加载系统的制作方法

本申请涉及一种比如在土木领域、交通领域、桥梁领域和机械领域等的新型加载系统及其控制方法，其可应用于高精度试验加载部分的静力、拟静力和拟动力试验。

背景技术：

近年来，随着工程结构的大型化和复杂化，以及阻尼器、隔震支座、防屈曲支撑等耗能减振与隔震结构构件的工程应用，抗震领域对大比例尺试验甚至足尺试验的需求越来越强烈。为了能够获得尽量准确、真实的试验结果，对各方面都提出了更高的要求，如：对试件尺寸和加载时间相似比效应的控制；试验中新的试验方法的应用；试验加载设备的能力及控制性能；将试验与相关软件进行对接，对试验系统的接口进行整合；对试验边界条件模拟的准确程度等。

由于地震对结构的作用是多轴且不断变化的，并且随着工程结构的大型化、复杂化以及边界条件模拟的复杂化，为了更好地模拟各种情况下的地震反应，试验系统也逐渐向复杂化、精细化发展。

传统的加载系统由反力墙102、电液伺服作动器A’、位移计和液压千斤顶B’组成，如图1所示。试件水平方向位移由电液伺服作动器A’控制，试件所受竖向力由液压千斤顶B’加载。传统加载方式存在如下问题：无法实现对转角的精确控制；轴力加载通过手动调节千斤顶实现，误差很大。

随着对大比例尺甚至足尺试验的需求越来越强烈，结构试验技术水平的提高，以及液压伺服系统的快速发展，对作动器的协同工作的复杂性以及边界条件的准确实现的复杂性都提出了更高的要求。传统的加载方式已经实现不了日渐精密的加载工况。

为了解决以上问题，达到高精度加载的目的，本申请提出一种新型的加载系统和加载控制方法。

根据本申请的方案，能够实现对转角的精确控制，且能够精确控制轴力加载。

另外，本申请还能解决：传统加载方式中，水平方向加载通过手动控制实现，结果精度和效率低的问题。

技术实现要素：

根据本实用新型一方面，提供一种加载系统，包括：竖向反力装置，用于为竖向作动器提供反作用力；横向反力装置，用于为水平作动器提供反作用力；竖向作动器，用于向试件提供轴力；水平作动器，用于向试件提供横向力；L型加载梁，用于在竖向作动器和水平作动器的协同控制下进行水平位移、竖向位移和转动。

根据本实用新型另一方面，提供一种加载控制方法，包括：向加载系统发出位移、轴力和转角命令，转化为竖向作动器和水平作动器各自的目标位移，作用在试件上，使所述试件产生运动。

通过本申请的加载系统和加载控制方法，克服了现有技术中手动调节千斤顶实现轴力加载导致误差很大的缺陷，且可实现对转角的精确控制。

本申请的加载系统和加载控制方法还可实现对水平方向加载的更高精度的控制，保证加载顺利进行并取得准确试验结果。

附图说明

从以下参考附图对示例性实施方式的说明，其他特征将是明显的。

图1示出了传统加载系统的示意图；

图2示出了根据本实用新型的加载系统的示意图；

图3示出了根据本实用新型的加载控制方法的示例流程图；

图4示出了本实用新型的加载系统应用于场景一时的安装示意图；

图5中的(a)示出本实用新型的加载系统应用于场景一时的试验装置示意图；

图5中的(b)示出图5中的(a)的简化几何图；

图6中的(a)示出了场景一的情况下试件顶部的示意图；

图6中的(b)示出了图6中的(a)的简化几何图；

图7中的(a)示出了场景一的情况下试件底部的示意图；

图7中的(b)示出了图7中的(a)的简化几何图；

图8示出了在应用场景二的情况下剪力墙顶部位移与转角关系；

图9示出了在应用场景二的情况下剪力墙加载装置示意图。

具体实施方式

根据本实用新型一方面，提供一种加载系统，包括：竖向反力装置，用于为竖向作动器提供反作用力；横向反力装置，用于为水平作动器提供反作用力；竖向作动器，用于向试件提供轴力；水平作动器，用于向试件提供横向力；L型加载梁，用于在竖向作动器和水平作动器的协同作用下进行水平和竖向位移以及转动。

图2示例性示出了根据本实用新型一方面的加载系统。

如图2所示，该加载系统包括横向反力装置202，该横向反力装置用于对水平作动器提供反力，其可以是反力墙；竖向反力装置201，用于对竖向作动器提供反力，该竖向反力装置可以是竖向反力架；水平作动器和竖向作动器，在图中示为2台竖向作动器B、D和1台水平作动器A，然而实施方式不限于此；L型加载梁203，用于在竖向作动器B、D和水平作动器A的协同作用下进行位移、转动。

在图2中还示出了四连杆204，用于约束L型加载梁203的转动，然而本实施方式不限于此，对于有转动的试验可以拆除四连杆204。

竖向作动器B、D和水平作动器A可以是电液伺服作动器，最大出力为200t，最大位移为±250mm。竖向反力架总高度可以是9.5m。反力墙可以高5m，厚3m。该系统可对高达4m的墙、柱等试件进行拟静力或拟动力试验。应理解，以上数字仅为便于描述，并不用于对本实用新型进行限制。

在图2的示例中，作动器A为水平作动器，其一端连接反力墙，另一端连接L型加载梁203；作动器B、D为竖向作动器，其一端连接反力梁，另一端连接L型加载梁203。试件205安装在L型加载梁203下方，用螺杆将试件205顶梁与L型加载梁203的下边缘固定连接，将试件205底座锚固在台座上。

应理解，只要能通过三个作动器的协同控制来实现L型加载梁的水平、竖向位移和转动，从而实现试件205的目标水平位移、竖向轴力和转角，三个作动器与L型加载梁203的连接关系不限于以上示例。

以上加载系统中L型加载梁203起到非线性变换的作用，用于将向加载系统发出的位移和转角命令转化为作动器各自的目标位移。L型加载梁203的设置能够实现试验过程中试件205和三个作动器的位移计几何位置的非线性变化。非线性变换过程通过数值信号处理器(DSP)或者 ASIC电路即可实现。

该加载系统还可以包含外环比例-积分控制器(proportional integral controller，简称PI控制器)，从而实现对试件205的精确加载控制。该加载系统还可以包含检测器，用于获得试件205的真实水平位移、转角和实际轴力。

关于外环PI控制器和检测器的具体工作，将参照以下加载控制方法进行详细描述。

根据本实用新型另一方面，还提供一种加载控制方法，包括：向加载系统发出位移、轴力和转角命令，转化为竖向作动器和水平作动器各自的目标位移，作用在试件205上，使试件205产生运动。

该方法还可以进一步包括：通过非线性变换，将向所述加载系统发出的位移、轴力和转角命令转化为所述竖向作动器和水平作动器各自的目标位移；通过检测器，得到试件205的真实水平位移、转角和实际轴力；通过外环PI控制器对水平位移和转角、实际轴力的误差不断修正直至达到要求精度，以实现对位移和转角的控制。

其中，通过外环PI控制器对轴力误差以及水平位移和转角的误差进行修正可以包括：将位移、转角、轴力命令与试件205的真实水平位移、转角和实际所受轴力作差，得到系统的控制误差，再通过外环PI控制器进行修正，直到系统的控制误差缩小到在可接受范围内。

图3示出了该加载控制方法的示例流程图。在图3中，dc、Nc和θc分别表示命令位移、轴力和转角；PI控制器为外环PI控制器；G1为将命令位移、轴力和转角转化为作动器A、B、D的目标位移的非线性变换；G2为将作动器A、B、D的出力转化为试件205真实轴力的非线性变换；G3为将外位移传感器(在此例中为线性可变差动变压器(Linear Variable Differential Transformer，LVDT))实测位移转化为试件205实际位移、转角的非线性变换；d1c、d2c和d3c分别表示作动器A、B和D的目标位移； PI_d1、PI_d2和PI_d3分别表示作动器A、B和D的内环PI控制器；TA、TB和TC分别表示作动器A、B和D的传递函数，从而模拟作动器加载；d1′为试件205实际水平位移，N′为试件205实际轴力，θ′为试件205顶部实际转角。

参考图3描述根据本实用新型一方面的加载控制方法的示例。在该示例中，以图2所示的加载系统为例，其中有两个竖向作动器B、D和一个水平作动器A。

该方法包括如下步骤：首先，向加载系统发出位移、轴力和转角命令，通过非线性变换G1，转化为作动器A、B和D各自的目标位移；然后，将作动器A、B、D的目标位移发送给机械测试模拟(Mechanical Testing &System，简称MTS)系统控制试验加载，注意该步骤不是必需的，也可以直接也可以直接操纵作动器产生目标位移，使得试件205产生运动；采集作动器A、B和D的实际出力，从而求得试件205实际所受轴力，反馈给系统以实现对轴力的控制；使用外位移传感器实测位移，通过非线性变换，得到试件205的真实水平位移和试件205顶部的转角，反馈给系统以实现对位移和转角的控制；将目标命令与试件205响应作差，得到系统的控制误差，再通过同一个PI控制器进行修正，直到系统的控制误差缩小到在可接受范围内。

应理解，图3所示的方法流程仅是为了描述方便而示出了一个示例，并不用于限制本申请的范围。从实测位移得到真实位移和转角的方式也不限于非线性变换，得到试件205实际所受轴力的方式也不限于以上描述，本领域技术人员可以根据实际情况需要采用其他手段，只要能够得到试件205的实际轴力、真实位移和转角即可。本领域技术人员也可以根据实际需要采取试件205其他部位的转角，而不限于试件205顶部。

具体应用场景

下面以两个具体应用场景为例，来描述本实用新型的加载系统和加载控制方法在实际试验中的应用。两个应用场景分别是：钢筋混凝土框架柱抗震性能测试，钢筋混凝土剪力墙受力性能试验。以下描述仅是为了便于本领域技术人员更理解本实用新型的原理，而不是用于限制本实用新型。

应用场景1

下面以钢筋混凝土框架柱抗震性能测试为例阐述加载系统和加载控制方法的示例应用。其中，作动器及LVDT外位移传感器L1-L6的布置如图4所示。

本申请的加载控制方法应用到钢筋混凝土框架柱抗震性能测试中具体实现过程如下。

(1)向加载系统发出位移、轴力和转角命令，通过非线性变换G1，将其转化为作动器A、B和D各自的目标位移，作用在试件205上。

设试件205的轴向刚度为K(单位：kN/mm)，则试件205的目标竖向位移为：

则各作动器与结构相连一端的坐标为

式中XAi,s——整体坐标系下作动器与结构相连一端的横坐标

YAi,s——整体坐标系下作动器与结构相连一端的纵坐标

Xc——整体坐标系下控制点C的横坐标(mm)；

Yc——整体坐标系下控制点C的纵坐标(mm)；

TLG——局部坐标系到整体坐标系的转换矩阵；

xAi——作动器与结构相连一端在C点局部坐标系下的横坐标；

yAi——作动器与结构相连一端在C点局部坐标系下的纵坐标。

其中，转换矩阵TLG的表达式与C点的目标转角θc有关，它决定局部坐标系与整体坐标系之间的夹角，转换矩阵为

试件205运动过程中，C的坐标与它的初始坐标和目标位移有关

式中Xco——整体坐标系下控制点C的初始横坐标(mm)；

Yco——整体坐标系下控制点C的初始纵坐标(mm)；

dc——试件205在水平方向上的目标位移(mm)；

dvc——试件205在竖直方向上的目标位移(mm)

那么，作动器的目标伸长长度为

式中XAi,f——整体坐标系下作动器固定端的横坐标(mm)；

YAi,f——整体坐标系下作动器固定端的纵坐标(mm)；

dic——作动器的目标位移(mm)；

dio——作动器的初始长度(mm)。

(2)试件205产生运动，采集作动器A、B和D的实际出力，从而求得试件205实际所受轴力，通过外环PI控制器对轴力误差进行修正反馈给系统以实现对轴力的控制。

取出作动器A、B、D以及L型加载梁203进行分析，如图5中的(a) 所示，并将其简化为简单的几何图形，如图5中的(b)所示。图5中的 (b)中，O3E3、A3B3、C3D3分别代表作动器A、B、D，它们的初始长度分别为La0、Lb0、Ld0，在运动过程中，长度分别为LA、LB、LD，O3、B3、C3为作动器的固定端，E3、A3、D3为作动器与L型加载梁203的铰接点； B3C3水平，A3D3、B3C3的长度为L，B3与O3的水平距离为S，垂直距离为 H，A3E3长度为LAB；∠E3A3D3固定不变，为θ3。取O3点为坐标原点，设作动器A、B、D与x3轴正方向的夹角分别为γ1、γ2、γ3。

根据已知条件，可得各点的坐标，则相应的向量为

由于A3D3、A3E3长度为定值，夹角也为定值，则可列出方程

联立式(6)、(7)和(9)可求得角γ1、γ2、γ3，从而可以得到试件205实际所受轴力

N'＝F1·sinγ1+F2·sinγ2+F3·sinγ3 (10)

式中N′——试件205实际所受轴力(kN)；

F1——作动器A的实际出力(kN)；

F2——作动器B的实际出力(kN)；

F3——作动器D的实际出力(kN)。

与此同时，可求得试件205实际水平力

F＝F1·cosγ1+F2·cosγ2+F3·cosγ3 (11)

式中F——试件205实际所受的水平力(kN)。

(3)将外位移传感器实测位移，通过非线性变换，得到试件205 的真实水平位移和试件205顶部的转角，通过系统的PI控制器对误差不断修正直至达到要求精度，从而实现目标位移和转角的反馈控制。

在该场景中，在某些情况下，底座会有少量的水平滑移和竖向压缩，此时对于试件205的真实位移，应当扣除底座处的位移变化，因此应该求顶部C点与底部O点的合位移。

(a)控制点C处

取出LVDT外位移传感器L1、L2、L3以及试件205顶梁进行分析，如图6中的(a)所示，将其简化为简单的几何图形，如图6中的(b)所示。

图6中的(b)中，D1E1、A1B1、O1C1分别代表编号为L1、L2、L3的LVDT外位移传感器，运动过程中长度分别为L1、L2、L3，其中， A1、O1、E1为传感器的固定点，B1、C1、D1为传感器与结构的铰接点；A1O1水平，A1O1、B1C1的长度为d，E1与O1的水平距离为s，垂直距离为h，C1D1长度为L13；∠B1C1D1固定不变，为θ1。取O1点为坐标原点，设传感器L1、L2、L3与x1轴负方向的夹角分别为α1、α2、α3。

根据已知条件，可写出各点的坐标：O1(0，0)，A1(-d，0)， B1(-d-L2·cosα2，L2·sinα2)，C1(-L3·cosα3，L3·sinα3)，E1(s，h)， D1(s-L1·cosα1，h+L1·sinα1)。则相应的向量为：

由于C1B1、C1D1长度为定值，夹角也为定值，则可列出方程

联立式(12)、(13)和(16)可求得角α1、α2和α3，从而可以得到试件205顶部的实际转角

θ'＝∠A1B1C1-α2 (17)

式(17)中∠A1B1C1可由下式求得

返回整体坐标系，可求得外位移传感器L2、L3与结构相连一端的全局坐标

式中X2,s——整体坐标系下外位移传感器L2与结构相连一端的横坐标(mm)；

Y2,s——整体坐标系下外位移传感器L2与结构相连一端的纵坐标(mm)；

X2,f——整体坐标系下外位移传感器L2固定端的横坐标

Y2,f——整体坐标系下外位移传感器L2固定端的纵坐标

式中X3,s——整体坐标系下外位移传感器L3与结构相连一端的横坐标(mm)；

Y3,s——整体坐标系下外位移传感器L3与结构相连一端的纵坐标(mm)；

X3,f——整体坐标系下外位移传感器L3固定端的横坐标

Y3,f——整体坐标系下外位移传感器L3固定端的纵坐标

从而可求得整体坐标系中试件205顶部控制点C的实时坐标，最后得到试件205顶部的实际水平位移dc′为

同理可得试件205顶部真实的竖向位移dv为

(b)底座O点处

取出LVDT外位移传感器L4、L5、L6以及试件205底座进行分析，如图7中的(a)所示，并将其简化为简单的几何图形，如图7中的 (b)所示。

图7中的(b)中，D2E2、A2B2、O2C2分别代表LVDT外位移传感器L4、L5、L6，在运动过程中，长度分别为L4、L5、L6，A2、O2、 E2为LVDT外位移传感器的固定点，B2、C2、D2为LVDT外位移传感器与底座的铰接点；A2O2水平，A2O2、B2C2的长度为d，E2与O2的水平距离为s′，垂直距离为h′，C2D2长度为L46；∠B2C2D2固定不变，为θ2。取O2点为坐标原点，LVDT外位移传感器L4、L5、L6与x2轴负方向的夹角分别为β1、β2、β3。

根据已知条件，可写出各点的坐标：O2(0，0)，A2(-d，0)， B2(-d-L5·cosβ2，-L5·sinβ2)，C2(-L6·cosβ3，-L6·sinβ3)，E2(s′，-h′)， D2(s′-L4·cosβ1，-h′-L4·sinβ1)。则相应的向量为

由于C2B2、C2D2长度为定值，夹角也为定值，则可列出方程

联立式(23)、(24)和(25)可求得角β1、β2和β3，返回整体坐标系，可以求得LVDT外位移传感器L5、L6与底座相连一端的全局坐标为

式中X5,s——整体坐标系下外位移传感器L5与底座相连一端的横坐标(mm)；

Y5,s——整体坐标系下外位移传感器L5与底座相连一端的纵坐标(mm)；

X5,f——整体坐标系下外位移传感器L5固定端的横坐标

Y5,f——整体坐标系下外位移传感器L5固定端的纵坐标

式中X6,s——整体坐标系下外位移传感器L6与底座相连一端的横坐标(mm)；

Y6,s——整体坐标系下外位移传感器L6与底座相连一端的纵坐标(mm)；

X6,f——整体坐标系下外位移传感器L6固定端的横坐标

Y6,f——整体坐标系下外位移传感器L6固定端的纵坐标

从而可求得底座的水平和竖向位移为

式中do——底座O点处的实时水平位移(mm)；

Xo——底座O点处的初始横坐标(mm)。

式中dvo——底座O点处的实时竖向位移(mm)，方向与轴力方向相同；

Yo——底座O点处的初始纵坐标(mm)。

通过式(21)和(28)可求得试件205的实际水平位移

d1'＝dc'-do (30)

通过式(22)和(29)可求得试件205的实际竖向位移

dv'＝dv-dvo (31)

综上所述，非线性变换G2得以确定，将式(17)求得的转角θ′和式(30)求得的试件205水平位移d1′反馈给系统，即可实现外环位移、转角反馈控制。

(4)将目标命令与试件205响应作差，得到系统的控制误差，再通过同一个PI控制器进行修正，直到系统的控制误差缩小到在可接受范围内。

重复步骤(1)-(4)。该实现过程即为基于外位移反馈考虑几何非线性的方法，得到的试件205响应曲线即为最接近试件205真实反应的曲线。试件205的响应曲线与目标命令曲线的吻合程度能够反映试件205实际反应跟踪目标命令的情况。

应用场景2

下面描述本申请应用于钢筋混凝土剪力墙受力性能测试情况下的例子。

在剪力墙结构体系中，剪力墙端部要受到相邻层墙体及楼板的约束。为了使试验边界条件与实际情况更为接近，试验通过外位移反馈考虑几何非线性的三自由度加载控制方法实现剪力墙顶部的转角约束。通过对原型结构进行有限元分析，得出试验剪力墙的顶部转角与水平位移呈近似线性关系，如图8所示。

下面描述采用本申请的加载系统来实现图8所示的剪力墙顶部转角约束的具体例子。在下面的描述中，各种具体限制仅是为了描述该具体例子，且不用于限制本实用新型。本领域技术人员可以根据实际需要采用其他限制手段。

首先根据试件的设计轴压比施加轴向荷载；然后，再对试件施加分级水平荷载，同时实现与水平位移呈线性关系的剪力墙顶截面转角。当承载力降至峰值的80％-85％(或者当水平位移足够大时)，加载结束。

图9为实现剪力墙试件竖向荷载、水平往复位移和顶部转角的试验装置。通过两个竖向作动器B、D(±2000kN)施加竖向力，试验过程中两个作动器出力总和保持不变，通过两作动器位移差值对L型大梁及试件顶部进行转角控制。水平方向由一个作动器A(± 2000kN)施加往复水平荷载。为防止剪力墙试件发生出平面破坏，对L型大梁施加侧向约束。

在应用场景二情况下的加载控制实施过程中，试验加载工况采用定轴力，变转角、变水平位移，且转角与水平位移呈图8所示线性关系。具体步骤如下：

(1)首先由式(5)将目标命令转换成三个作动器的目标位移。

(2)然后将作动器A、B、D的目标位移发送给MTS控制试验加载。

(3)采集得到作动器的位移，作动器的力，以及LVDT外位移传感器的位移。最后利用G2、G3非线性变换得到试件实际水平位移，转角与竖向轴力。

(4)将目标命令与试件响应作差，得到系统的控制误差，再通过同一个PI控制器进行修正，直到系统的控制误差缩小到在可接受范围内；重复(1)-(4)过程。

本实用新型还提出了一种存储有机器可读取的指令代码的程序产品。所述指令代码由机器读取并执行时，可执行上述根据本实用新型实施例的加载控制方法。相应地，用于承载这种程序产品的各种存储介质也包括在本实用新型的公开中。

在上面对本实用新型具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

此外，本实用新型的各实施例的方法不限于按照说明书中描述的或者附图中示出的时间顺序来执行，也可以按照其他的时间顺序、并行地或独立地执行。因此，本说明书中描述的方法的执行顺序不对本实用新型的技术范围构成限制。

关于包括以上实施例的实施方式，还公开下述附记：

1.一种加载系统，包括：

竖向反力装置，用于为竖向作动器提供反作用力；

横向反力装置，用于为水平作动器提供反作用力；

竖向作动器，用于向试件提供轴力；

水平作动器，用于向试件提供横向力；

L型加载梁203，用于在竖向作动器和水平作动器的协同控制下进行水平位移、竖向位移和转动。

2.根据附记1所述的加载系统，还包括：

非线性变换装置，用于将向所述加载系统发出的位移、轴力和转角命令转化为所述竖向作动器和水平作动器各自的目标位移；

检测器，用于获得试件的真实水平位移、转角和实际轴力；

外环PI控制器，用于对所述检测器得到的真实位移和转角、以及实际轴力的误差不断进行修正，来实现对试件的精确控制。

3.根据附记2所述的加载系统，所述外环PI控制器对位移、转角、轴力命令与试件的真实水平位移、试件顶部的转角和实际轴力之差、即所述误差进行修正，直到所述误差缩小到在可接受范围内。

4.根据附记1-3中任一项所述的加载系统，其特征在于，包括2 台所述竖向作动器和1台所述水平作动器，且所述竖向作动器和水平作动器是电液伺服作动器，其最大出力为200t，最大位移为± 250mm。

5.根据附记1-3中任一项所述的加载系统，其特征在于，所述竖向反力装置包括竖向反力架，其总高度为9.5m。

6.根据附记1-3中任一项所述的加载系统，其特征在于，所述横向反力装置包括反力墙，其高度为5m，厚度为3m。

7.根据附记1所述的加载系统，其特征在于，还包括四连杆，用于对L型加载梁的转动进行约束。

8.一种使用以上任一项附记的加载系统来进行加载控制的方法，包括：

向所述加载系统发出位移、轴力和转角命令，转化为所述竖向作动器和水平作动器各自的目标位移，作用在试件上，使所述试件产生运动。

9.根据附记8所述的方法，其中通过非线性变换，将向所述加载系统发出的位移、轴力和转角命令，转化为所述竖向作动器和水平作动器各自的目标位移；

通过检测器获得试件的真实水平位移、转角和实际轴力，通过外环PI 控制器对真实水平位移、转角和实际轴力的误差进行不断修正，直至达到要求精度，以实现对试件的精确控制。

10.根据附记9所述的方法，所述的通过外环PI控制器对真实水平位移、转角和实际轴力的误差进行修正包括：

将位移、转角、轴力命令与试件的真实水平位移、转角和实际轴力作差，得到系统的控制误差，再通过所述外环PI控制器进行修正，直到系统的控制误差缩小到在可接受范围内。

尽管上面已经通过对本实用新型的具体实施例的描述对本实用新型进行了披露，但是，应该理解，本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本实用新型的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本实用新型的保护范围内。