CN109100211B - 试验构件空间侧向约束加载的反馈控制装置的控制方法 - Google Patents

试验构件空间侧向约束加载的反馈控制装置的控制方法 Download PDF

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CN109100211B CN201810854043.4A CN201810854043A CN109100211B CN 109100211 B CN109100211 B CN 109100211B CN 201810854043 A CN201810854043 A CN 201810854043A CN 109100211 B CN109100211 B CN 109100211B
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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
本发明提出了一种试验构件空间侧向约束加载的反馈控制装置的控制方法，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。
本发明采用如下技术方案。
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 GDA0003563843290000011
进行分析判断。
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，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固定端至铰接端的距离L2。
步骤3：设定试验构件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 GDA0003563843290000021
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 GDA0003563843290000022
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 GDA0003563843290000023
步骤6：对比试验构件的敏感受力点处实际侧向约束位移
Figure GDA0003563843290000024
实际主加载方向位移
Figure GDA0003563843290000025
与标侧向约束位移
Figure GDA0003563843290000026
分析存在的误差
Figure GDA0003563843290000027
Figure GDA0003563843290000028
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 GDA0003563843290000029
大于规定要求的误差时，得出位移修正命令
Figure GDA00035638432900000210
并且将该位移修正命令
Figure GDA00035638432900000211
反馈给加载装置，加载装置在接收到位移修正命令
Figure GDA00035638432900000212
后，对加载的数值进行修正，然后继续加载；其中，
Figure GDA00035638432900000213
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 GDA00035638432900000214
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布置在加载装置的对侧；所述约束装置布置在试验构件的横向一侧；所述第一位移测量装置约束装置的对侧；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4中Kp和Ki采用逐步放大测试方法进行确定。
优选的，步骤5中的加载信息、实际侧向约束位移
Figure GDA00035638432900000215
和实际主加载方向位移
Figure GDA00035638432900000216
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 GDA00035638432900000217
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 GDA00035638432900000218
进行计算，得出位移修正命令
Figure GDA00035638432900000219
其中，Δt为位移计采样间隔。
优选的，步骤7中当
Figure GDA00035638432900000220
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－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 GDA0003563843290000031
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 GDA0003563843290000032
本实施例中，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。
本实施例中，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。
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
Figure GDA0003563843290000033
和第二位移测量装置5采集的实际主加载方向位移
Figure GDA0003563843290000034
进行分析判断。
这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，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 GDA0003563843290000041
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 GDA0003563843290000042
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 GDA0003563843290000043
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 GDA0003563843290000044
实际主加载方向位移
Figure GDA0003563843290000045
与标侧向约束位移
Figure GDA0003563843290000046
分析存在的误差
Figure GDA0003563843290000047
Figure GDA0003563843290000048
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 GDA0003563843290000049
大于规定要求的误差时，得出位移修正命令
Figure GDA00035638432900000410
并且将该位移修正命令
Figure GDA00035638432900000411
反馈给加载装置1，加载装置1在接收到位移修正命令
Figure GDA00035638432900000412
后，对加载的数值进行修正，然后继续加载；其中，
Figure GDA00035638432900000413
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 GDA00035638432900000414
小于规定要求的误差，完成边界修正。
本实施例中，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。
本实施例中，步骤4中Kp和Ki采用逐步放大测试方法进行确定。
本实施例中，步骤5中的加载信息、实际侧向约束位移
Figure GDA00035638432900000415
和实际主加载方向位移
Figure GDA00035638432900000416
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 GDA00035638432900000417
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 GDA00035638432900000418
进行计算，得出位移修正命令
Figure GDA00035638432900000419
其中，Δt为位移计采样间隔。
本实施例中，步骤7中当
Figure GDA00035638432900000420
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 (8)

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 FDA0003533660670000011
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 FDA0003533660670000012
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：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 FDA0003533660670000013
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 FDA0003533660670000014
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 FDA0003533660670000015
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 FDA0003533660670000016
实际主加载方向位移
Figure FDA0003533660670000017
与标侧向约束位移
Figure FDA0003533660670000018
分析存在的误差
Figure FDA0003533660670000019
Figure FDA00035336606700000110
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 FDA00035336606700000111
大于规定要求的误差时，得出位移修正命令
Figure FDA00035336606700000112
并且将该位移修正命令
Figure FDA00035336606700000113
反馈给加载装置(1)，加载装置(1)在接收到位移修正命令
Figure FDA00035336606700000114
后，对加载的数值进行修正，然后继续加载；其中，
Figure FDA00035336606700000115
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 FDA00035336606700000116
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)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 FDA0003533660670000021
和第二位移测量装置(5)采集的实际主加载方向位移
Figure FDA0003533660670000022
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。
6.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。
7.根据权利要求6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 FDA0003533660670000023
和实际主加载方向位移
Figure FDA0003533660670000024
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 FDA0003533660670000025
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 FDA0003533660670000026
进行计算，得出位移修正命令
Figure FDA0003533660670000027
其中，Δt为位移计采样间隔。
8.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7中当
Figure FDA0003533660670000028
小于规定要求的误差时，完成边界修正，操作停止。
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