結構擬靜力實驗的自動控制

結構擬靜力實驗的自動控制

1擬靜力實驗研究靜態(tài)實驗（quasi）是研究結構或器官性能的最廣泛使用的實驗方法。它是采用一定的載荷控制或變形控制對試件進行低周反復加載,使試件從彈性階段直至破壞的一種實驗。它包括單調(diào)加載和循環(huán)加載實驗;通常循環(huán)加載實驗也稱為周期性加載實驗,而單調(diào)加載實驗可以認為是循環(huán)加載實驗的一個特例。另外,它的加載速率很低,應變速率對實驗結果的影響可以忽略。應用這種方法進行的實驗不僅在數(shù)量上遠遠超過其它類型的實驗,更重要的是擬靜力加載實驗可以最大限度地利用試件提供各種基本信息,例如:承載力、剛度、變形能力、耗能能力和損傷特征等。根據(jù)對美國5年中地震工程實驗研究的統(tǒng)計,發(fā)表在主要結構工程刊物上的實驗研究中85%～90%屬于擬靜力實驗范疇。擬靜力實驗的目的是對材料或結構在荷載作用下的基本表現(xiàn)進行深入的研究,進而建立可靠的理論模型,一種理論分析上的力學或數(shù)學模型;許多實際工程結構或構件的檢驗性實驗也采用這種實驗方法,即這種試件的設計和理論分析結果已經(jīng)存在,實驗目的是檢驗現(xiàn)有方法的準確程度和存在的不足,為應用提供技術保證。從試件種類來看,鋼結構、鋼筋混凝土結構、磚石結構以及組合結構是研究最多的;從試件的類型來看,梁、板、柱、節(jié)點、墻、框架和整體結構等都是進行擬靜力加載實驗的主要對象。擬靜力實驗設備也有了很大發(fā)展,過去主要采用機械式千斤頂或液壓式千斤頂進行加載,目前許多結構實驗室主要采用電液伺服加載系統(tǒng)進行結構的擬靜力加載實驗。實驗過程中數(shù)據(jù)采集也實現(xiàn)了自動化和智能化,計算機進行數(shù)據(jù)采集已經(jīng)成為主流,不僅提高了實驗的精度,而且在實驗過程中可以實時處理有關量測數(shù)據(jù)。但是,擬靜力實驗控制軟件還比較欠缺,大多數(shù)實驗還是人工控制或半自動控制,與設備硬件的發(fā)展不相適應的。目前還沒有一個通用的或商業(yè)化的擬靜力實驗控制軟件。原因之一是擬靜力實驗比較復雜,實驗軟件與結構靜力模型、結構類型、試件特征、作動器的位置安排、測量傳感器的布置等均有密切關系;特別是實驗軟件直接與具體控制系統(tǒng)有關,這在很大程度上限制了用戶開發(fā)擬靜力實驗軟件,要想開發(fā)出比較通用的擬靜力實驗軟件,用戶必須詳細了解和掌握設備生產(chǎn)廠家的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接口和軟件開發(fā)平臺。清華大學土木工程系應用的是MTS公司的電液伺服加載系統(tǒng),基于WINDOWS?NT平臺和VisualC++語言,開發(fā)了擬靜力加載實驗控制軟件TUST,實現(xiàn)了力與位移控制模式的實時平滑轉(zhuǎn)換。雖然TUST軟件中的數(shù)據(jù)輸入輸出模塊都是針對MTS公司的設備接口、庫函數(shù)和操作系統(tǒng)平臺設計的,但是對于不同的控制系統(tǒng)可以作相應的改動。2試驗加載制度目前常用的擬靜力加載實驗規(guī)則主要有三種:位移控制加載,力控制加載,力?位移混合控制加載。(1)位移控制加載是以加載過程的位移作為控制量,按照一定的位移增幅進行循環(huán)加載,有時是由小到大變幅值的,有時幅值是恒定的,有時幅值是大小混合的;(2)力控制加載方式是以每次循環(huán)的力幅值作為控制量進行加載的,因為試件屈服后難以采用力控制,所以這種加載方式較少單獨使用;(3)力?位移混合控制加載方法首先是以力控制進行加載,當試件達到屈服時改用位移控制。圖1給出了位移控制的加載規(guī)則。我國《建筑抗震試驗方法規(guī)程》JGJ101—96中規(guī)定:試件屈服前,應采用載荷控制并分級加載,接近開裂和屈服荷載前宜減小級差加載;試件屈服后應采用變形控制,變形值應取屈服時試件的最大位移值,并以該位移的倍數(shù)為級差進行控制加載;施加反復荷載的次數(shù)應根據(jù)試驗目的確定,屈服前每級荷載可反復一次,屈服以后宜反復三次。上述規(guī)定在實際應用上存在具體問題,一是實驗過程中如何確定開裂荷載,目前仍然是用人工方法檢查,且逐級加載也難以準確地得到開裂荷載;另一個問題是沒有一個確定屈服點的統(tǒng)一標準。在實驗過程中很難精確確定試件的屈服載荷和屈服位移,仍然是由人的經(jīng)驗判斷,所以實驗中判斷試件屈服與否只是一個不精確的概念。另外,有些試件本身沒有明顯的屈服點,對于這樣的試件,應當考慮用位移控制完成實驗。擬靜力實驗的加載方式有單點加載和多點加載,目前絕大多數(shù)擬靜力實驗是針對梁、板、柱、墻片等構件,屬于單點加載方式。象多層房屋或多層框架結構的擬靜力實驗屬于多點加載,這類試件需要多個電液伺服作動器在多個自由度上進行加載。由于多點擬靜力加載實驗主要是模擬等效地震荷載在結構上的作用,常近似成倒三角形分布,所以各質(zhì)點加載作用力由上到下按倒三角形分布進行加載。關于實驗進程中試件屈服點的判斷,考慮到目前的實際情況,仍然采用人工判別的方法。具體過程如圖2所示,在實驗的第一階段(初始階段),采用力控制模式;當滯回曲線圖上位移達到Dy時(人工判別,此時實際到達的位移可能稍大于Dy),則轉(zhuǎn)換成位移控制模式,進入實驗的第二階段。對于多層房屋或多層框架結構的擬靜力實驗,力?位移控制模式的轉(zhuǎn)換仍然采用相同的規(guī)則,其判斷條件是只要有一層達到屈服點Dy時,則所有加載點的控制模式都從力控制轉(zhuǎn)換成位移控制模式,且位移分布與實驗開始時的力分布相同。3擬靜力實驗設計為了使用上的方便,將實驗的加載方式進行了分類,共分成四種類型,從類型菜單直接選擇。第一種類型是單質(zhì)點型,是指試件在加載方向具有相同的變形,但加載作動器可以是多個共同工作;第二種類型是多質(zhì)點型;第三種類型是離散質(zhì)點型,主要用于結構的錯層加載;第四種類型用于扭轉(zhuǎn)加載或梁柱節(jié)點的拉壓實驗。TUST軟件采用VisualC++語言開發(fā),在結構參數(shù)輸入、設備配置、實驗過程的實時監(jiān)測和控制等方面,都采用了表格和圖形界面。同時,該軟件具有模擬實驗功能,正式實驗之前可以由計算機對被試結構進行數(shù)值模擬,以便對實驗有所預測。由于擬靜力實驗軟件都與具體實驗設備相聯(lián)系,所以軟件中相關模塊都是針對具體設備的數(shù)據(jù)接口、庫函數(shù)和支持平臺。清華大學土木系采用的是MTS公司的設備,所以目前TUST軟件的應用是在MTS公司的FlexTestIIm控制平臺上進行,圖3給出了TUST軟件與FlexTestIIm控制平臺的關系。3.1力和位移控制模式實驗參數(shù)的輸入采用非常簡單的菜單式輸入,如圖4所示,需要輸入的內(nèi)容有:作動器個數(shù),試件自由度個數(shù),外位移傳感器通道號,內(nèi)位移傳感器通道號,力傳感器通道號,控制通道號,作動器所在的自由度號,初始目標值,幅值增量,加載步長,每一幅值循環(huán)圈數(shù),誤差容限值,作動器最大速度等。在功能欄中,除了開始、暫停、停止和幫助之外,還有兩個按鈕用于力和位移控制模式的轉(zhuǎn)換。在位移控制模式下有如下三種控制方式,(1)內(nèi)位移控制:采用的是作動器本身的位移傳感器進行控制;(2)外位移控制:采用的是外部的即試件上的位移傳感器進行控制和判斷;(3)命令值控制;只將目標期望值或稱為目標值作為作動器的命令信號進行控制,不對測量值進行判斷和比較。在力控制模式下有兩種控制方式,(1)測量力控制:采用的是作動器本身的力傳感器進行控制;(2)命令力信號控制:只將期望值作為作動器的力命令信號進行控制,不對測量值進行判斷和比較。一般情況下力傳感器的精度遠高于試件的反力,測量力控制和命令力值控制相比幾乎沒有差別。特別需要指出的是,為了避免由于誤差容限值選擇過小造成死循環(huán),TUST軟件中規(guī)定對一個作動器循環(huán)十次仍不滿足誤差容限值時將以當前值為準繼續(xù)執(zhí)行下一步。3.2實驗過程的顯示在實驗的進行過程當中,TUST實時地顯示內(nèi)外位移傳感器的測量值、力傳感器的測量值、滯回曲線以及試件的變形形態(tài),如圖5所示。4力控制加載模式試件1為一個鋼結構懸臂梁,作動器位移行程±250mm、力±250kN,圖6為實驗裝置。實驗初始階段采用力控制模式,其中初始的力幅值是1.5kN,力幅值的增量是1.5kN,力的加載步長是0.2kN,在每一力幅值下循環(huán)3周。圖7中第一條虛線的左邊是力控制加載過程,圖8是對應階段的滯回曲線。當力控制加載使試件出現(xiàn)屈服點Dy后轉(zhuǎn)換為位移控制模式,其中位移的初始幅值是2.5mm,位移幅值增量是2.5mm,位移加載步長是0.2mm,在每一位移幅值下循環(huán)3周。這一階段的滯回曲線如圖9所示。當實驗進行到507步時,即圖7中的第二條虛線,又進行了一次實驗參數(shù)的改變(控制模式依然是位移控制),新的位移控制參數(shù)是位移的初始幅值2.0mm,位移幅值增量是2.0mm,位移加載步長是0.2mm,在每一位移幅值下循環(huán)3周。整個實驗過程的滯回曲線如圖10所示。試件2為鋼結構框架,圖11為試件和實驗裝置。兩個加載作動器位移行程±250mm、力行程±250kN,初始階段采用力控制模式,其中初始力幅值是0.5kN,力幅值的增量是0.5kN,力的加載步長是0.1kN,在每一力幅值下循環(huán)3周,采用命令值控制;轉(zhuǎn)換成位移控制模式后,位移的初始幅值是0.5mm,位移幅值的增量是0.5mm,位移的加載步長是0.1mm,在每一位移幅值下循環(huán)3周,仍采用命令值控制。實驗結果如圖12所示。5擬靜力實驗設計研究擬靜力實驗軟件TUST是作者多年在實驗室從事實驗研究的基礎上開發(fā)的,充分考慮了目前擬靜力實驗方法和技術的現(xiàn)狀以及實驗設備的發(fā)展,力圖作到功能完善、使用可靠、操作簡單,以適應不同構件或結構的擬靜力實驗。該軟件計劃進一步開發(fā)和擴充。同時,擬靜力實驗方法本身的一些問題也需要進一步探討,其中如何確定試件的屈服點、是否能夠給出合適的規(guī)則是擬靜力實驗中有待于研究解決的問題;對于剛度很大的試件,是否仍能夠按照先力后位移的加載規(guī)則進行實驗,還需要在實踐中驗證;對于柔性試件,也存在類似的問題。本文的工作僅僅是一個開始,為了使擬靜力實驗方法和控制軟件能夠更廣泛地應用,我們將考慮開發(fā)不同環(huán)境和運行平臺的擬