通讯模块接收计算机输入的控制指令，或者将控制器的各种参数信息传递到计算机，通过无线通讯模块可以实现远程监控；
如图2和图3所示，所述控制器与所述无线通讯模块、所述液压传感器、所述环境温度传感器以及所述位移传感器之间信号连接，用于获取油压数据、环境温度数据以及伸缩量数据，并实现信息的发送和接收；根据所述液压缸的伸缩量，所述控制器控制所述液压站和所述比例换向阀组动作，以调节油压实现结构构件系统的刚度调节；所述控制器可以通过总线与所述无线通讯模块信号连接；
所述电源与所述液压站、所述比例换向阀组、所述控制器、所述液压传感器、所述位移传感器、所述环境温度传感器以及所述无线通讯模块电连接，电源用于向整个结构构件系统提供运行所需要的电能。
上述结构构件系统在两个钢构件之间安装有液压缸、与液压缸连通且向液压缸输送液压油的液压站和比例换向阀组，控制器可以根据预先设定的参数和传感器检测的实时数据，通过控制进出液压缸的液压油以调节液压缸的响应刚度，能够根据现场需要自动调节刚度，减少钢结构以及基坑支护结构的整体变形，同时还可以防止自身失稳，可以减小结构安全风险，能够最大程度地保证结构的安全；上述结构构件系统不遵循一般的胡克定理，而通过对液压缸的控制可以实现正刚度、负刚度以及任意函数定义杆件的轴向刚度。
同时，上述结构构件系统的长度可以通过液压缸的伸缩量进行调节，可以构成不同长度，适用于长度不同的施工场合，提高了结构构件系统的适应性和使用范围，还可用于基坑支撑系统、钢结构的梁、柱支撑处等施工场合。
上述结构构件系统的结构简单、安装方便、可以反复拆装、可以重复利用，能够提高利用率，降低施工成本。
一种具体的实施方式中，所述第一钢构件在朝向所述第二钢构件的一端设置有第一套筒；所述第二钢构件在朝向所述第一钢构件的一端设置有第二套筒；所述第二套筒套设于所述第一套筒的外周侧；在所述第二套筒与所述第一套筒之间形成容置空间；所述液压站、所述液压缸、所述比例换向阀组、所述液压传感器、所述位移传感器、所述环境温度传感器、所述应力传感器、所述无线通讯模块、所述控制器以及所述电源均位于所述容置空间内。在所述第二套筒与所述第一套筒之间设置有密封结构，所述密封结构用于对所述容置空间进行密封。
通过设置套筒能够将各部件密封在两个钢构件之间，防止各部件暴露在施工环境中，提高了各部件的工作可靠性，进一步提高了结构的安全性。
在上述结构构件系统中，所述控制器根据刚度函数调节油压：
Figure BDA0003527443490000071
其中，F(L)为结构构件系统的轴向受力，f(x,a,t)为结构构件系统的刚度函数，L为液压缸的累积伸缩量，x为液压缸的轴向位置坐标，a为温度系数，t为环境温度。
控制器具有数据的分析、存储、计算、处理能力，一方面可以接收和存储计算机发来的刚度定义函数(受力和变形量的函数)，另一方面可以根据从环境温度传感器、液压传感器、位移传感器获取的所处环境温度、受力情况和形变量，通过设定的刚度定义函数，根据获取的构件受力情况通过液压缸伸缩实时调整构件的长度，可以使杆件具有正刚度、负刚度和函数定义刚度特性。
实施例二
一种上述技术方案提供的结构构件系统的使用方法，该使用方法具体包括以下步骤：
通过计算机和无线通讯模块将结构构件系统的刚度信息发送给控制器，如：刚度信息可以包括受力和长度的刚度函数，刚度函数可以采用以下公式表示：
Figure BDA0003527443490000081
其中，F(L)为结构构件系统的轴向受力，f(x,a,t)为结构构件系统的刚度函数，L为液压缸的累积伸缩量，x为液压缸的轴向位置坐标，a为温度系数，t为环境温度；
通过控制器接收结构构件系统的刚度信息并存储；
将结构构件系统安装于施工现场；
通过温度传感器获取结构构件系统所处环境温度，通过液压传感器获取结构构件系统的轴向受力，根据结构构件系统的预设刚度以及刚度函数，控制器通过液压站和比例换向阀组控制液压缸的伸缩长度，通过位移传感器测量液压缸的伸缩量实现液压缸长度调节的闭环控制；
计算机通过无线通讯模块实时读取和监测轴向受力、轴向位移以及环境温度。
采用上述方法，控制器根据输入的信息和实时测量的各种参数，通过液压站和比例换向阀组控制液压缸的液压油，在调节油压的基础上实现结构构件系统的自动闭环控制，保持结构构件系的结构稳定。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可定义轴向刚度的结构构件系统，其特征在于，包括第一钢构件、第二钢构件、液压站、液压缸、比例换向阀组、液压传感器、位移传感器、环境温度传感器、应力传感器、无线通讯模块、控制器以及电源；
所述第一钢构件与所述第二钢构件相对设置；
所述液压缸安装于所述第一钢构件与所述第二钢构件之间；
所述液压站、所述比例换向阀组以及所述液压缸通过油管路依次连通，所述液压站通过所述比例换向阀组控制所述液压缸的伸缩，以调节所述第一钢构件与所述第二钢构件的间距；
所述液压传感器连接于所述比例换向阀组与所述液压缸之间的油管路中，用于测量油压；
所述位移传感器用于测量所述液压缸的伸缩量；
所述无线通讯模块用于与计算机之间进行信号传输；
所述控制器与所述无线通讯模块、所述液压传感器、所述环境温度传感器以及所述位移传感器之间信号连接，用于获取油压数据、环境温度数据以及伸缩量数据，并实现信息的发送和接收；
根据所述液压缸的伸缩量，所述控制器控制所述液压站和所述比例换向阀组动作，以调节油压实现结构构件系统的刚度调节；
所述电源与所述液压站、所述比例换向阀组、所述控制器、所述液压传感器、所述位移传感器、所述环境温度传感器以及所述无线通讯模块电连接。
2.如权利要求1所述的结构构件系统，其特征在于，所述第一钢构件在朝向所述第二钢构件的一端设置有第一套筒；
所述第二钢构件在朝向所述第一钢构件的一端设置有第二套筒；
所述第二套筒套设于所述第一套筒的外周侧；
在所述第二套筒与所述第一套筒之间形成容置空间；
所述液压站、所述液压缸、所述比例换向阀组、所述液压传感器、所述位移传感器、所述环境温度传感器、所述应力传感器、所述无线通讯模块、所述控制器以及所述电源均位于所述容置空间内。
3.如权利要求3所述的结构构件系统，其特征在于，所述液压缸包括缸体、缸盖、活塞以及活塞杆；
所述缸体与所述缸盖固定连接；
所述活塞滑动配合地安装于所述缸体内，并与所述活塞杆的一端固定连接；所述活塞杆的另一端伸出所述缸体，并与所述第二钢构件朝向所述第一钢构件的一侧端面固定连接；
所述缸体固定连接于所述第一钢构件朝向所述第二钢构件的一侧端面。
4.如权利要求4所述的结构构件系统，其特征在于，所述缸体内由所述活塞分隔为无杆腔和有杆腔；
所述比例换向阀组通过油管路与所述无杆腔和所述有杆腔连通，用于通过控制液压油的流向实现所述活塞在所述缸体内的滑动。
5.如权利要求3所述的结构构件系统，其特征在于，在所述第二套筒与所述第一套筒之间设置有密封结构，所述密封结构用于对所述容置空间进行密封。
6.如权利要求1所述的结构构件系统，其特征在于，所述控制器通过总线与所述无线通讯模块信号连接。
7.如权利要求1-6任一项所述的结构构件系统，其特征在于，所述控制器根刚度函数调节油压：
Figure FDA0003527443480000021
其中，F(L)为结构构件系统的轴向受力，f(x,a,t)为结构构件系统的刚度函数，L为液压缸的累积伸缩量，x为液压缸的轴向位置坐标，a为温度系数，t为环境温度。
8.一种如权利要求7所述的结构构件系统的使用方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
通过计算机和无线通讯模块将结构构件系统的刚度信息发送给控制器；
通过控制器接收结构构件系统的刚度信息并存储；
将结构构件系统安装于施工现场；
通过温度传感器获取结构构件系统所处环境温度，通过液压传感器获取结构构件系统的轴向受力，根据结构构件系统的预设刚度以及刚度函数，控制器通过液压站和比例换向阀组控制液压缸的伸缩长度，通过位移传感器测量液压缸的伸缩量实现液压缸长度调节的闭环控制。
9.如权利要求8所述的使用方法，其特征在于，还包括：计算机通过无线通讯模块实时读取和监测轴向受力、轴向位移以及环境温度。
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