墩柱變軸力往復(fù)加載控制程序設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證

2020-02-03 07:22陳嶸

工程與試驗(yàn) 2020年4期

陳嶸

(北京建筑大學(xué) 土木與交通學(xué)院，北京 100044)

1 引言

地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用實(shí)際上是多維的，試件的破壞與荷載路徑有關(guān)。水平雙向地震比單向地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用大很多，一個(gè)方向的損傷會(huì)影響另一個(gè)方向的抗震能力，如型鋼柱的水平雙向地震試驗(yàn)表明，一個(gè)方向的屈服嚴(yán)重影響另一個(gè)方向的抗震能力[1]。軸力變化影響構(gòu)件的抗震性能，如雙柱橋墩在橫橋向地震作用下，柱軸力變化影響柱頂位移，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)邊框柱的軸力變化對(duì)其抗震性能影響很大[2]。

實(shí)際震害(如圖1所示)中，橋墩軸力變化的影響不容忽視。1989年美國洛馬·普里埃塔(Loma Prieta)地震，7級(jí)，Struve Slough橋部分橋墩與蓋梁節(jié)點(diǎn)發(fā)生彎剪破壞，與上部結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移過大，導(dǎo)致橋墩與蓋梁脫開并穿透橋面，記錄到的地面水平運(yùn)動(dòng)加速度峰值0.39g，豎向運(yùn)動(dòng)加速度峰值0.66g。2008年汶川地震，8級(jí)，《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG B02-2013)[3]指出，斷裂帶附近豎向地震作用較大，百花大橋、映秀鎮(zhèn)順河橋、小魚洞大橋等因同時(shí)受到巨大的豎向和水平向地震作用，出現(xiàn)了由結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度失效破壞而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)垮塌。

圖1 震害

《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)[4]7.4.4條、7.4.5條規(guī)定考慮最不利軸力組合計(jì)算軸力-彎矩-曲率曲線，7.4.8條規(guī)定對(duì)于雙柱墩、排架墩，橫橋向的容許位移可在蓋梁處施加水平力F，進(jìn)行非線性靜力分析。當(dāng)墩柱的任一塑性鉸達(dá)到其最大容許轉(zhuǎn)角時(shí)，蓋梁處的橫向水平位移即為容許位移(如圖2所示)。

圖2 雙柱墩的容許位移

目前，國外的試驗(yàn)研究成果有R. P. Dhakal等[5]對(duì)按照美國加州規(guī)范、新西蘭規(guī)范和日本規(guī)范設(shè)計(jì)了3個(gè)1∶3的橋墩模型進(jìn)行雙向擬動(dòng)力試驗(yàn)。Yoshiaki Goto等[6]試驗(yàn)研究雙向水平地震作用下圓形薄壁鋼柱橋墩的極限狀態(tài)。Umut Akguzel等[7]采用變軸力雙向加載試驗(yàn)研究了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)角部梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能。M. Di Ludovico等[8]通過試驗(yàn)研究光圓鋼筋混凝土柱在恒定軸力和雙向彎曲受力下的力學(xué)性能。Hugo Rodrigues等[9]試驗(yàn)研究鋼筋混凝土矩形柱在6種水平雙向作用和變軸力下的抗震性能，試驗(yàn)表明，變軸力雙向加載對(duì)柱的非線性性能和承載力有明顯影響，變軸力柱發(fā)生破壞的側(cè)移小于恒定軸力，雙向受力導(dǎo)致承載力下降。

國內(nèi)對(duì)變軸力下單向作用和恒定軸力下雙向作用柱的抗震性能的試驗(yàn)研究相對(duì)較少。顧祥林等[10]對(duì)不同軸壓比、加載路徑、變軸力等參數(shù)進(jìn)行研究，試驗(yàn)表明，變軸力加載柱下的滯回曲線明顯不對(duì)稱，但耗能和極限位移與定軸力基本一致。石慶軒等[11]研究了加載制度對(duì)新型型鋼混凝土柱抗震性能的影響，試驗(yàn)和有限元分析結(jié)果表明，變軸力作用下柱的性能表現(xiàn)明顯不對(duì)稱，且抗震性能較定軸力作用更為不利。王德斌等[12]通過鋼筋混凝土柱在多維動(dòng)力加載下的試驗(yàn)，研究了柱的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，試驗(yàn)表明，變軸力雙向加載降低了構(gòu)件的延性和變形能力。

研究試件在水平雙向荷載或變軸力往復(fù)荷載下的試驗(yàn)論文較少，試驗(yàn)的難點(diǎn)在于硬件和軟件兩方面。硬件方面，雙向水平加載需要L形剪力墻，且豎向千斤頂雙向滑動(dòng)如何減小摩擦力是試驗(yàn)難題；軟件方面，雙向加載難以協(xié)調(diào)兩臺(tái)作動(dòng)器之間的同步關(guān)系，2臺(tái)作動(dòng)器應(yīng)符合一定比例或曲線關(guān)系的加載方案在試驗(yàn)中很難實(shí)現(xiàn)，或者數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，某些雙向加載試驗(yàn)實(shí)質(zhì)上是分段單向加載。這兩方面的問題是制約雙向加載試驗(yàn)的主要原因。

本文采用VB6.0對(duì)MTS公司電液伺服作動(dòng)器控制軟件793.00進(jìn)行二次開發(fā)，通過計(jì)算機(jī)程序控制2臺(tái)作動(dòng)器加載試件，實(shí)現(xiàn)同步加載，完成不同荷載路徑下的抗震性能試驗(yàn)。

2 變軸力往復(fù)加載控制程序設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室有2臺(tái)50t作動(dòng)器(如圖3所示)，控制軟件793.00是一款通用軟件，不適合變軸力往復(fù)荷載試驗(yàn)。圖4為試驗(yàn)示意圖，5圖為荷載路徑，分恒定軸力和變軸力兩類。為實(shí)現(xiàn)變軸力往復(fù)加載，須協(xié)調(diào)水平作動(dòng)器和豎向作動(dòng)器之間的關(guān)系。

圖3 作動(dòng)器

圖4 試驗(yàn)示意圖

(a)恒定軸力 (b)變軸力圖5 試驗(yàn)加載方案

2.1 調(diào)用VB類庫及程序與設(shè)備的連接

VB6.0調(diào)用793.00中VB類庫的方法與調(diào)用AutoCAD中VB類庫的方法類似，文獻(xiàn)[13]已有類似說明。在VB6.0程序界面點(diǎn)擊“工程”-“引用(N)…”，在彈出的對(duì)話框中勾選“MTS 793.00 General Utilities”、“MTS 793.00 Real-time Programming Interface”、“MTS 793.00 Units Support”等3項(xiàng)，即可調(diào)用793.00中VB類庫中的函數(shù)。

VB6.0通過4個(gè)層級(jí)逐次連接硬件設(shè)備：試驗(yàn)系統(tǒng)、工作站、通道(作動(dòng)器)、控制模式，獲得作動(dòng)器的控制權(quán)(如圖6所示)。

圖6 組織結(jié)構(gòu)圖

(1)試驗(yàn)系統(tǒng)。793.00類庫定義整體試驗(yàn)為一個(gè)系統(tǒng)，類名RtSystem，VB定義一個(gè)新對(duì)象再連接這個(gè)系統(tǒng)。

Dim system As New RtSystem

Const appNm As String ="擬靜力試驗(yàn)"

system.Connect "", appNm, ""

(2)工作站。793.00定義一次試驗(yàn)為一個(gè)工作站，一個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)可以有多臺(tái)工作站，多臺(tái)工作站可同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)并由一個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)管理，因此在試驗(yàn)系統(tǒng)中找到指定工作站并賦值給工作站類變量完成連接。

Dim Station As RtStation

Dim named As INamed

Set named = system.StationNames(1)

Set Station = system.FindStation(named.keyName, appNm, "", oAppControl)

(3)通道(作動(dòng)器)。工作站必須包含至少一臺(tái)作動(dòng)器，從作動(dòng)器到計(jì)算機(jī)形成一條通道，一條通道對(duì)應(yīng)一臺(tái)作動(dòng)器。實(shí)際上，可以把通道理解為作動(dòng)器，因?yàn)閮烧呤且灰粚?duì)應(yīng)的。

Dim list As ObjectCollection

Dim channelKeys() As String

Set list = Station.Channels

If list.Count > 0 Then

FillDisplayWithNames Form1.ComChannel, list, channelKeys()

End If

Set list = Station.FloatSignals

If list.Count > 0 Then

FillDisplayWithNames lstSignals, list, sigKeys

End If

(4)控制模式。試驗(yàn)加載方式有3種：力控制、位移控制、力-位移控制，一般試驗(yàn)多采用后兩種方式。作動(dòng)器的控制模式有兩種：力控制模式、位移控制模式，其中位移控制模式可細(xì)分為內(nèi)位移控制模式、外位移控制模式。獲得通道(作動(dòng)器)控制權(quán)后，應(yīng)在通道屬性中指定控制模式。

Public Mode() As RtCtrlMode

Set Mode(i) = channel(i).CtrlModes.Find(Grid.TextMatrix(i, 4))

If Not channel(i).ActiveMode Is Mode(i) Then

channel(i).ActiveMode

Mode(i)

End If

通過上述4個(gè)步驟獲得作動(dòng)器的控制權(quán)，并指定控制模式。此時(shí)，可指定作動(dòng)器施加荷載或位移，如施加推力10kN荷載，或拉力-10kN，或伸長2mm，或回縮-2mm。

2.2 控制作動(dòng)器

獲得作動(dòng)器控制權(quán)后可指定作動(dòng)器按加載路徑加載試件。1臺(tái)作動(dòng)器時(shí)，指定作動(dòng)器達(dá)到荷載或位移的目標(biāo)值。2臺(tái)作動(dòng)器時(shí)，還應(yīng)協(xié)調(diào)2臺(tái)作動(dòng)器之間的時(shí)間，使其分別達(dá)到各自的目標(biāo)值，且時(shí)間基本相同。

(1)1臺(tái)作動(dòng)器。輸入“目標(biāo)值”、“速度”后作動(dòng)器運(yùn)行至“目標(biāo)值”。完成這段指令需要“當(dāng)前值”、“目標(biāo)值”、“速度”、“時(shí)間”4個(gè)參數(shù)，“時(shí)間”參數(shù)由當(dāng)前值、目標(biāo)值、速度計(jì)算得到。

Dim fdbk() As RtFloatSig

Set fdbk(i) = Mode(i).FeedbackSignal

Dim當(dāng)前值 As Single,目標(biāo)值 As Single, 速度 As Single,時(shí)間 As Single

當(dāng)前值 = fdbk(i).Value

目標(biāo)值 = Val(MGrid1(0).TextMatrix(i, 3))

速度 = Val(MGrid1(0).TextMatrix(i, 4))

時(shí)間 = Abs((當(dāng)前值 - 目標(biāo)值) / 速度)

Mode(i).SetSetptToValue 目標(biāo)值, 時(shí)間

(2)2臺(tái)作動(dòng)器。2臺(tái)作動(dòng)器完成如圖5所示的試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)編程協(xié)調(diào)2臺(tái)作動(dòng)器到達(dá)“目標(biāo)值”的“時(shí)間”。按豎向變軸力荷載控制、水平位移控制的等幅變幅加載方式進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需協(xié)調(diào)每一級(jí)循環(huán)2臺(tái)作動(dòng)器的“時(shí)間”，并考慮2臺(tái)作動(dòng)器不能同時(shí)達(dá)到峰值時(shí)的處理方法。

圖7為圖5(b)的局部放大圖，2臺(tái)作動(dòng)器分別從圖7的平衡位置Ad、Af點(diǎn)“當(dāng)前值”出發(fā)，達(dá)到Bd、Bf點(diǎn)“目標(biāo)值”。如水平作動(dòng)器的位移值先到達(dá)Bd，則暫停保持當(dāng)前位移值，等待垂直作動(dòng)器的荷載值達(dá)到Bf。當(dāng)2臺(tái)作動(dòng)器都到達(dá)各自的“目標(biāo)值”時(shí)，再進(jìn)入下一個(gè)加載循環(huán)，反之亦然。

圖7 循環(huán)加載路徑

Dim 達(dá)到目標(biāo) As Boolean, Sum As Long, Chanl() As Long

達(dá)到目標(biāo) = False

While 到達(dá)目標(biāo) = False

Sum = 0

For j = 1 To Grid.Rows - 1

If Mode(j).Done = True Then Chanl(j) = 1

Sum = Sum + Chanl(j)

Next j

If Sum = Grid.Rows - 1 Then 達(dá)到目標(biāo) = True

DoEvents

Wend

2.3 流程圖

流程圖如圖8所示，VB6.0自編程序是對(duì)MTS控制軟件的二次開發(fā)，通過調(diào)用793.00的VB類庫，逐層獲得控制權(quán)，從系統(tǒng)到作動(dòng)器依次為試驗(yàn)系統(tǒng)、工作站、通道、控制模式。獲得控制模式時(shí)，可選擇力控制或位移控制進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)需協(xié)調(diào)作動(dòng)器控制命令和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)占用內(nèi)存資源的矛盾，試驗(yàn)數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)在內(nèi)存中，再寫入硬盤文件，減少反復(fù)寫文件的次數(shù)。通過反饋函數(shù)判斷作動(dòng)器是否運(yùn)行到目標(biāo)值，當(dāng)有多臺(tái)作動(dòng)器時(shí)，先到達(dá)目標(biāo)值的作動(dòng)器暫停，等待其它作動(dòng)器均到達(dá)目標(biāo)值后，再同時(shí)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)的目標(biāo)值。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，應(yīng)保存最后一批試驗(yàn)數(shù)據(jù)并清空變量，再退出程序。

圖8 流程圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過恒定軸力往復(fù)荷載加載試驗(yàn)、軸向拉壓試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)、變軸力往復(fù)加載試驗(yàn)驗(yàn)證自編程序。

3.1 一維加載試驗(yàn)

再生混凝土柱試驗(yàn)(如圖9所示)研究在恒定軸力往復(fù)荷載下的抗震性能，采用力-位移控制加載方式，屈服前荷載控制、屈服后位移控制。防屈曲耗能支撐試驗(yàn)(如圖10所示)研究鋼支撐在單軸拉壓荷載下的抗震性能，全程采用位移控制，程序自動(dòng)記錄荷載路徑和滯回曲線。

(a)加載設(shè)備 (b)滯回曲線圖9 再生混凝土柱試驗(yàn)

(a)加載裝置

(b)荷載路徑

(c)滯回曲線圖10 防屈曲耗能支撐試驗(yàn)

3.2 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

U形截面梁受扭試驗(yàn)(如圖11所示)研究U形截面梁的抗扭力學(xué)性能，2臺(tái)作動(dòng)器以力或位移控制模式反向運(yùn)行施加扭矩。試驗(yàn)首先采用力控制逐級(jí)施加荷載，到達(dá)預(yù)定值后轉(zhuǎn)為位移控制逐級(jí)增加位移。

圖11 U形截面梁受扭試驗(yàn)

3.3 變軸力剪力墻往復(fù)荷載試驗(yàn)

剪力墻抗震性能試驗(yàn)如圖12所示，對(duì)剪力墻施加變軸力和水平往復(fù)荷載，試驗(yàn)采用多種控制方式：水平和垂直方向力控制，水平位移控制，垂直力控制，橢圓形荷載路徑。

圖12 剪力墻抗震性能試驗(yàn)

程序界面見圖13，在“控制條件”圖框中選擇2臺(tái)作動(dòng)器“Ch 3”、“Ch 4”及控制模式，確定后進(jìn)入“控制方法”圖框進(jìn)行試驗(yàn)?！翱刂品椒ā庇?項(xiàng)：“單向”、“循環(huán)”、“調(diào)用文件”。

圖13 程序界面

(1)水平、垂直方向力控制。水平、垂直方向力的平衡點(diǎn)為0kN，水平荷載初始值1kN，每級(jí)循環(huán)增加1kN，變幅加載；垂直荷載幅值為2kN，等幅加載。2臺(tái)作動(dòng)器荷載關(guān)系曲線(如圖14所示)表明，按比例施加荷載，兩者保持同步，同時(shí)達(dá)到最大值和最小值。

圖14 “Ch 3”和“Ch 4”作動(dòng)器時(shí)間-荷載曲線

(2)水平位移控制、垂直力控制。圖15為水平作動(dòng)器位移控制、垂直作動(dòng)器力控制的加載方案。水平作動(dòng)器平衡點(diǎn)0mm，幅值0.3mm，等幅加載；垂直作動(dòng)器初始軸壓5kN，幅值5kN，等幅加載。

(3)橢圓形荷載路徑。為了適應(yīng)更復(fù)雜的加載方式，如菱形、圓形、方形、橢圓形加載路徑對(duì)試件受力性能的影響，軟件設(shè)計(jì)了“調(diào)用文件”界面實(shí)現(xiàn)此類加載方案。程序讀取文件中的二維加載路徑，指定2臺(tái)作動(dòng)器按荷載路徑完成加載。下面以橢圓形荷載路徑為實(shí)例說明加載過程。

2臺(tái)作動(dòng)器讀取橢圓參數(shù)文件，以力控制模式運(yùn)行，程序繪制2臺(tái)作動(dòng)器的荷載路徑，如圖16所示。水平作動(dòng)器位移控制、垂直作動(dòng)器力控制，2臺(tái)作動(dòng)器讀取加載文件，按橢圓形路徑的加載關(guān)系曲線如圖17所示。

圖16 力控制模式圖17 水平位移控制和垂直力控制

3.4 變軸力墩柱往復(fù)加載試驗(yàn)

為試驗(yàn)研究鋼筋混凝土墩柱在變軸力往復(fù)荷載下的抗震性能，制作了6個(gè)試件，見表1。2個(gè)Z3中，Z3-d按圖5(a)加載、Z3-b按圖5(b)加載，研究恒定軸力和變軸力對(duì)墩柱抗震性能的影響。其余試件按圖5(b)加載，研究縱筋配筋率、配箍率、高寬比對(duì)變軸力混凝土墩柱抗震性能的影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試件安裝見圖18、圖19，滯回曲線見圖20。