阅读说明：本技术 一种电磁轴压加载装置及其轴压控制方法 (Electromagnetic axial pressure loading device and axial pressure control method thereof ) 是由 张超 林成杰 赖志超 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种电磁轴压加载装置及其轴压控制方法,包括控制模块、水平作动器、遥控电磁铁、反力墙和位于遥控电磁铁处的位移传感器；反力墙上部设有水平向的反力横梁；试件顶端与反力横梁相邻；遥控电磁铁的第一斥力磁极设于反力横梁下端面且第二斥力磁极经球铰与试件顶端相连；水平作动器与试件顶部相连以施以水平向的位移荷载；试件顶端与球铰之间设有压力传感器；遥控电磁铁以磁极斥力向试件施以轴向压力,所述控制模块经位移传感器测量第一斥力磁极和第二斥力磁极之间的气隙长度,并根据气隙长度变化调整遥控电磁铁的磁力,以使试件所受的轴向压力保持不变；本发明可改进结构拟静力试验中的竖向轴压加载方式,使试验结果更符合实际。(The invention provides an electromagnetic axial compression loading device and an axial compression control method thereof, wherein the electromagnetic axial compression loading device comprises a control module, a horizontal actuator, a remote control electromagnet, a counterforce wall and a displacement sensor positioned at the remote control electromagnet; the upper part of the counterforce wall is provided with a horizontal counterforce crossbeam; the top end of the test piece is adjacent to the counter-force beam; a first repulsion magnetic pole of the remote control electromagnet is arranged on the lower end face of the counter-force cross beam, and a second repulsion magnetic pole is connected with the top end of the test piece through a spherical hinge; the horizontal actuator is connected with the top of the test piece to apply horizontal displacement load; a pressure sensor is arranged between the top end of the test piece and the spherical hinge; the remote control electromagnet applies axial pressure to the test piece through magnetic pole repulsion, the control module measures the length of an air gap between a first repulsion magnetic pole and a second repulsion magnetic pole through a displacement sensor, and adjusts the magnetic force of the remote control electromagnet according to the change of the length of the air gap so as to keep the axial pressure applied to the test piece unchanged; the invention can improve the vertical axial pressure loading mode in the structure pseudo-static test, so that the test result is more practical.)

一种电磁轴压加载装置及其轴压控制方法

技术领域

本发明涉及土木工程结构性能试验研究技术领域，尤其是一种电磁轴压加载装置及其轴压控制方法。

背景技术

虽然随着有限元技术的发展，可以一定程度上实现结构地震灾变过程的数值仿真。但目前仍以试验研究结果为准。而拟静力振动台试验则是研究结构地震响应、破坏模式和破坏机理最常用的方法之一，是评价结构抗震性能的重要手段。

拟静力振动台试验中，包括竖向力和水平力的加载，但是现有的竖向力加载装置即轴压加载装置存在施加的轴压力恒定、试验过程会产生额外的限制力等缺陷。现有的轴压加载装置大多采用千斤顶加载，但是加载点施加往复位移加载时会产生附加偏心力等额外的限制力，而若安装滑车作为千斤顶加载的反力支座以减小限制力，则会提高试验成本，且滑车的摩擦系数也需考虑。

发明内容

本发明提出一种电磁轴压加载装置及其轴压控制方法，可改进结构拟静力试验中的竖向轴压加载方式，使试验结果更符合实际。

本发明采用以下技术方案。

一种电磁轴压加载装置，用于向试件施加轴向压力，所述加载装置包括控制模块、水平作动器、遥控电磁铁(9)、反力墙(1)和位于遥控电磁铁处的位移传感器(10)；所述反力墙上部设有水平向的反力横梁(3)；所述试件(5)顶端与反力横梁相邻；遥控电磁铁包括平行设置的第一斥力磁极和第二斥力磁极；所述第一斥力磁极设于反力横梁下端面；所述第二斥力磁极经球铰与试件顶端相连；

所述水平作动器固定于反力墙上，水平作动器的力输出端与试件顶部相连以向试件施以水平向的位移荷载；所述试件顶端与球铰之间设有用于测量试件所受轴向压力值的压力传感器(7)；

所述遥控电磁铁以第一斥力磁极和第二斥力磁极之间的斥力向试件施以轴向压力，所述控制模块经位移传感器测量第一斥力磁极和第二斥力磁极之间的气隙长度，并根据气隙长度变化调整遥控电磁铁的磁力，以使试件所受的轴向压力保持不变。

所述位移传感器位于第二斥力磁极侧边处。

所述试件(5)设于反力横梁下方且固定于承台(4)上；所述压力传感器设于垫块(6)上。

一种电磁轴压加载装置的轴压控制方法，以上所述的一种电磁轴压加载装置，其控制对试件施加的轴向压力的方法包括以下步骤；

步骤S1、根据所要施加的轴向压力大小，选择适用的电磁铁型号作为遥控电磁铁，先在水平作动器未输出位移荷载时，以遥控电磁铁对试件施以轴向压力；

步骤S2、遥控电磁铁中，电流与磁力、气隙长度的关系有如下公式；

G_δ为气隙磁导，μ₀为导磁率，a为遥控电磁铁的边长，δ为气隙长度，为磁极端面磁通，I为电流大小，W为线圈匝数，S为磁极表面的总面积，F为工作的遥控电磁铁产生的排斥力，其中气隙长度δ、电流I为自变量；水平作动器根据预设的位移加载曲线开始位移加载后，通过位移传感器测量第一斥力磁极和第二斥力磁极之间的气隙长度变化。

上述方法还包括步骤S3；

步骤S3中，所述水平作动器的位移加载有以下公式；

此处令F^*＝F，由于其他参数都已确定，可得到需要调整的电流大小ΔI＝I^*-I。

上述方法还包括步骤S4；

步骤S4中，所述控制模块包括单片机控制器、计算机系统、电磁铁遥控器，通过控制模块控制遥控电磁铁的工作电压，来调整遥控电磁铁的工作电流，以调整第一斥力磁极和第二斥力磁极之间的电磁斥力来调整试件所受轴压；

调整过程按如下电流、轴压力与气隙长度总公式；

本发明的有益效果为：本发明能实现单点、多点加载及轴压随动加载；能保持电磁铁加载面恒平行于上部平面，达到与实际重力一致竖直向下的效果；且在往复位移加载下由于电磁铁没有机械接触故不会产生摩擦力、附加偏心力等额外的限制力。本发明安装方便，经济实用，且在加载过程中可以调整轴压，更符合实际。

附图说明

下面结合附图和

具体实施方式

对本发明进一步详细的说明：

附图1为本发明在水平作动器未输出力的示意图。

附图2为本发明水平作动器输出的位移荷载使试件形变时的结构示意图。

附图3为本发明的系统原理示意图

图中：1-反力墙；2-水平作动器；3-反力横梁；4-承台；5-试件；6-垫块；7-压力传感器；8-球铰；9-遥控电磁铁；10-位移传感器；101-第一斥力磁极；102-第二斥力磁极。

具体实施方式

如图1-3所示，一种电磁轴压加载装置，用于向试件施加轴向压力，所述加载装置包括控制模块、水平作动器、遥控电磁铁9、反力墙1和位于遥控电磁铁处的位移传感器10；所述反力墙上部设有水平向的反力横梁3；所述试件5顶端与反力横梁相邻；遥控电磁铁包括平行设置的第一斥力磁极101和第二斥力磁极102；所述第一斥力磁极设于反力横梁下端面；所述第二斥力磁极经球铰8与试件顶端相连；

所述水平作动器固定于反力墙上，水平作动器的力输出端与试件顶部相连以向试件施以水平向的位移荷载；所述试件顶端与球铰之间设有用于测量试件所受轴向压力值的压力传感器7；

所述遥控电磁铁以第一斥力磁极和第二斥力磁极之间的斥力向试件施以轴向压力，所述控制模块经位移传感器测量第一斥力磁极和第二斥力磁极之间的气隙长度，并根据气隙长度变化调整遥控电磁铁的磁力，以使试件所受的轴向压力保持不变。

所述位移传感器位于第二斥力磁极侧边处。

所述试件5设于反力横梁下方且固定于承台4上；所述压力传感器设于垫块6上。

一种电磁轴压加载装置的轴压控制方法，以上所述的一种电磁轴压加载装置，其控制对试件施加的轴向压力的方法包括以下步骤；

步骤S1、根据所要施加的轴向压力大小，选择适用的电磁铁型号作为遥控电磁铁，先在水平作动器未输出位移荷载时，以遥控电磁铁对试件施以轴向压力；

步骤S2、遥控电磁铁中，电流与磁力、气隙长度的关系有如下公式；

G_δ为气隙磁导，μ₀为导磁率，a为遥控电磁铁的边长，δ为气隙长度，为磁极端面磁通，I为电流大小，W为线圈匝数，S为磁极表面的总面积，F为工作的遥控电磁铁产生的排斥力，其中气隙长度δ、电流I为自变量；水平作动器根据预设的位移加载曲线开始位移加载后，通过位移传感器测量第一斥力磁极和第二斥力磁极之间的气隙长度变化。

上述方法还包括步骤S3；

步骤S3中，所述水平作动器的位移加载有以下公式；

此处令F^*＝F，由于其他参数都已确定，可得到需要调整的电流大小ΔI＝I^*-I。

上述方法还包括步骤S4；

步骤S4中，所述控制模块包括单片机控制器、计算机系统、电磁铁遥控器，通过控制模块控制遥控电磁铁的工作电压，来调整遥控电磁铁的工作电流，以调整第一斥力磁极和第二斥力磁极之间的电磁斥力来调整试件所受轴压，以使试件所受的轴向压力保持不变；

调整过程按如下电流、轴压力与气隙长度总公式；

实施例：

本装置启动后，先由遥控电磁铁对试件顶部施以轴压，然后水平作动器向试件顶部施以水平向的位移荷载，使试件形变且顶部产生水平向位移，此时第一斥力磁极和第二斥力磁极的磁力斥面产生相对移动变化，为防止试件所受的轴压变化，控制模块控制遥控电磁铁的工作电压，来调整遥控电磁铁的工作电流，以调整第一斥力磁极和第二斥力磁极之间的电磁斥力来调整试件所受轴压，以使试件所受的轴向压力保持不变。