一种空间结构整体模型试验索力自平衡加载控制方法.pdf

本发明涉及一种空间结构整体模型试验索力自平衡加载控制方法，属于结构工程技术领域。所述方法是基于一个由试验模型、拉索、底盘梁、拉索位移加载装置与应变片测力板组成的一体化自平衡加载体系，是在一个由数据输入模块、加载模拟分析模块、位移加载控制模块、内力微调控制模块组成的加载控制系统中按照特定的步骤实现的。该方法适应性强，操作简单，适用于大型模型试验加载，且通过“位移加载—内力微调”的双重控制技术能够精确的实现预定的分级加载目标。

1、  一种空间结构整体模型试验索力自平衡加载控制方法，其特征在于，所述方法基于一个由试验模型、拉索与底盘梁组成的一体化自平衡加载体系，是在一个由数据输入模块、加载模拟分析模块、位移加载控制模块、内力微调控制模块组成的加载控制系统中，按照下述步骤实现的：
步骤(1)：组建一体化自平衡加载体系，包括试验模型、拉索、底盘梁、拉索位移加载装置以及应变片测力板；底盘梁与试验模型的底部连接，形成一个整体；拉索两端分别连接试验模型与底盘梁；
步骤(2)：在计算机中设置四个模块：数据输入模块、加载模拟分析模块、位移加载控制模块、内力微调控制模块；其中加载模拟分析模块包含一个有限元分析软件包；
步骤(3)：数据输入模块接收用户输入的分级加载方案数据，包括：
1)试验模型参数；
2)荷载分级的总级数：m；
3)拉索总数：n；
4)进行第K级加载时第i根拉索处需要施加的目标荷载，即目标索力：F_K，i⁰；其中，K＝1，2，...，m，i＝1，2，...，n；
5)索力控制误差：e；
步骤(4)：进行第1级加载，按下述步骤进行：
步骤(4.1)：数据输入模块将第1级加载方案传送给加载模拟分析模块，包括：试验模型参数，第1级加载时各拉索所需要施加的目标荷载F_1，i⁰，索力控制误差e；数据输入模块将第1级加载方案传递给加载模拟分析模块；
步骤(4.2)：进行加载模拟分析，按下述步骤进行：
步骤(4.2.1)：加载模拟分析模块接收数据输入模块传递的第1级加载方案，包括：试验模型参数，第1级加载时各拉索所需要施加的目标荷载F_K，i⁰，索力控制误差e；
步骤(4.2.2)：加载模拟分析模块调用有限元分析软件包进行有限元分析；首先加载模拟分析模块将第1级加载方案传递给有限元分析软件包，包括：试验模型参数，第1级加载时各拉索所需要施加的目标荷载F_1，i⁰；
步骤(4.2.3)：有限元分析软件包根据试验模型参数，建立起包含试验结构模型、拉索、底盘梁组件在内的一体化有限元模型；
步骤(4.2.4)：有限元分析软件包将一体化有限元模型中的拉索单元去除，使拉索单元不参与计算，在拉索与结构模型、拉索与底盘梁连接处直接施加第1级目标荷载F_1，i⁰；有限元分析软件包通过求解，得到第1级目标索力作用下对应的拉索两端缩短量Δ_1，i⁰，并将其传送回加载模拟分析模块；
步骤(4.2.5)：加载模拟分析模块接收有限元分析软件包传递的数据：Δ_1，i⁰；加载模拟分析模块按下式计算出为了达到第1级目标索力各拉索所需要的总缩短量D_K，i，其中E_iA_i代表第i根拉索的截面抗拉刚度，L_i代表第i根拉索的长度，第1级加载时，K＝1：
D_K，i＝F_K，i⁰L_i/(E_iA_i)+Δ_K，i⁰
步骤(4.2.6)：加载模拟分析模块按照下式计算为了达到第1级目标索力各拉索所需要增加的缩短量ΔD_K，i，其中，第1级加载时，K＝1，D_K-1，i＝0：
ΔD_K，i＝D_K，i-D_K-1，i
步骤(4.2.7)：有限元分析软件包将一体化有限元模型中的拉索单元恢复，使拉索单元参与计算；有限元分析软件包首先使各拉索单元均达到第1级目标内力水平，在此基础上对第a根拉索施加单位长度的张拉误差；有限元分析软件包通过计算，得到第b根索的分级目标索力所受影响量为k_ba；按照矩阵的形式排列k_ba，形成误差影响矩阵K_e＝[k_ba]；有限元分析软件包将误差影响矩阵K_e传送回加载模拟分析模块；
步骤(4.2.8)：加载模拟分析模块将部分数据传输给位移加载控制模块，包括：各拉索所需要增加的缩短量ΔD_K，i；
步骤(4.2.9)：加载模拟分析模块将部分数据传输给内力微调控制模块，包括：第1级加载的目标索力F_1，i⁰，索力控制误差e，误差影响矩阵K_e；
步骤(4.3)：进行位移加载，按下述步骤进行：
步骤(4.3.1)：位移加载控制模块接收加载模拟分析模块传递的数据，包括：各拉索所需要增加的缩短量ΔD_1，i；
步骤(4.3.2)：位移加载控制模块控制拉索位移加载装置，将各拉索两端点间的长度缩短ΔD_1，i；
步骤(4.4)：进行内力微调，按下述步骤进行：
步骤(4.4.1)：内力微调控制模块接收加载模拟分析模块传递的数据，包括：第1级加载的目标索力F_1，i⁰、索力控制误差e与误差影响矩阵K_e；接收应变片测力板传递的各根索的实际索力F_1，i¹；内力微调控制模块通过下式计算，得到目标索力与实际索力的误差ΔF_1，i¹：
ΔF_1，i¹＝F_1，i⁰-F_1，i¹；
步骤(4.4.2)：内力微调控制模块进行如下判断：如果|ΔF_1，i¹/F_1，i⁰|≤e对每一个i均满足，第1级加载完成，进入步骤(5)；否则，按下式计算出为修正第1级目标索力误差，各拉索长度所需要的变化量Δd_e，i¹：
[K_e]{Δd_e，i¹}＝{ΔF_1，i¹}
步骤(4.4.3)：内力微调控制模块控制拉索位移加载装置进行第一次内力微调，拉索位移加载装置按照Δd_e，i¹对各拉索两端点间的长度进行调整；
步骤(4.4.4)：完成步骤(4.4.3)后，内力微调控制模块接收应变片测力板传递的各根索的实际索力F_1，i²；内力微调控制模块通过计算得到目标索力与实际索力的误差：ΔF_1，i²＝F_1，i⁰-F_1，i²；之后重复步骤(4.4.2)～(4.4.4)，直至第p次微调内力后，|ΔF_1，i^p+1/F_1，i⁰|≤e对每一个i均满足，进入步骤(5)；
步骤(5)：重复步骤(4)，进行第2级加载，之后多次重复，直至完成第m级加载。

一种空间结构整体模型试验索力自平衡加载控制方法
技术领域
本发明涉及一种空间结构整体模型试验索力自平衡加载控制方法，属于结构工程技术领域。
技术背景
近年来，新型空间结构的工程建设项目在我国发展很快，但是其设计理论的研究工作严重滞后，给其推广与应用带来了一定的障碍。为此，结构设计师往往要求进行结构的整体模型试验，通过试验研究其失稳与破坏机理、寻找薄弱部位、考察其刚度变化以及其极限承载力，可检验结构设计的合理性，并为结构设计提供依据，为研究新的结构形式与发展新的结构理论提供基础。
人们在确定整体结构试验模型的比例时，为减小尺寸效应的影响，会尽可能选择大比例试验模型。在通常的结构试验中，一般可以采用“千斤顶+分配梁”的加载方法，对于体型不大的结构模型这种加载方法很有效。但是对于大型模型的破坏性试验，这种加载方法在实施过程中遇到困难。首先，大型模型试验的加载反力通常较大，为保证加载设备的反力有可靠的传递与依托，试验要求有巨大的反力架；其次，大型模型试验的加载点通常较多，所以需要有大量加载设备，如油压机、油泵及千斤顶；另外，大型模型本身体积较大，试验时需要占用较大的试验场地，一般试验室环境难以满足这些要求，即使有条件进行加载，对这些因素的综合考虑也往往使得试验成本大幅提高。
本发明提出一种空间结构整体模型试验索力自平衡加载控制方法，适合于室内与野外试验的加载，可以克服在实验室或者野外进行大型模型试验时需要加载设备数量多、另需建造反力架、加载设备安装困难以及成本高昂的缺点。该方法基于一个“底盘梁-拉索-模型”一体化自平衡加载体系，在一个计算机控制系统中，在预先输入的分级加载方案的基础上，通过控制拉索的缩短位移实现施加预定索力的目的。每一级加载均采用“位移加载-内力微调”的双重控制技术，可实现对拉索缩短位移的控制与调整，使得索力能够精确达到预定值，从而实现目标分级加载荷载。这种方法的优点在于，一是所需要的加载设备简单、适用性强，特别适用于野外大型模型试验；二是可操作性强，可通过建立的“位移加载-内力微调”的计算机控制模块，通过计算机控制技术便捷地实现分级加载荷载与对应拉索位移的控制与调整。
发明内容
本发明提出的一种空间结构整体模型试验索力自平衡加载控制方法，通过建立“底盘梁-拉索-模型”一体化自平衡加载体系，解决了大跨度结构整体模型加载困难的问题；通过计算机控制技术对拉索实行“位移加载-内力微调”的双重控制，能够精确方便地对试验模型实现预定的分级加载目标。
一种空间结构整体模型试验索力自平衡加载控制方法，其特征在于，所述方法基于一个由试验模型、拉索、底盘梁、拉索位移加载装置与应变片测力板组成的一体化自平衡加载体系，是在一个由数据输入模块、加载模拟分析模块、位移加载控制模块、内力微调控制模块组成的加载控制系统中，按照下述步骤实现的(其中，拉索位移加载装置采用市售电动葫芦)：
步骤(1)：组建一体化自平衡加载体系，包括试验模型、拉索、底盘梁、拉索位移加载装置以及应变片测力板；底盘梁与试验模型的底部连接，形成一个整体；拉索两端分别连接试验模型与底盘梁；
步骤(2)：在计算机中设置四个模块：数据输入模块、加载模拟分析模块、位移加载控制模块、内力微调控制模块；其中加载模拟分析模块包含一个有限元分析软件包；
步骤(3)：数据输入模块接收用户输入的分级加载方案数据，包括：
1)试验模型参数；
2)荷载分级的总级数：m；
3)拉索总数：n；
4)进行第K级加载时第i根拉索处需要施加的目标荷载，即目标索力：F_K，i⁰；其中，K＝1，2，...，m，i＝1，2，...，n；
5)索力控制误差：e；
步骤(4)：进行第1级加载，按下述步骤进行：
步骤(4.1)：数据输入模块将第1级加载方案传送给加载模拟分析模块，包括：试验模型参数，第1级加载时各拉索所需要施加的目标荷载F_1，i⁰，索力控制误差e；数据输入模块将第1级加载方案传递给加载模拟分析模块；
步骤(4.2)：进行加载模拟分析，按下述步骤进行：
步骤(4.2.1)：加载模拟分析模块接收数据输入模块传递的第1级加载方案，包括：试验模型参数，第1级加载时各拉索所需要施加的目标荷载F_K，i⁰，索力控制误差e；
步骤(4.2.2)：加载模拟分析模块调用有限元分析软件包进行有限元分析；首先加载模拟分析模块将第1级加载方案传递给有限元分析软件包，包括：试验模型参数，第1级加载时各拉索所需要施加的目标荷载F_1，i⁰；
步骤(4.2.3)：有限元分析软件包根据试验模型参数，建立起包含试验结构模型、拉索、底盘梁组件在内的一体化有限元模型；
步骤(4.2.4)：有限元分析软件包将一体化有限元模型中的拉索单元去除，使拉索单元不参与计算，在拉索与结构模型、拉索与底盘梁连接处直接施加第1级目标荷载F_1，i⁰；有限元分析软件包通过求解，得到第1级目标索力作用下对应的拉索两端缩短量Δ_1，i⁰，并将其传送回加载模拟分析模块；
步骤(4.2.5)：加载模拟分析模块接收有限元分析软件包传递的数据：Δ_1，i⁰；加载模拟分析模块按下式计算出为了达到第1级目标索力各拉索所需要的总缩短量D_K，i，其中E_iA_i代表第i根拉索的截面抗拉刚度，L_i代表第i根拉索的长度，第1级加载时，K＝1：
D_K，i＝F_K，i⁰L_i/(E_iA_i)+Δ_K，i⁰
步骤(4.2.6)：加载模拟分析模块按照下式计算为了达到第1级目标索力各拉索所需要增加的缩短量ΔD_K，i，其中，第1级加载时，K＝1，D_K-1，i＝0：
ΔD_K，i＝D_K，i-D_K-1，i
步骤(4.2.7)：有限元分析软件包将一体化有限元模型中的拉索单元恢复，使拉索单元参与计算；有限元分析软件包首先使各拉索单元均达到第1级目标内力水平，在此基础上对第a根拉索施加单位长度的张拉误差；有限元分析软件包通过计算，得到第b根索的分级目标索力所受影响量为k_ba；按照矩阵的形式排列k_ba，形成误差影响矩阵K_e＝[k_ba]；有限元分析软件包将误差影响矩阵K_e传送回加载模拟分析模块；
步骤(4.2.8)：加载模拟分析模块将部分数据传输给位移加载控制模块，包括：各拉索所需要增加的缩短量ΔD_K，i；
步骤(4.2.9)：加载模拟分析模块将部分数据传输给内力微调控制模块，包括：第1级加载的目标索力F_1，i⁰，索力控制误差e，误差影响矩阵K_e；
步骤(4.3)：进行位移加载，按下述步骤进行：
步骤(4.3.1)：位移加载控制模块接收加载模拟分析模块传递的数据，包括：各拉索所需要增加的缩短量ΔD_1，i；
步骤(4.3.2)：位移加载控制模块控制拉索位移加载装置，将各拉索两端点间的长度缩短ΔD_1，i；
步骤(4.4)：进行内力微调，按下述步骤进行：
步骤(4.4.1)：内力微调控制模块接收加载模拟分析模块传递的数据，包括：第1级加载的目标索力F_1，i⁰、索力控制误差e与误差影响矩阵K_e；接收应变片测力板传递的各根索的实际索力F_1，i¹；内力微调控制模块通过下式计算，得到目标索力与实际索力的误差ΔF_1，i¹：
ΔF_1，i¹＝F_1，i⁰-F_1，i¹；
步骤(4.4.2)：内力微调控制模块进行如下判断：如果|ΔF_1，i¹/F_1，i⁰|≤e对每一个i均满足，第1级加载完成，进入步骤(5)；否则，按下式计算出为修正第1级目标索力误差，各拉索长度所需要的变化量Δd_e，i¹：
[K_e]{Δd_e，i¹}＝{ΔF_1，i¹}
步骤(4.4.3)：内力微调控制模块控制拉索位移加载装置进行第一次内力微调，拉索位移加载装置按照Δd_e，i¹对各拉索两端点间的长度进行调整；
步骤(4.4.4)：完成步骤(4.4.3)后，内力微调控制模块接收应变片测力板传递的各根索的实际索力F_1，i²；内力微调控制模块通过计算得到目标索力与实际索力的误差：ΔF_1，i²＝F_1，i⁰-F_1，i²；之后重复步骤(4.4.2)～(4.4.4)，直至第p次微调内力后，|ΔF_1，i^p+1/F_1，i⁰|≤e对每一个i均满足，进入步骤(5)；
步骤(5)：重复步骤(4)，进行第2级加载，之后多次重复，直至完成第m级加载。
本发明提出的空间结构整体模型试验索力自平衡加载控制方法适应性强，操作简单，适用于大型模型试验加载，且通过“位移加载-内力微调”的双重控制技术能够精确的实现预定的分级加载目标。
附图说明
图1为试验模型与加载装置示意图；1-试验模型；2-拉索；3-底盘梁；4-应变片测力板；5-拉索位移加载装置；6-数据线；
图2为各模块关系图；
图3为各模块工作流程详图；
具体实施方式
一种空间结构整体模型试验索力自平衡加载控制方法，基于一个由底盘梁、拉索与试验模型组成的一体化自平衡加载体系，是在一个由数据输入模块、加载模拟分析模块、位移加载控制模块、内力微调控制模块组成的加载控制系统中，按照特定步骤实现。其中，拉索位移加载装置采用市售电动葫芦。
下面结合附图1～3具体说明这种空间结构整体模型试验索力自平衡加载控制方法。
如图1所示，一体化自平衡加载体系由试验模型1、拉索2与底盘梁3与组成，并包含能够控制拉索缩短量的拉索位移加载装置4、能够测量拉索2内力的应变片测力板5。底盘梁3与试验模型1的底部连接，形成一个整体；拉索2两端分别连接底盘梁3与试验模型1，通过分级缩短拉索2两端点间的长度，对试验模型1施加分级荷载，从而达到分级加载的目的。
如图2所示，计算机加载控制系统由四个模块构成，包括：数据输入模块、加载模拟分析模块、位移加载控制模块、内力微调控制模块。其中，数据输入模块接收用户输入的分级加载方案，并将数据传输给加载模拟分析模块；加载模拟分析模块，接收数据输入模块传递的分级加载方案，调用有限元分析软件包建立包含试验结构模型、拉索、底盘梁组件在内的一体化有限元模型，模拟分级分组加载过程，从而获得达到分级目标索力各拉索所需要的缩短量，并得到位移加载误差对索力的影响矩阵，并将数据传输给位移加载控制模块与内力微调控制模块；位移加载控制模块，接收加载模拟分析模块传递的各拉索两端点间的长度缩短量，控制拉索位移控制装置按照目标缩短量对各拉索进行缩短；内力微调控制模块，接收加载模拟分析模块传递的各拉索的分级目标内力，接收测力板传递的各拉索的实际内力，通过对比得到拉索内力误差；若误差超过容许度，计算出为修正该误差各拉索两端点间长度所需要的调整量，进而控制拉索位移加载装置对各拉索的长度进行微调。
下面结合附图3具体说明所述空间结构整体模型试验索力自平衡加载控制方法的工作流程。
步骤(1)：组建一体化自平衡加载体系，包括试验模型、拉索、底盘梁、拉索位移加载装置以及应变片测力板。底盘梁与试验模型的底部连接，形成一个整体；拉索两端分别连接试验模型与底盘梁；
步骤(2)：在计算机中设置四个模块：数据输入模块、加载模拟分析模块、位移加载控制模块、内力微调控制模块；其中加载模拟分析模块包含一个有限元分析软件包；
步骤(3)：数据输入模块接收用户输入的分级加载方案数据，包括：
1)试验模型参数；
2)荷载分级的总级数：m；
3)拉索总数：n；
4)进行第K级加载时第i根拉索处需要施加的目标荷载，即目标索力：F_K，i⁰；其中，K＝1，2，...，m，i＝1，2，...，n；
5)索力控制误差：e；
步骤(4)：进行第1级加载，按下述步骤进行：
步骤(4.1)：数据输入模块将第1级加载方案传送给加载模拟分析模块，包括：试验模型参数，第1级加载时各拉索所需要施加的目标荷载F_1，i⁰，索力控制误差e；数据输入模块将第1级加载方案传递给加载模拟分析模块；
步骤(4.2)：进行加载模拟分析，按下述步骤进行：
步骤(4.2.1)：加载模拟分析模块接收数据输入模块传递的第1级加载方案，包括：试验模型参数，第1级加载时各拉索所需要施加的目标荷载F_K，i⁰，索力控制误差e；
步骤(4.2.2)：加载模拟分析模块调用有限元分析软件包进行有限元分析；首先加载模拟分析模块将第1级加载方案传递给有限元分析软件包，包括：试验模型参数，第1级加载时各拉索所需要施加的目标荷载F_1，i⁰；
步骤(4.2.3)：有限元分析软件包根据试验模型参数，建立起包含试验结构模型、拉索、底盘梁组件在内的一体化有限元模型；
步骤(4.2.4)：有限元分析软件包将一体化有限元模型中的拉索单元去除，使拉索单元不参与计算，在拉索与结构模型、拉索与底盘梁连接处直接施加第1级目标荷载F_1，i⁰；有限元分析软件包通过求解，得到第1级目标索力作用下对应的拉索两端缩短量Δ_1，i⁰，并将其传送回加载模拟分析模块；
步骤(4.2.5)：加载模拟分析模块接收有限元分析软件包传递的数据：Δ_1，i⁰；加载模拟分析模块按下式计算出为了达到第1级目标索力各拉索所需要的总缩短量D_K，i，其中E_iA_i代表第i根拉索的截面抗拉刚度，L_i代表第i根拉索的长度，第1级加载时，K＝1：
D_K，i＝F_K，i⁰L_i/(E_i/A_i)+Δ_K，i⁰
步骤(4.2.6)：加载模拟分析模块按照下式计算为了达到第1级目标索力各拉索所需要增加的缩短量ΔD_K，i，其中，第1级加载时，K＝1，D_K-1，i＝0：
ΔD_K，i＝D_K，i-D_K-1，i
步骤(4.2.7)：有限元分析软件包将一体化有限元模型中的拉索单元恢复，使拉索单元参与计算；有限元分析软件包首先使各拉索单元均达到第1级目标内力水平，在此基础上对第a根拉索施加单位长度的张拉误差；有限元分析软件包通过计算，得到第b根索的分级目标索力所受影响量为k_ba，并将其传送回加载模拟分析模块；加载模拟分析模块按照矩阵的形式排列k_ba，形成误差影响矩阵K_e＝[k_ba]；
步骤(4.2.8)：加载模拟分析模块将部分数据传输给位移加载控制模块，包括：各拉索所需要增加的缩短量ΔD_K，i；
步骤(4.2.9)：加载模拟分析模块将部分数据传输给内力微调控制模块，包括：第1级加载的目标索力F_1，i⁰，索力控制误差e，误差影响矩阵K_e；
步骤(4.3)：进行位移加载，按下述步骤进行：
步骤(4.3.1)：位移加载控制模块接收加载模拟分析模块传递的数据，包括：各拉索所需要增加的缩短量ΔD_1，i；
步骤(4.3.2)：位移加载控制模块控制拉索位移加载装置，将各拉索两端点间的长度缩短ΔD_1，i；
步骤(4.4)：进行内力微调，按下述步骤进行：
步骤(4.4.1)：内力微调控制模块接收加载模拟分析模块传递的数据，包括：第1级加载的目标索力F_1，i⁰、索力控制误差e与误差影响矩阵K_e；接收应变片测力板传递的各根索的实际索力F_1，i¹；内力微调控制模块通过下式计算，得到目标索力与实际索力的误差ΔF_1，i¹：
ΔF_1，i¹＝F_1，i⁰-F_1，i¹；
步骤(4.4.2)：内力微调控制模块进行如下判断：如果|ΔF_1，i¹/F_1，i⁰|≤e对每一个i均满足，第1级加载完成，进入步骤(5)；否则，按下式计算出为修正第1级目标索力误差，各拉索长度所需要的变化量Δd_e，i¹：
[K_e]{Δd_e，i¹}＝{ΔF_1，i¹}
步骤(4.4.3)：内力微调控制模块控制拉索位移加载装置进行第一次内力微调，拉索位移加载装置按照Δd_e，i¹对各拉索两端点间的长度进行调整；
步骤(4.4.4)：完成步骤(4.4.3)后，内力微调控制模块接收应变片测力板传递的各根索的实际索力F_1，i²；内力微调控制模块通过计算得到目标索力与实际索力的误差：ΔF_1，i²＝F_1，i⁰-F_1，i²之后重复步骤(4.4.2)～(4.4.4)，直至第p次微调内力后，|ΔF_1，i^p+1/F_1，i⁰|≤e对每一个i均满足，进入步骤(5)。
步骤(5)：重复步骤(4)，进行第2级加载，之后多次重复，直至完成第m级加载。