一种大型动静力试验加载系统 |
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| 申请号 | CN201710649661.0 | 申请日 | 2017-08-01 | 公开(公告)号 | CN107387497A | 公开(公告)日 | 2017-11-24 |
| 申请人 | 中国建筑股份有限公司; 北京中建柏利工程技术发展有限公司; | 发明人 | 李云贵; 孙建运; 史鹏飞; 李雨亭; 赵永曦; 李伟; 张翠强; 王鹏; 李六连; 翟明会; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种大型动静 力 试验加载系统，包括液压控制系统，反力墙和反力地板系统，所述液压控制系统包括油源管道模 块 ，提供动力的液压油源，连接液压油源和各个液压元件的液压管道，以及将液压管道内液压油输送到各个作动器的分配器，试验加载模块包括对试件施加 载荷 的作动器，对作动器和分配器进行控制的 控制器 和控制 软件 ，试验 数据采集 模块包括由设置在作动器上的多个力 传感器 、位移传感器组成的数据采集器和数据采集软件，所述反力墙和反力地板系统包括L型布置的长反力墙和短反力墙，以及铺设在试验大厅底面的反力地板。可实现拟静力试验、拟动力试验、有效力试验、实时混合试验、远程协同拟动力试验等抗震试验。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种大型动静力试验加载系统，包括液压控制系统，反力墙和反力地板系统，其特征在于， |
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| 说明书全文 | 一种大型动静力试验加载系统技术领域[0001] 本发明属于建筑测试领域，涉及一种加载系统，尤其涉及一种大型动静力试验加载系统。 背景技术[0002] 结构抗震试验在抗震理论的发展中占有非常重要的地位，结构抗震试验主要有拟静力试验、地震模拟振动台试验和拟动力试验，其中在拟动力试验方法基础上又发展了实时混合和网络协同试验等新型混合试验方法。对于结构试验而言，由于加载设备能力、场地和试验成本等因素的制约，传统的结构试验多以小尺度模型为主，由此带来的尺寸效应成为试验中一个难以解决的问题。随着经济和科技的发展，现代工程结构越来越趋向于大型化和复杂化，足尺结构模型试验逐渐得到人们的重视。这是因为足尺模型避免了小尺度结构模型试验的缺陷，还可以对结构各构件之间的相互作用、结构的整体刚度、结构的构造措施以及破坏阶段的实际工作状态进行全面观测。 [0003] 因此，发明一种可对大比例尺或足尺试样施加动静力载荷，最大可完成八层足尺剪力墙拟动力试验的大型动静力试验加载系统具有重要意义。 发明内容[0004] 本发明提供一种大型动静力试验加载系统，以解决现有技术中难以对大比例或足尺试样进行动静力加载的问题。 [0005] 一种大型动静力试验加载系统，包括液压控制系统，反力墙和反力地板系统，其特征在于， [0006] 所述液压控制系统包括： [0007] 油源管道模块，包括提供动力的液压油源，连接液压油源和各个液压元件的液压管道，以及将液压管道内液压油输送到各个作动器的分配器， [0010] 所述反力墙和反力地板系统包括L型布置的长反力墙和短反力墙，以及铺设在试验大厅底面的反力地板。 [0011] 进一步地，所述液压油源包括油箱、冷却系统、液压泵和液压油源控制系统，所述液压油源由多个模块组成，每个模块的流量为700L/min，总流量为2800L/min，各模块间采用并联联接，用阀门相互隔离，每个模块单独工作。 [0012] 进一步地，所述分配器包括静态分配器和动态分配器，其中，静态分配器分别设置在长反力墙、短反力墙和反力地板，动态分配器设置在长反力墙与短反力墙交接处的反力地板，以及长反力墙不与短反力墙交接那一端的反力地板上。 [0013] 进一步地，所述作动器包括与试件相连的关节铰，所述关节铰与液压缸输出端相连并由其驱动，所述液压缸油路上安装有伺服阀，通过控制油路通断实现液压缸动作，所述液压缸内设置有位移传感器，液压缸输出端设置有力传感器，阀块用于安装油路及伺服阀。 [0014] 进一步地，所述油箱由不锈钢材料制成，所述液压泵为恒压变量泵，所述液压油源控制系统为分布式结构，安全阀值设置为75％额定压力，当系统压力低于该阀值时自动停机，并进行故障报警，所述冷却系统由所述液压油源控制系统根据油温变化控制其开启和关闭。 [0017] 进一步地，所述作动器包括静态作动器和动态作动器，其中静态加载作动器为单出杆型作动器，即液压缸只有一个输出端，所述输出端在一侧运动，动态加载作动器为双出杆对称型作动器，即液压缸具有两个输出端，分别在两侧运动。 [0019] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 [0020] 图1为本发明的大型动静力试验加载系统主视图； [0021] 图2为本发明的大型动静力试验加载系统俯视图； [0022] 图3为大型动静力试验加载系统液压控制系统示意图； [0023] 图4为图3的A处局部放大图； [0024] 图5为图3的B处局部放大图； [0025] 图6为短反力墙图； [0026] 图7为长反力墙图； [0027] 图8为反力墙剖面图； [0028] 图9为反力地板图； [0029] 图10为静态作动器示意图； [0030] 图11为动态作动器示意图。 [0031] 附图标记：1-液压油源、2-液压管道、3-分配器、4-作动器、5-控制器、6-控制软件、7-试验数据采集系统、8-长反力墙、9-短反力墙、10-反力地板、11-油箱、12-液压泵、13-冷却系统、14-液压源控制系统、15-PLC控制器、16-电气控制柜、17-液压缸、18-伺服阀、19-位移传感器、20-力传感器、21-关节铰、22-阀块、23-试件、301-静态分配器、302-动态分配器、 401-静态作动器、402-动态作动器。 具体实施方式[0032] 参考图1和图2，一种大型动静力试验加载系统，包括液压控制系统，反力墙和反力地板系统，所述所述液压控制系统包括： [0033] 油源管道模块，包括提供动力的液压油源1，连接液压油源和各个液压元件的液压管道2，以及将液压管道2内液压油输送到各个作动器4的分配器3， [0034] 试验加载模块，包括对试件施加载荷的作动器4，对作动器和分配器进行控制的控制器5和控制软件6，其中，一个控制器控制多个作动器，所述控制器之间互联； [0035] 试验数据采集模块，包括由设置在作动器上的多个力传感器20、位移传感器19组成的数据采集器和数据采集软件， [0036] 所述反力墙和反力地板系统包括L型布置的长反力墙8和短反力墙9，以及铺设在试验大厅底面的反力地板10。 [0037] 特别地，所述液压油源1包括油箱11、冷却系统13、液压泵12和液压油源控制系统14。液压油源采用模块化设计，每个模块的流量为700L/min，总流量为2800L/min，各模块间采用并联联接，用阀门相互隔离，每个模块可单独工作。所有模块同时工作满足系统最大流量的需求。所述油箱11容量满足所有液压泵12对油量的需求，液压油箱11采用不锈钢材料，结构设计合理，满足液压油的过滤、防泄漏等要求，并具有良好的密封性能。所述冷却系统 13用于确保液压油的温度维持在38–52℃区间，以取得最佳的液压油寿命，保证系统正常工作。 [0038] 优选地，液压油采用美孚DTE 25，以易于维护和延长使用寿命。液压油源1液压泵12采用恒压变量泵，压力与作动器4匹配考虑油管阻力，多台泵并联工作，可控分组开启。液压油源1具有良好的液压油的过滤、清洁功能，过滤精度不大于3μ，保证液压油的清洁度高于NASA6级。液压油源1在额定压力和额定流量工作时，液压源噪声1m处小于94dB(A)。液压油源1提供了油液采样口以方便安全可靠的定期油样检测。 [0039] 参考图3到图5，液压源控制系统14采用分布式结构，现场控制器采用PLC控制器15。液压源控制系统14可紧急停止工作，并显示停止工作的原因；突然断电时不产生液压冲击现象；重新通电后，液压源控制系统14处于安全状态，不会自动启动工作。液压油源控制系统14具有智能管理控制功能，实现液压泵12的平稳启动和停机。当液压源控制系统14压力非正常降低到75％额定压力以下时自动停机，并有故障报警功能。液压源控制系统14根据各个液压泵12的工作时间合理安排布置液压泵12的运行。液压源控制系统14具有稳压、冷却、防泄漏、实时显示系统工作压力、油温、油面高度等功能，具有油压、油温过高、油面过低、滤油器堵塞等自动报警和油液泄漏自动停机等安全保护功能。具备紧急停止开关、泵站开关、油温加热及遥控泵站开关等功能。在控制室的相关控制计算机上提供操作界面以监测和控制液压源，操作人员能在控制室观察到液压源相关信息。可在控制室或液压泵房等地独立对液压源进行控制，并具有连锁保护功能，不能异地同时进行操作，泵房具有优先控制功能。液压源控制系统14可控制分配器3进行高低压切换和截止，以实现系统的应急保护。液压源控制系统14可根据油温变化能自动开启或关闭冷却系统13，达到稳定油温的目的。液压源控制系统14电气控制柜16面板具有一个可锁定的主切断开关，以防止带电时柜门被打开。 [0040] 继续参考图3，分配器3用来把液压管道2内液压油输送到各个作动器4。分配器3具有自动的快速截止功能和高低压切换功能，保证加载系统作动器4的安全和平稳启动。分配器3分为静态分配器301和动态分配器302两种，反力墙布置27个静态分配器301，长反力墙819个，短反力墙98个。长反力墙8的1、3、5层每层布置5个静态分配器301，7层布置4个静态分配器301。长反力墙8在第2、4、6、8层共布置16个静态分配器301预留接口。短反力墙91层～8层每层布置1个静态分配器301。反力地板10区域布置4个静态分配器301。在长短反力墙交接处反力地板10预留孔洞附近布置3个动态分配器302的接口，在长反力墙8端部反力地板10预留孔洞附近布置3个动态分配器302，每个动态分配器302连接2个动态作动器402，动态分配器302为可移动式的结构。 [0041] 油源室在地下室，液压管道2的尺寸满足从液压油源1到各个作动器4的流量需求。从主管道到各个静态分配器401共有6组分管道，3组通到8层，2组通到7层，1组通到5层，分管道的流量满足分管道所连接的所有分配器3同时工作时的流量需求。油源管道2强度按供油为28MPa时设计。油源管道2由硬管和软管组成。所有硬管采用钢材质，通径不大于DN50采用不锈钢材质，通径大于DN50采用普通碳钢材质。硬管的连接采用无焊接结构；软管采用耐高压结构。所有液压管道2安装前经过清洗处理，无任何残留物，确保液压管道2内部清洁，并按规定进行泄漏和耐压强度试验。液压油清洁度满足ISO16/13/9规范要求。所有硬管都在工厂内预制，酸洗、磷化并做防锈处理后，用木塞塞住，然后保存和运输。硬管表面油漆的颜色标准：高压管：红色；回油管：黄色；泄油管：蓝色；安装支架：黑色。软管是金属丝加强的、高压类型的软管，额定压力不低于系统额定压力，安全系数为4。软管的接头是用于软管的专用接头，对作动器4和分配器3进行软管更换时，软管内的存油不外泄。根据作动器4的流量确定软管的内径。软管一端与分配器3连接，另一端从反力墙上安装作动器4的预留孔孔径80mm穿过与作动器4连接。硬管与软管的连接法兰要求：210bar的按照SAEJ518C第61款连接，210bar到345bar的按照SAEJ518C第62款；或按照国家的相应标准。 [0042] 控制系统负责对作动器4和分配器3进行控制，包括控制器5、控制软件装在控制电脑内6及相关附件。共4个控制器5，其中2个控制器5每个可控制8个作动器4，另2个控制器5每个可控制16个作动器4。按每3个静态作动器401配1个静态分配器301、每2个动态作动器402配1个动态分配器302考虑对分配器3的控制。控制器5之间可以互联，协调进行控制工作，达到最大可同时控制48个作动器4的能力，4个控制器5也可单独或组合工作，同时进行多个试验。 [0043] 控制系统特点： [0044] 1.控制精度：力值显示分辨率不大于0.1kN，位移分辨率优于5μm。 [0045] 2.控制方式：各通道单独和多通道组合的力、位移闭环控制方式，并具备实时力—位移切换功能以便实现单自由度及多自由度的静力、动力试验。 [0046] 3.操作方式：手动、全自动、半自动三种模式。 [0047] 手动：是指作动器4的所有运动功能，都可以由手工方式操作完成。运动的速度可以设定，运动的范围是作动器4的运动全范围。 [0048] 全自动：对于一种试件，按照某种标准和试验规程，依照软件自身配备的程序，在输入必要的试验参数、将试件安放到正确位置以后，启动系统工作，系统将在没有人工干预的情况下自动完成试验的全过程，包括运动、加载、协同外部设备工作、监控设备运行状况、进行数据采集、数据处理等全部工作内容。 [0049] 半自动：对于一种试件，按照某种标准和试验规程，依照软件自身配备的程序，在输入必要的试验参数、将试件安放到正确位置以后，启动系统工作，系统将在没有人工干预的情况下自动完成试验的运动、加载、监控设备运行状况、进行数据采集、数据处理，但与外部设备的协调、数据采集等工作，是在操作者干预的情况下完成的。所谓人工干预，是指由操作者根据试验情况发出外部设备工作、结束的指令，或者发出数据采集、采集结束的指令。在机器接收到指令后，机器可以继续进行后续试验工作。 [0050] 4.信噪比大于等于90dB。 [0053] 7.报警功能：力、位移超限报警，以及其他非正常报警，严重超限自动安全停机。 [0054] 8.分配器3控制功能：分配器3的通或断，高低压切换，分配器3非正常报警。 [0055] 9.计算机接口：计算机高速数据传输控制接口。 [0056] 10.急停功能：控制系统有两个以上的急停按钮，一个安置在控制器5处，其它为可移动式，两个急停按钮互不影响。 [0057] 控制软件6特点： [0058] 1.具有数据处理能力，可以把检测到的信号根据用户要求自动生成标准表格、标准数据模式文件。 [0059] 2.系统能够在力控制和位移控制之间进行动态的模式转换。 [0060] 3.为了能进行复杂的结构静态试验，系统包含“混合模式”的控制方式，允许操作人员定义不同的轴向加载是力控制还是位移控制。 [0061] 4.控制软件6具有编程能力，可以实现准静态荷载、往复周期荷载、用户自定义时程加载曲线。 [0062] 5.具有高级混合模型试验软件，以便用户能通过试验研究大型单一结构构件，同时通过数值分析模拟整个复杂结构。此软件还具备慢速拟动力及其子结构试验、实时拟动力及其子结构试验、通过局域网或互联网实现多个试验设备联网进行多个子结构联合试验等混合试验的功能。这种先进的测试解决方案将能够全面提升用户进行全尺寸建筑物测试的能力。 [0063] 试验数据采集系统7，包括力传感器、位移传感器和数据采集系统等设备，用于采集试验过程中试件的位移和力等数据。 [0064] 参考图4，反力墙呈L型，短反力墙9高25.5m，其中底部7层层高3米，顶部层高4.5米，长16.7m，为适应不同尺寸结构试验的要求。参考图5，长反力墙8自拐角处起采用阶梯形的高度设计，高度依次为25.5m、21m、15m，长度依次为21.5m、18m、10.5m。参考图6，墙体采用箱形结构，为中空钢筋混凝土结构，前后墙厚均为1.5m，中间为3.5m的通道。反力墙上孔的孔径为80mm，孔间距为500mm，遇内部隔墙处，孔间距为1000mm。较小的孔距能够增加试验布置的便利性，而较大的刚度要求能够保证试验过程中的精确加载。 [0065] 参考图9，在整个试验大厅中，满布反力地板10，面积为3800平方米。反力地板10主要用来固定试件，以防止试件的移动和转动。反力地板10厚度为800mm，地板下每3000mm均设置厚度500mm的加劲墙，以增加反力地板10的承载能力。 [0066] 参考图10和图11，作动器4包括与试件相连的关节铰21，所述关节铰与液压缸17输出端相连并由其驱动，所述液压缸油路上安装有伺服阀18，通过控制油路通断实现液压缸动作，所述液压缸内设置有位移传感器19，液压缸输出端设置有力传感器20，阀块22用于安装油路及伺服阀。力传感器20精度优于0.5％FS，位移传感器19分辨率优于5μm，精度优于0.05％FS。所述作动器4包括静态作动器401和动态作动器402，其中静态加载作动器401为单出杆型作动器，即液压缸只有一个输出端，所述输出端在一侧运动，动态加载作动器402为双出杆对称型作动器，即液压缸具有两个输出端，分别在两侧运动。 [0067] 作动器4配置如下表1所示。 [0068] 表1作动器配置表 [0069] [0070] [0071] 注：额定压力21MPa。 [0072] 本发明的大型动静力试验加载系统，可实现拟静力试验、拟动力试验、有效力试验、实时混合试验、远程协同拟动力试验等抗震试验，最大可完成八层足尺剪力墙拟动力试验。一种实施例中，采用大型动静力试验加载系统进行八层足尺剪力墙拟动力试验的步骤如下： [0073] 1.试验方案设计 [0074] 试验人员依照国家、行业标准规定，进行拟动力、拟静力等试验方案设计，包括试件设计、加载方法设计、测量方案设计、拟动力试验设计、拟静力试验设计及其他试验设计。 [0075] 2.试件建造 [0076] 根据试件23设计，主要是试件23的施工图纸，按照图纸要求现场施工，建造试件23。由于是双向试验，试件23位于长反力墙8和短反力墙9交接处，位置如图1和图2所示。如果是单向试验，试件23可位于长反力墙8其他位置。 [0077] 3.作动器、数据采集设备及其他辅助设备安装 [0079] 4.试验 [0080] 大型动静力试验加载系统加载工作过程为： [0081] 打开装有液压源控制软件电脑，启动液压源控制系统14，控制液压油源1液压泵12启动，产生高压油。 [0082] 启动控制器5，打开控制软件6，控制软件6控制控制器5。这样，通过操纵控制软件6可控制作动器4和分配器3。 [0083] 液压油源1液压泵12输出高压液压油，通过液压管道2，到达分配器3，控制软件6按照实际需要，控制分配器3开关和高低压切换，高压液压油经过分配器3，进入作动器4伺服阀18。 [0084] 试验人员按照试验方案，将各个作动器4加载参数，输入到控制软件6。控制软件6通过控制各个作动器4伺服阀18，控制作动器4按照要求进行加载工作。 [0085] 打开数据采集设备7，整个试验过程，数据采集设备7采集试件23受力、应变、位移等数据，并保存。 [0086] 5.试验数据结果分析 [0087] 试验过程观察试验现象，试验完成后，标注试件23上各级裂缝。试验人员分析数据采集设备7采集的数据，整理试验报告。 [0088] 6.试件拆除 [0089] 试验完成后，将试件23上作动器4、数据采集设备7及其他辅助设备拆下，将试件23拆除，并运出试验区，整个试验完成。 [0090] 本发明的有益效果是：1最大可完成八层足尺剪力墙拟动力试验。2可实现拟静力试验、拟动力试验、有效力试验、实时混合试验、远程协同拟动力试验等抗震试验。34个控制器可互联、协调进行控制工作，达到最大可同时控制48个作动器的能力，4个控制器也可单独或组合工作，同时进行多个试验。 |
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