试验构件空间侧向约束加载的反馈控制装置及控制方法与流程

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。

技术实现要素：

本发明提出了一种空间侧向约束加载的变形分量反馈控制装置及控制方法，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。

本发明技术方案如下。

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进行分析判断。

一种空间侧向约束加载的变形分量反馈控制装置的控制方法，包括如下步骤。

步骤1：在试验构件的纵向一侧布置加载装置，同时在试验构件的对侧布置约束装置和位移测量装置；其中，加载装置、约束装置和位移测量装置布置在试验构件的敏感受力点处。

步骤2：对试验构件的各个敏感受力点处均设定对应的目标侧向约束位移

步骤3：确定比例积分控制算法中控制参数kp、ki；其中，kp是比例参数，ki是积分参数，并且选择加载装置的加载速度控制参数。

步骤4：使用加载装置进行加载，同时使用位移测量装置采集试验构件对应敏感受力点处的实际侧向约束位移

步骤5：对比试验构件的敏感受力点处实际侧向约束位移与目标侧向约束位移分析实际侧向约束位移与目标侧向约束位移之间的误差

步骤6：当大于规定要求的误差时，得出位移修正命令，并且将该位移修正命令反馈给加载装置，加载装置在接收到位移修正命令后，对加载的数值进行修正，然后继续加载。

步骤7：重复步骤4至步骤6的过程，直至小于规定要求的误差，完成边界修正。

优选的，步骤1中的敏感受力点为框架节点或者为主次梁节点或者为梁柱节点。

优选的，步骤3中比例积分控制算法的计算公式为其中，δt为位移计采样间隔，为位移修正命令。

优选的，步骤4中，加载装置将加载信息输出给计算机，同时位移测量装置将采集的试验构件的实际侧向约束位移输出给计算机，由计算机进行分析判断；

步骤6：当大于规定要求的误差时，得出位移修正命令的具体方法为：使用计算机程序预设控制算法，对公式进行计算，得出位移修正命令

优选的，步骤6中当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－位移测量装置、4－试验构件、4.1－立柱、4.2－框架梁、5－反力墙、6－反力架。

具体实施方式

如图1-3所示，这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1、约束装置2和位移测量装置3；所述加载装置1有一组，设置在试验构件4的左侧；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，用以给节点施加横向荷载；所述约束装置2至少有一组，设置在试验构件4的横向一侧；其中，每组约束装置2沿竖向平行间隔布置，且与加载装置1对应；所述约束装置2的自由端水平连接在试验构件4上，用以约束节点的纵向位移；所述位移测量装置3至少有一组，设置在约束装置2的对侧，用以测量试验构件4的纵向位移，并将纵向位移反馈给约束装置2。

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5；所述加载装置1水平连接在左侧的反力墙与立柱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5螺栓固结，加载装置1的自由端与立柱4.1螺栓固结；所述约束装置2水平连接在后侧的反力墙与立柱4.1之间，约束装置2的组数与立柱4.1的根数相适应，并且每个约束装置2与梁柱连接节点对应设置；其中，约束装置2的固定端与反力墙5螺栓固结，约束装置2的自由端与立柱4.1螺栓固结；所述位移测量装置3前侧设有反力架6，每个位移测量装置3布置在每个约束装置2的对侧；其中，位移测量装置3的固定端与反力架6螺栓固结，位移测量装置3的自由端与立柱4.1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；所述加载装置1至少布置有一组，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。

本实施例中，所述加载装置1、约束装置2和位移测量装置3三者均与计算机相连，加载装置1将加载信息、位移测量装置3将采集的实际侧向约束位移输出给计算机，该计算机对接收到的加载装置1的加载信息和位移测量装置3采集的实际侧向约束位移进行分析判断，再将分析结果反馈给加载装置1。

这种空间侧向约束加载的变形分量反馈控制装置的控制方法，对试验构件4上的典型受力点及约束方向进行位移监测，采集误差信息，通过控制算法分析，得出加载控制命令，修正构件约束方向的位移及反力，保证边界条件符合预期；该方法包括如下步骤。

步骤1：在试验构件4的左侧布置加载装置1，同时在试验构件4的后侧布置约束装置2、在试验构件4的前侧布置位移测量装置3；其中，加载装置1、约束装置2和位移测量装置3布置在试验构件4的框架节点或者为主次梁节点或者为梁柱节点。

步骤2：在计算机中对试验构件4的各个敏感受力点处均设定每步加载过程中对应的目标侧向约束位移其中，上标m是约束点编号，下标i是加载步编号，下文中标注相同。

步骤3：确定比例积分控制算法中控制参数kp、ki；其中，kp是比例参数，ki是积分参数；在保证加载控制稳定的同时，选择适于本次加载装置1的加载速度控制参数；控制参数kp和ki的确定方法较多，这里采用逐步放大测试方法进行确定。

步骤4：使用加载装置1进行加载，同时使用位移测量装置3采集试验构件4对应敏感受力点处的实际侧向约束位移加载装置1将加载信息输出给计算机，同时位移测量装置3将采集的试验构件4的实际侧向约束位移输出给计算机，由计算机进行分析判断。

步骤5：对比试验构件4的敏感受力点处实际侧向约束位移与目标侧向约束位移分析实际侧向约束位移与目标侧向约束位移之间的误差其中，是第m个约束点对应当前第i步的加载误差。

步骤6：当大于规定要求的误差时，计算机使用计算机程序预设控制算法，对公式进行计算，得出位移修正命令并且将该位移修正命令反馈给加载装置1、约束装置2和位移测量装置3；约束装置2接收到位移修正命令后，对约束反力进行修正，位移测量装置3接收到位移修正命令后，对约束方向的位移进行修正；加载装置1在接收到位移修正命令后，对加载的数值进行修正，然后继续加载。

步骤7：加载装置1对构件加载的同时，各约束结点处的约束装置2和位移测量装置3执行各自修正命令同时采集误差信息，计算下一次加载的修正命令；重复步骤4至步骤6的过程，直至小于规定要求的误差，完成边界修正；完成边界修正的标准由试验者自行制定，可以是小于1mm，也可以是小于0.1mm。

本实施例中，步骤1中的加载装置1、约束装置2和位移测量装置3还可以布置在其他由试验者根据自己试验需求设定的某些结构节点或部位。

本实施例中，步骤2中的目标侧向约束位移是试验者想让试件实现的位移，如何确定则由试验者根据其试验目的自行设置。

本实施例中，步骤6中当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。