一种结构试验的加载控制方法与流程

本发明涉及土木工程技术，尤其涉及一种结构试验的加载控制方法。

背景技术：

现有结构试验加载控制方法是将试件所有自由度上的加载目标视为一个整体，建立一个加载控制外环来实现目标，其主要流程和原理如下。首先，根据试验中作动器和传感器的具体布置方案，确定从结构加载目标到作动器加载目标之间的坐标转换关系，以及从传感器测量值到结构实际位移之间的坐标转换关系；然后，在加载控制系统中定义两个坐标转换关系，设计加载控制外环；最后，启动加载控制系统，开展试验。这种单一整体外环的试验加载控制方法存在以下不足之处：

第一、其加载控制方案与作动器和传感器的具体布置方案直接相关，而对于不同类型的试件，布置方案通常并不相同，因此单次的试验加载控制方案往往无法直接用于其他试验，不具备通用性；

第二、该方法假定从结构加载目标到作动器加载目标之间的坐标转换关系在试验过程中保持不变，而实际试验中作动器的运动方向在不断变化，采用固定的坐标转换关系将无法反应试验的真实情况，给试验结果带来误差；

第三、当结构加载目标需要通过外环控制才能实现时，试验者往往还需要在作动器加载控制系统外部自定义这些功能。由于试验方案的多样性，这些自定义的配置涉及到力位移混合或切换控制、外环控制器的设计等多个方面，实现起来较为复杂，且同样不具备通用性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种结构试验的加载控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种结构试验的加载控制方法，包括以下步骤：

1)将试件离散为控制点，获取试件的控制点，所述控制点定义为代表结构真实运动或响应的点；将试件的真实运动或响应简化为试件在控制点上的运动或响应；控制点的自由度定义为该点上需要考虑的自由度，根据试验对象和试验条件来确定；

2)将试件的加载目标、作动器、传感器都分配到各个控制点上；

根据加载目标来源的不同，将控制点分为参考、主动、位移跟动、力跟动、关联五种；其中，参考控制点为结构与地梁的连接点，用于将其他控制点的绝对位移转化为与地面的相对位移；主动控制点自由度的目标来源于外部命令，由试验者指定，或者由外部程序计算得到；位移跟动控制点自由度的目标类型为位移，目标值为其跟随的控制点自由度上的位移乘以跟动系数；力跟动控制点自由度的目标类型为力，目标值为其跟随的控制点自由度上的力乘以指定的系数；关联控制点自由度的目标类型为位移，目标值为其关联的控制点自由度上的位移，关联在一起的自由度共享相同的位移和力，即位移相等，力叠加在一起作为它们的力；3)在每个控制点上分别建立外环控制；对于每一组加载目标(即同一时间步的加载目标)，外环控制的具体流程如下：

3.1)获取当前目标步下所有控制点自由度目标及目标类型：目标类型为主动时，目标值来源于界面，即来源于外部命令，由试验者指定，或者由外部程序计算得到；目标类型为位移跟动或力跟动时，目标值等于跟动系数乘以被跟随自由度的位移或力；

3.2)计算各控制点的增量混合目标及增量位移目标：根据估计的结构整体刚度矩阵将增量混合目标转换为统一的位移目标，然后分解到每个控制点上；

3.3)计算作动器命令：将控制点增量位移目标转换到作动器坐标系下，并根据控制算法计算各作动器的命令；

3.4)驱动作动器对试件进行加载，然后测量获得外位移计读数、作动器的力和位移反馈值；

3.5)计算控制点实际位移：考虑滑动位移计和铰接位移计两种情况，分别计算控制点位移。当存在支座移动，即存在参考点时，还需要扣除参考点的位移，作为控制点的实际位移值；

3.6)计算控制点实际恢复力：将作动器的力反馈值分解到对应控制点的各个自由度上，并与预应力和关联自由度恢复力叠加，作为控制点的实际恢复力；

3.7)组装得到控制点的力位移混合实现值，如未达到目标，重复3.2)至3.6)步，直至目标完全实现；

3.8)本目标步完成，继续下一目标步，直至完成试验。

本发明产生的有益效果是：

第一、不同类型试件的共同之处在于它们都是由控制点组成的，因此以控制点为最小加载控制单元，可以实现对不同类型试件的通用性；

第二、通过追踪作动器在每一加载步之初的运动方向，可以准确确定从试件加载目标到作动器加载目标之间的坐标转换关系，提高试验精度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的流程示意图；

图2是本发明实施例的控制点外环控制示意图；

图3是本发明实施例计算从控制点目标到作动器加载目标的坐标转换关系的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供一种结构试验的加载控制方法，具体如下：

将试件的真实运动或响应简化为试件在某几个点上的运动或响应，并将这些点称为控制点。将控制点的自由度定义为该点上需要考虑的自由度，它可以是所有3个(二维)或6个(三维)自由度，也可以是部分自由度，具体需要试验者根据试验对象和试验条件来确定。将控制点目标定义为控制点各自由度方向上的目标。

将控制点的类别定义为控制点各自由度方向上控制目标的类别，分为参考、主动、位移跟动、力跟动、关联五种类型。参考控制点一般为结构与地梁的连接点，用于将其他控制点的绝对位移转化为与地面的相对位移；主动控制点自由度的目标来源于外部命令，由试验者指定，或者由外部程序计算得到；位移跟动控制点自由度的目标类型为位移，目标值为其跟随的控制点自由度上的位移乘以指定的系数；力跟动控制点自由度的目标类型为力，目标值为其跟随的控制点自由度上的力乘以指定的系数；关联控制点自由度的目标类型为位移，目标值为其关联的控制点自由度上的位移。关联在一起的自由度共享相同的位移和力，即位移相等，力叠加在一起作为它们的力。

将物理试验加载的过程概括为实现每个控制点目标的过程，即将控制点目标转化为作动器的命令，加载后进行数据采集，并转换为控制点实现值，同时利用外环控制实现控制点实现值到目标值的逐步趋近，如图1所示。

针对每个控制点分别建立外环控制，具体的外环控制流程如图2所示。其中，tcc表示从控制点自由度上的力、位移混合目标到全部为位移目标或全部为力目标的转换，tca表示从控制点坐标系到作动器坐标系的转换，tmc表示从数据采集系统读数到控制点的力、位移混合实现值的转换，包括由位移计读数到控制点位移实现值的转换以及作动器反馈力到控制点力实现值的转换。

利用试件整体刚度矩阵实现从控制点自由度上的力、位移混合目标到全部为位移目标或全部为力目标的转换。假定结构的刚度矩阵为k，将其按位移目标的自由度和力目标的自由度分块

其中下标d表示控制目标为位移的自由度，下标f表示控制目标为力的自由度。同样地，将结构各控制点自由度上的目标分块为位移目标dd和力目标ff，可以求得对应自由度上的力fd和位移df

df＝kff^-1(ff-kfddd)

(2)

fd＝kdddd+kdfkff^-1(ff-kfddd)

(3)

在实际试验中，切线刚度矩阵很难获得，可以近似采用结构的初始刚度矩阵或者估计的刚度矩阵来代替，并通过图2中的外环控制消除刚度矩阵不准确带来的误差。

利用图3说明如何求解从控制点坐标系到作动器坐标系的转换。假定控制点初始坐标为(xc,yc)，作动器固定端坐标为(xa0,ya0)，作动器与试件连接点的初始坐标为(xad,yad)。当控制点三个自由度方向上的实际位移为(dx，dy，dθ)时，作动器的实际伸长量可以表示为

那么，若控制点在(dx，dy，dθ)的基础上继续发生增量位移(δdx，δdy，δdθ)，作动器的伸长量同样可以按公式(4)来计算，其中控制点位移为(dx+δdx，dy+δdy，dθ+δdθ)。从而可以求得作动器的增量伸长量，亦即作动器坐标系下的增量目标

由位移计读数到控制点位移实现值的转换关系求解方法如下。控制点上的位移计一般可分滑动位移计和铰接位移计两种情况。当控制点上的位移计为滑动位移计时，控制点的实际平动位移等于滑动位移计的读数。当控制点上的位移计为铰接位移计时，可以根据控制点坐标、位移计坐标以及位移计读数计算控制点的实际位移。假定控制点初始坐标为(xc,yc)，铰接位移计固定端坐标为(xm0,ym0)，铰接位移计与试件连接点的初始坐标为(xmd,ymd)。类似图3中作动器的运动示意图，该铰接位移计的伸长量dmm与控制点三自由度位移(dx，dy，dθ)之间的关系可以表示为

由于测量三个自由度方向上的位移至少需要三个铰接位移计，将控制点上布置的所有铰接位移计的伸长量均按公式(6)表示，可以得到三个位移计伸长量(dmm,1，dmm,2，dmm,3)与控制点实际位移(dx，dy，dθ)之间的非线性关系

求解该非线性方程可以采用牛顿迭代方法。为了计算迭代中需要用到的雅克比矩阵j，令

由公式(9)可以得到

其中

sx1＝dx-xm0+xc+cos(dθ)×(xmd-xc)-sin(dθ)×(ymd-yc)(13)

sy1＝dy-ym0+yc+cos(dθ)×(ymd-yc)+sin(dθ)×(xmd-xc)(14)

sy2＝ym0-dy-yc+cos(dθ)×(yc-ymd)+sin(dθ)×(xc-xmd)(15)

sx2＝dx-xm0+xc-cos(dθ)×(xc-xmd)+sin(dθ)×(yc-ymd)(16)

sθ1＝cos(dθ)×(yc-ymd)+sin(dθ)×(xc-xmd)(17)

sθ2＝cos(dθ)×(xc-xmd)-sin(dθ)×(yc-ymd)(18)

以雅克比矩阵j作为迭代刚度求解公式(7)，即可得到控制点的实际位移。

由作动器反馈力到控制点力实现值的转换关系求解方法如下。控制点的实际恢复力由三部分组成，一是作动器出力的分力，二是关联自由度上的恢复力，三是竖向荷载的分力。作动器出力的分力可以由力传感器反馈值计算得到。假定控制点初始坐标为(xc,yc)，作动器固定端坐标为(xa0,ya0)，作动器与试件连接点的初始坐标为(xad,yad)。加载后，控制点产生实际位移(dx，dy，dθ)，此时控制点的新坐标为

作动器与试件连接点的新坐标为

然后可以将作动器的力fa分别分解到x，y方向，得到两个方向的分力

以及它们对控制点的扭矩

ma＝fax(yc-yad′)-fay(xc-xad′)(23)

将控制点上每个作动器按公式(19)至(23)计算得到沿三个自由度方向的分力后，叠加到一起，就可以得到控制点三个自由度方向上的作动器分力。然后再与竖向荷载分力，以及与其关联的自由度方向上的恢复力叠加，就可以得到该控制点的实际恢复力。

以控制点为最小加载控制单元的通用试验加载控制方法流程如下：

(1)获取当前目标步下所有控制点自由度目标及目标类型：目标类型为主动时，目标值来源与界面；目标类型为位移跟动或力跟动时，目标值等于跟动系数乘以被跟随自由度的位移或力；

(2)计算各控制点的增量混合目标及增量位移目标：根据估计的结构整体刚度矩阵将增量混合目标转换为统一的位移目标，然后分解到每个控制点上；

(3)计算作动器命令：将控制点增量位移目标转换到作动器坐标系下，并根据控制算法计算各作动器的命令；

(4)驱动作动器对试件进行加载，然后测量获得外位移计读数、作动器的力和位移反馈值；

(5)计算控制点实际位移：考虑滑动位移计和铰接位移计两种情况，分别计算控制点位移。当存在支座移动，即存在参考点时，还需要扣除参考点的位移，作为控制点的实际位移值；

(6)计算控制点实际恢复力：将作动器的力反馈值分解到对应控制点的各个自由度上，并与预应力和关联自由度恢复力叠加，作为控制点的实际恢复力；

(7)组装得到控制点的力位移混合实现值，如未达到目标，重复(2)至(6)步，直至目标完全实现；

(8)本目标步完成，继续下一目标步，直至完成试验。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。