專利名稱：多功能碼頭結(jié)構(gòu)動力靜力試驗系統(tǒng)及試驗方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種適用于空間結(jié)構(gòu)件的受力變形試驗系統(tǒng)及試驗方法，特別涉及一種碼頭空間結(jié)構(gòu)受力變形試驗系統(tǒng)及試驗方法。
背景技術(shù)：
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，內(nèi)河航運的基礎建設也取得了長足的進步，但由于內(nèi)河碼頭建設面臨復雜的水文和地質(zhì)環(huán)境，在船舶系纜力或撞擊力及各種復雜工況作用下，極易造成大水位差高樁框架碼頭的破壞，因此，在高樁框架碼頭的建設中，對碼頭整體結(jié)構(gòu)的受力分析以及碼頭結(jié)構(gòu)中樁、柱、梁、板、墻、框架、節(jié)點等常用構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能試驗顯得尤為重要，而在現(xiàn)實的技術(shù)中還沒有可以模擬各種復雜工況作用下碼頭整體結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的試驗系統(tǒng)和試驗方法，大型結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)是一種用于測試結(jié)構(gòu)力學性能的大型儀器，它的研制和發(fā)展，對國家現(xiàn)代化建設過程中必須建設的基礎設施的設計檢驗、優(yōu)化、驗證具有重要意義。大規(guī)模的工程設計的風險性和節(jié)約資源減少成本的總體要求對大型工程在設計階段的試驗驗證變得更為重要和必不可少，在設計和使用過程中必須考慮的結(jié)構(gòu)在復雜外界條件下(負荷、振動、高低溫、腐蝕、風化)的變形和斷裂強度等技術(shù)指標以及各種結(jié)構(gòu)整體工作性能、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性性能等問題的研究需要也日益突出?，F(xiàn)代結(jié)構(gòu)試驗由過去的單個構(gòu)件試驗向整體結(jié)構(gòu)試驗和足尺寸試驗轉(zhuǎn)化，為確保安全必須進行接近實際結(jié)構(gòu)或全尺寸試驗，同時，科學技術(shù)的發(fā)展特別是計算機技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和液壓伺服技術(shù)的飛速發(fā)展為結(jié)構(gòu)試驗和監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展提供了堅實的基礎，為各種復雜結(jié)構(gòu)的設計、試驗和監(jiān)測提供了有力的保障，促進了結(jié)構(gòu)設計理論的發(fā)展。因此，世界上各國都在致力于大型結(jié)構(gòu)試驗儀器的開發(fā)研究。因此急需一種碼頭空間結(jié)構(gòu)件受力變形試驗系統(tǒng)及試驗方法。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種碼頭空間結(jié)構(gòu)件受力變形試驗系統(tǒng)及試驗方法。本發(fā)明的目的之一是提出一種多功能碼頭結(jié)構(gòu)動力靜力試驗系統(tǒng)；本發(fā)明的目的之二是提出一種利用多功能碼頭結(jié)構(gòu)動力靜力試驗系統(tǒng)來進行的碼頭結(jié)構(gòu)動力靜力試驗的方法。本發(fā)明的目的之一是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的
本發(fā)明提供的多功能碼頭結(jié)構(gòu)動力靜力試驗系統(tǒng)，包括承載框架、用于模擬高樁碼頭豎向荷載的垂向加載作動器、用于模擬船舶對碼頭的撞擊力和系纜力的水平加載作動器、分別為垂向加載作動器與水平加載作動器提供動力的電液伺服油源、控制器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述承載框架通過反力地基構(gòu)成封閉的試件加載空間，所述水平加載作動器設置于加載框架的水平調(diào)節(jié)梁上并作用于試件，所述垂向加載作動器設置于加載框架的垂向調(diào)節(jié)梁上并作用于試件，所述電液伺服驅(qū)動器分別與垂向加載作動器和水平加載作動器連接并分別為其提供動力，所述控制器分別與垂向加載作動器和水平加載作動器連接用于控制垂向加載作動器和水平加載作動器對試件施加載荷，所述水平加載作動器設置有水平位移傳感器，所述水平位移傳感器設置于水平加載作動器與試件接觸的作用端，所述垂向加載作動器設置有垂向位移傳感器，所述垂向位移傳感器設置于垂向加載作動器與試件接觸的作用端，所述水平加載作動器設有水平負荷傳感器，所述水平負荷傳感器用于檢測水平加載作動器對試件施加的載荷，所述垂向加載作動器設有垂向負荷傳感器，所述垂向負荷傳感器用于檢測垂向加載作動器對試件施加的載荷，所述水平位移傳感器、垂向位移傳感器、水平負荷傳感器、垂向負荷傳感器分別與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。進一步，所述承載框架包括承載橫梁、立柱和斜支撐，所述承載橫梁、立柱和斜支撐通過螺栓以可拆卸的方式連接形成組合式框架結(jié)構(gòu)。進一步，所述水平調(diào)節(jié)梁為設置于加載框架上垂向移動的承載橫梁，所述垂向調(diào)節(jié)梁為設置于加載框架上水平移動的承載橫梁。進一步，所述承載框架還包括雙層試驗力分配梁、試件底座、水平支撐裝置和水平拉桿支撐板，所述雙層試驗力分配梁設置與垂向加載作動器與試件之間，所述試件設置于試件底座上，所述試件底座與試件連接，所述水平支撐裝置設置于承載框架一側(cè)用于加固承載框架，所述水平拉桿支撐板設置于試件底座與承載框架的立柱之間，所述水平拉桿支撐板用于調(diào)節(jié)試件底座的位置。進一步，所述控制器為多通道工控PC控制器，所述控制器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通訊連接，用于實現(xiàn)控制器內(nèi)部信號與外部數(shù)據(jù)信號的同步采集。進一步，所述垂向加載作動器還設置有萬向球頭和法蘭，所述垂向加載作動器通過萬向球頭與前端部分配梁連接，所述垂向加載作動器通過法蘭與水平調(diào)節(jié)梁連接；所述水平加載作動器還設置有前球鉸和后球鉸，所述水平加載作動器通過前球鉸與試樣連接，所述水平加載作動器通過后球鉸與垂向調(diào)節(jié)梁連接。進一步，所述水平加載作動器采用電液伺服擬動力作動器，用于最高響應頻率高于20Hz的擬動力加載試驗。本發(fā)明的目的之二是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的
本發(fā)明提供的根據(jù)多功能碼頭結(jié)構(gòu)動力靜力試驗系統(tǒng)來進行的碼頭結(jié)構(gòu)動力試驗方法，包括以下步驟
Si:根據(jù)試驗要求制作試件并預埋測試元件；
52:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)設置初始化；
53:放置待測試件；
S4:按規(guī)范分級驅(qū)動垂向加載作動器作用于待測試件垂向載荷，獲取垂向承載力信號及位移、變形信號；
55:按規(guī)范分級驅(qū)動水平加載作動器作用于待測試件水平載荷，獲取水平承載力信號及位移、變形信號；
56:處理獲取垂向承載力信號、水平承載力信號及位移、變形信號；
57:分析待測試件并輸出處理結(jié)果。進一步，所述步驟S7中處理結(jié)果包括應力和應變值；所述應力和應變值通過圖或
5表的形式列出。本發(fā)明的優(yōu)點在于框架組裝簡單，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有很強的通用性。既能完成高樁碼頭的加載實驗又能根據(jù)添加的輔具完成梁、板、柱、墻、框架、節(jié)點等典型結(jié)構(gòu)的力學性能試驗，垂向承載梁能和滑動導軌能夠在不移動高樁碼頭的情況下直接調(diào)整高樁碼頭的受力點。在控制方面，采用POP-M多通道電液伺服計算機控制，該控制系統(tǒng)操作方便，控制精度高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)采集的精度高，并且該控制系統(tǒng)有著很強的數(shù)據(jù)分析能力。本發(fā)明采用組合式加載框架，整個框架由螺栓連接而成，可以進行拆卸后再組裝，滿足高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)試驗的要求，還可以非常方便地通過調(diào)整框架的組合方式和試驗空間，變更框架用途，達到一次投資，長期使用的目的。本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其它優(yōu)點可以通過下面的說明書，權(quán)利要求書，以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中
圖I為本發(fā)明實施例提供的高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)試驗加載主視圖2為本發(fā)明實施例提供的高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)試驗加載側(cè)視圖3為本發(fā)明實施例提供的高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)試驗加載俯視圖4為本發(fā)明實施例提供的碼頭結(jié)構(gòu)動力試驗方法流程圖5為本發(fā)明實施例提供的碼頭結(jié)構(gòu)動力試驗裝置原理框圖。圖中，承載框架-I、垂向加載作動器-2、水平加載作動器-3、電液伺服油源-4、試件加載空間-5、承載橫梁-6、立柱-7、斜支撐-8、水平拉桿支撐板-9、導軌-10、分配梁-11、水平承載梁-12、控制器-13。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述；應當理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。圖I為本發(fā)明實施例提供的高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)試驗加載主視圖，圖2為本發(fā)明實施例提供的高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)試驗加載側(cè)視圖，圖3為本發(fā)明實施例提供的高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)試驗加載俯視圖，圖4為本發(fā)明實施例提供的碼頭結(jié)構(gòu)動力試驗方法流程圖，圖5為本發(fā)明實施例提供的碼頭結(jié)構(gòu)動力試驗裝置原理框圖，如圖所示，本發(fā)明提供的多功能碼頭結(jié)構(gòu)動力試驗系統(tǒng)，包括承載框架I、用于模擬高樁碼頭豎向荷載如門機輪壓力、堆貨荷載的垂向加載作動器2、用于模擬船舶對碼頭的撞擊力和系纜力的水平加載作動器3、分別為垂向加載作動器與水平加載作動器提供動力的電液伺服驅(qū)動器(包括電液伺服油源4)、控制器13、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。所述垂向加載作動器設置于分配梁11的導軌10上，所述承載框架與反力地基一起，構(gòu)成了封閉的試件加載空間5，為電液伺服作動器加載系統(tǒng)提供反力架。所述水平加載作動器設置于加載框架的水平調(diào)節(jié)梁(即承載橫梁6)上并作用于試件，所述水平加載作動器采用最大推力2X250 (30)千牛，最大拉力為2X200 (20)千牛，最大行程為250毫米，最高工作頻率為20赫茲，所述垂向加載作動器設置于加載框架的垂向調(diào)節(jié)梁上并作用于試件，所述垂向加載作動器采用最大推力為2X1000 (100)千牛，最大拉力為2X500 (50)千牛，最大行程為300毫米；所述電液伺服驅(qū)動器分別與垂向加載作動器和水平加載作動器連接并分別為其提供動力，所述控制器分別與垂向加載作動器和水平加載作動器連接用于控制垂向加載作動器和水平加載作動器對試件施加載荷，所述水平加載作動器設置有水平位移傳感器，所述水平位移傳感器設置于水平加載作動器與試件接觸的作用端，所述垂向加載作動器通過導軌10來調(diào)節(jié)垂向加載作動器的位置，所述垂向加載作動器設置有垂向位移傳感器，所述垂向位移傳感器設置于垂向加載作動器與試件接觸的作用端，所述水平加載作動器設有水平負荷傳感器，所述水平負荷傳感器用于檢測水平加載作動器對試件施加的載荷，所述垂向加載作動器設有垂向負荷傳感器，所述垂向負荷傳感器用于檢測垂向加載作動器對試件施加的載荷，所述水平位移傳感器、垂向位移傳感器、水平負荷傳感器、垂向負荷傳感器分別與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。所述承載框架包括承載橫梁6、立柱7、斜支撐8，所述承載橫梁、立柱、斜支撐通過螺栓以可拆卸的方式連接形成組合式框架結(jié)構(gòu)。所述水平調(diào)節(jié)梁為設置于加載框架上垂向移動的承載橫梁，所述垂向調(diào)節(jié)梁為設置于加載框架上水平移動的承載橫梁(即水平承載梁12)。所述承載框架還包括雙層試驗力分配梁11、試件底座、水平支撐裝置9、水平拉桿支撐板，所述雙層試驗力分配梁設置與垂向加載作動器與試件之間，所述試件設置于試件底座上，所述試件底座與試件連接，所述水平支撐裝置設置于承載框架一側(cè)用于加固承載框架，所述水平拉桿支撐板設置于試件底座與承載框架的立柱之間，所述水平拉桿支撐板用于調(diào)節(jié)試件底座的位置。所述承載框架的長、寬、高分別為6米、6米、6米，本發(fā)明提供的實施例采用的組合式加載框架，整個框架由鋼結(jié)構(gòu)梁、柱、斜支撐等部件由8. 8級以上的高強度螺栓連接而成，所有的部件均為鋼板焊接而成，退火處理后經(jīng)過機械加工達到設計尺寸，組裝后形成整體框架，加載框架豎向滿足動態(tài)加載1000千牛的要求，保證長時間使用不變形，隨時可以進行拆卸后再組裝為其他用途的加載框架。不僅可以滿足高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)試驗的要求，還可以非常方便地通過調(diào)整框架的組合方式和試驗空間，變更框架用途，以滿足其他結(jié)構(gòu)如墻、柱、板、梁及節(jié)點等典型建筑結(jié)構(gòu)試驗的要求，全方位地發(fā)揮加載框架的作用，達到一次投資，長期使用的目的。所述承載框架還設置有用于移動試件的門式起重機，所述門式起重機設置于承載框架頂部的承載橫梁。所述控制器為多通道工控PC控制器，所述控制器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通訊連接，用于實現(xiàn)控制器內(nèi)部信號與外部數(shù)據(jù)信號的同步采集。所述垂向加載作動器還設置有萬向球頭和法蘭，所述垂向加載作動器通過萬向球頭與前端部分配梁連接，所述垂向加載作動器通過法蘭與水平調(diào)節(jié)梁連接；所述水平加載作動器還設置有前球鉸和后球鉸，所述水平加載作動器通過前球鉸與試樣連接，所述水平加載作動器通過后球鉸與垂向調(diào)節(jié)梁連接。所述水平加載作動器采用電液伺服擬動力作動器，用于最高響應頻率高于20Hz
7的擬動力加載試驗。本發(fā)明提供的實施例采用兩個100噸擬靜力電液伺服作動器作為垂向加載作動器，配有內(nèi)置式磁致伸縮位移傳感器和高精度負荷傳感器。根據(jù)多功能碼頭結(jié)構(gòu)動力試驗系統(tǒng)來進行的碼頭結(jié)構(gòu)動力試驗方法，包括以下步驟
Si:根據(jù)試驗要求制作試件并預埋測試元件；
52:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)設置初始化；
53:放置待測試件；
S4:按規(guī)范分級驅(qū)動垂向加載作動器作用于待測試件垂向載荷，獲取垂向承載力信號及位移、變形信號；
55:按規(guī)范分級驅(qū)動水平加載作動器作用于待測試件水平載荷，獲取水平承載力信號及位移、變形信號；
56:處理獲取垂向承載力信號、水平承載力信號及位移、變形信號；
57:分析待測試件并輸出處理結(jié)果。處理結(jié)果包括輸出應力和應變值；
在所述步驟S7中首先找出各項觀測項目的有代表性的數(shù)值，如在設計荷載作用下的碼頭結(jié)構(gòu)的水平和豎直的最大應力、應變和最大裂縫等值。將上述應力應變值用圖或表的形式列出，與理論計算出或者通過軟件模擬計算出的結(jié)果進行比較，并計算出結(jié)構(gòu)內(nèi)力。根據(jù)這些實驗結(jié)果及分析結(jié)論，得到碼頭動力結(jié)構(gòu)的試驗結(jié)論。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.多功能碼頭結(jié)構(gòu)動力靜力試驗系統(tǒng)，其特征在于包括承載框架、用于模擬高樁碼頭豎向荷載的垂向加載作動器、用于模擬船舶對碼頭的撞擊力和系纜力的水平加載作動器、分別為垂向加載作動器與水平加載作動器提供動力的電液伺服油源、控制器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述承載框架通過反力地基構(gòu)成封閉的試件加載空間，所述水平加載作動器設置于加載框架的水平調(diào)節(jié)梁上并作用于試件，所述垂向加載作動器設置于加載框架的垂向調(diào)節(jié)梁上并作用于試件，所述電液伺服驅(qū)動器分別與垂向加載作動器和水平加載作動器連接并分別為其提供動力，所述控制器分別與垂向加載作動器和水平加載作動器連接用于控制垂向加載作動器和水平加載作動器對試件施加載荷，所述水平加載作動器設置有水平位移傳感器，所述水平位移傳感器設置于水平加載作動器與試件接觸的作用端，所述垂向加載作動器設置有垂向位移傳感器，所述垂向位移傳感器設置于垂向加載作動器與試件接觸的作用端，所述水平加載作動器設有水平負荷傳感器，所述水平負荷傳感器用于檢測水平加載作動器對試件施加的載荷，所述垂向加載作動器設有垂向負荷傳感器，所述垂向負荷傳感器用于檢測垂向加載作動器對試件施加的載荷，所述水平位移傳感器、垂向位移傳感器、水平負荷傳感器、垂向負荷傳感器分別與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多功能碼頭結(jié)構(gòu)動力靜力試驗系統(tǒng)，其特征在于所述承載框架包括承載橫梁、立柱和斜支撐，所述承載橫梁、立柱和斜支撐通過螺栓以可拆卸的方式連接形成組合式框架結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多功能碼頭結(jié)構(gòu)動力靜力試驗系統(tǒng)，其特征在于所述水平調(diào)節(jié)梁為設置于加載框架上垂向移動的承載橫梁，所述垂向調(diào)節(jié)梁為設置于加載框架上水平移動的承載橫梁。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多功能碼頭結(jié)構(gòu)動力靜力試驗系統(tǒng)，其特征在于所述承載框架還包括雙層試驗力分配梁、試件底座、水平支撐裝置和水平拉桿支撐板，所述雙層試驗力分配梁設置與垂向加載作動器與試件之間，所述試件設置于試件底座上，所述試件底座與試件連接，所述水平支撐裝置設置于承載框架一側(cè)用于加固承載框架，所述水平拉桿支撐板設置于試件底座與承載框架的立柱之間，所述水平拉桿支撐板用于調(diào)節(jié)試件底座的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多功能碼頭結(jié)構(gòu)動力靜力試驗系統(tǒng)，其特征在于所述控制器為多通道工控PC控制器，所述控制器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通訊連接，用于實現(xiàn)控制器內(nèi)部信號與外部數(shù)據(jù)信號的同步采集。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多功能碼頭結(jié)構(gòu)動力靜力試驗系統(tǒng)，其特征在于所述垂向加載作動器還設置有萬向球頭和法蘭，所述垂向加載作動器通過萬向球頭與前端部分配梁連接，所述垂向加載作動器通過法蘭與水平調(diào)節(jié)梁連接；所述水平加載作動器還設置有前球鉸和后球鉸，所述水平加載作動器通過前球鉸與試樣連接，所述水平加載作動器通過后球鉸與垂向調(diào)節(jié)梁連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多功能碼頭結(jié)構(gòu)動力靜力試驗系統(tǒng)，其特征在于所述水平加載作動器采用電液伺服擬動力作動器，用于最高響應頻率高于20Hz的擬動力加載試驗。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7任一項所述的多功能碼頭結(jié)構(gòu)動力靜力試驗系統(tǒng)來進行的碼頭結(jié)構(gòu)動力試驗方法，其特征在于包括以下步驟Si:根據(jù)試驗要求制作試件并預埋測試元件； 52:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)設置初始化； 53:放置待測試件； S4:按規(guī)范分級驅(qū)動垂向加載作動器作用于待測試件垂向載荷，獲取垂向承載力信號及位移、變形信號； 55:按規(guī)范分級驅(qū)動水平加載作動器作用于待測試件水平載荷，獲取水平承載力信號及位移、變形信號； 56:處理獲取垂向承載力信號、水平承載力信號及位移、變形信號； 57:分析待測試件并輸出處理結(jié)果。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多功能碼頭結(jié)構(gòu)動力靜力試驗方法，其特征在于所述步驟S7中處理結(jié)果包括應力和應變值；所述應力和應變值通過圖或表的形式列出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多功能碼頭結(jié)構(gòu)動力靜力試驗系統(tǒng)，包括可拆卸大剛度承載框架、垂向加載作動器、水平加載作動器、多通道控制器、電液伺服油源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、位移和力傳感器。加載框架凈空尺寸最大4.5m×4.5m×4.5m(長×寬×高)，試驗空間可根據(jù)試樣要求任意調(diào)節(jié)，加荷方式可以通過兩個10t~100t靜態(tài)垂向作動器、3t~20t動態(tài)水平作動器完成豎向和水平組合加載，模擬大水位差高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)在門機荷載、堆貨荷載、船舶荷載等各種復雜工況組合作用下整體或構(gòu)件受力性能試驗。并提供了碼頭結(jié)構(gòu)動力靜力試驗方法，能真實的模擬碼頭結(jié)構(gòu)在各種復雜受力工況下的受力變形性能，也可用于類似結(jié)構(gòu)的受力試驗。
文檔編號G01M13/00GK102928293SQ20121041618
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者劉明維, 王多銀, 王俊杰, 周世良, 張小龍, 梁好 申請人:重慶交通大學