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1、 摘 要 - I - 摘 要 拟动力试验是评价和研究结构抗震性能的重要手段。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。传统的缩尺模型试验已经难 以满足科学研究与工程实际的需要, 大比例尺甚至足尺模型试验日益受到重视, 因而试件的刚度也往往比较大。在拟动力试验中,电液伺服作动器常采用位移 控制工作模式。但是由于作动器自身的位移控制分辨率有限,在进行大刚度试 件的位移控制加载时,将难以完成小位移命令的控制加载,得到的拟动力试验 结果不可靠。因此,开展大刚度试件的拟动力试验方法研究是十分必要的,这 对丰富和完善传统结构抗震试验方法具有重要意义。 本文以大刚度试件为研究对象,针对
2、大刚度试件的拟动力试验方法开展研 究,主要研究工作及成果如下: (1)为了能清晰地界定大刚度试件的范畴,从试验角度出发提出了大刚度 试件的判别公式,为试验方案的合理制定提供依据。设计制作了一个单层单开 间的足尺砖混结构模型用以模拟一个单层十个开间的原型结构。首先对该模型 所用的材料进行了力学性能试验,然后进行了该试验模型在大震激励下的拟动 力试验,用来揭示该类型结构的抗震性能。试验结果表明该类型结构具有很好 的抗震性能,要超出我国抗震规范中“大震不倒”的设防目标。最后对该模型 在小震激励下的拟动力试验进行数值模拟,结果表明采用位移控制加载的试验 方法将难以完成此大刚度模型在小震激励下的拟动力试
3、验。 (2) 进行了小位移命令的控制加载试验,进一步阐述了位移控制加载方法 存在的问题。为此,提出了位移与力混合控制的拟动力试验方法,该方法引入 了外置的高精度位移传感器来弥补作动器自身位移控制分辨率不足的缺点。首 先分析了该方法中的比例-积分位移控制器的稳定条件和稳态误差,然后介绍 了位移控制器参数的实用设计方法,最后从数值模拟和试验验证的角度阐述了 该方法的可行性和有效性。研究表明,该方法可以很好地解决大刚度试件位移 控制加载存在的问题。 (3) 由于大刚度试件的反力通常会较大,电液伺服作动器更适合采用力控 制加载模式。鉴于此,提出了基于力控制加载的等效力控制方法。等效力控制 方法是一种基
4、于隐式积分方法的采用力反馈控制代替数值迭代的拟动力试验方 法。 首先分析了采用比例-积分等效力控制器时等效力控制回路的稳定条件和稳 态误差,然后从数值模拟和真实试验验证了该方法的可行性和有效性。结果表 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 - II - 明,对于大刚度试件该方法要优于基于位移控制的等效力控制方法。 (4) 为了融合力控制模式和位移控制模式的优点,并在拟动力试验中实现 两种模式的自动切换,提出了基于位移正反馈的力与位移切换控制方法。首先 从理论角度分析了切换控制过程,然后从数值模拟和试验角度验证了该方法的 可行性和有效性。研究结果表明,该方法能很好地实现力与位移控制模式之间 自动而平滑
5、的切换,可以应用到大刚度试件拟动力试验中。 关键词:大刚度试件;拟动力试验;力控制;位移控制;混合控制;切换控 制;等效力控制方法 Abstract - III - Abstract Pseudo-dynamic (PSD) testing is an important tool to evaluate and study seismic performance of structures. With the development of economy and technology, modern engineering structures become much larger and
6、more complex and the traditional scaled model tests cannot satisfy the needs of the scientific research and engineering applications any more. Therefore, large-scale even full-scale model tests have obtained increasingly attention in structural experimental engineering, in which the stiffness of the
7、 test specimen is usually very large. However, owing to the limited resolution of the displacement control of the actuator, it may be difficult to impose small displacement commands on large stiffness specimens in displacement control, and hence reliable PSD test results are also hard to attain. Thu
8、s, it is necessary to study the PSD testing method for the large stiffness specimens, which is of great significance in enriching and improving the traditional seismic test methods. This study focuses on problems of PSD testing for large stiffness specimens. Main work and finding are as follows: 1.
9、A discriminate formula defining the range of large stiffness specimens is proposed from the view point of tests, which can be used to establish a reasonable test plan. A full-scale single-storey single-bay masonry model is fabricated to simulate a single-layer ten-bay original structure. At first, t
10、he mechanical property test of the structural material is carried out. Then, the PSD test of this model under large earthquake excitation is performed to explore its seismic performance. Results show that this kind of structures has excellent seismic behavior that greatly exceeds the seismic precaut
11、ionary criterion under the rare earthquake attack of our country. Finally, numerical simulations of the PSD test of this model are performed. Results show that PSD tests of large stiffness specimens under small earthquake excitation with displacement control is difficult to accomplish. 2. In order t
12、o clearly further demonstrate difficulties in displacement control, loading tests of small displacements are carried out. A mixed displacement-force control method is presented, which brings a high-resolution sensor into the displacement control loop to circumvent insufficient accuracy of the loadin
13、g devices. The stability and steady state error of this method with a proportional-integral displacement controller are analyzed, and then a practical method for designing parameters of the displacement controller is introduced. Finally, the feasibility and effectiveness of this method for tests of
14、large stiffness specimens is verified by 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 - IV - numerical simulations and real experiments. Research shows that this particular approach can well resolve problems in displacement control of large stiffness specimens. 3. The reaction force of large stiffness specimens is usually large
15、r even at a small displacement response and thus force control mode is more suitable for hydraulic-servo actuators. For this reason, force control mode of actuators is proposed to incorporate to the equivalent force (EF) control method, which is a PSD method based on an implicit integration algorith
16、m replacing numerical iteration with force feedback control. The stability condition and steady state error of the outer loop with a proportion-integration EF controller are analyzed. Numerical simulations and real experiments are performed to verify the feasibility and effectiveness of this method.
17、 Results show that this method is superior to the EF control method with displacement control of actuators. 4. A force-displacement switching control method based on the positive displacement feedback loop is proposed in order to combine the advantages of the force control mode and the displacement
18、control mode and to accomplish automatic switching in PSD. Firstly, the switching process is theoretically analyzed. Numerical simulations and test results demonstrate that this method can provide automatic and smooth switching between force control and displacement control, which can be well applie
19、d to the PSD with large stiffness specimens. Keywords: large stiffness test specimen, pseudo-dynamic (PSD) testing, force control, displacement control, mixed control, switch control, equivalent force control method 目 录 - V - 目 录 摘 要 . I ABSTRACT III 目 录 V CONTENTS VIII 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题背景及研究的目的和
20、意义 . 1 1.2 结构抗震试验方法的研究现状 . 3 1.2.1 拟静力试验 3 1.2.2 地震模拟振动台试验 5 1.2.3 拟动力试验 8 1.2.4 有效力试验 14 1.2.5 实时子结构试验 15 1.2.6 远程协同拟动力试验 17 1.3 大刚度试件拟动力试验的挑战 . 18 1.4 本文研究课题来源 . 20 1.5 本文主要工作 20 第 2 章 足尺砖混结构模型拟动力试验 22 2.1 引言 . 22 2.2 模型设计与制作 . 23 2.3 材料力学性能试验 . 26 2.3.1 烧结普通粘土砖抗压强度试验 . 26 2.3.2 砌筑砂浆及混凝土抗压强度试验 27
21、2.3.3 钢筋抗拉强度试验 . 28 2.3.4 砌体抗压强度试验 . 28 2.3.5 砌体抗剪强度试验 . 29 2.4 大刚度试件定义 . 30 2.5 试验方案 32 2.5.1 试验设备 32 2.5.2 试验原理 33 2.5.3 地震动加速度激励 33 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 - VI - 2.6 大震激励下的拟动力试验及分析 . 35 2.6.1 地震动峰值加速度的调整 35 2.6.2 作动器位移控制效果 35 2.6.3 结构破坏形式分析 35 2.6.4 基底剪力反应分析 38 2.6.5 位移反应时程曲线 39 2.6.6 恢复力特性曲线 40 2.6.7 结
22、构刚度退化特性 41 2.6.8 结构位移反应数值模拟 42 2.6.9 承载力计算 45 2.7 小震激励下的拟动力试验数值模拟 . 47 2.8 本章小结 49 第 3 章 位移与力混合控制方法 50 3.1 引言 . 50 3.2 小位移控制问题的试验研究 51 3.3 位移与力混合控制方法原理 54 3.4 位移控制器设计方法 . 56 3.5 数值仿真分析 60 3.5.1 阶跃反应 60 3.5.2 结构自由振动反应 61 3.5.3 结构受迫振动反应 62 3.6 试验验证 65 3.6.1 防屈曲支撑拟动力试验 65 3.6.2 带防屈曲支撑单层平面框架拟动力试验 . 73 3
23、.7 足尺砖混结构模型拟动力试验模拟 . 78 3.8 本章小结 81 第 4 章 基于力控制加载的等效力控制方法 82 4.1 引言 . 82 4.2 力控制加载的等效力控制方法原理 . 83 4.3 等效力控制器设计 . 85 4.4 数值仿真分析 86 4.4.1 阶跃反应 87 4.4.2 结构自由振动反应 88 4.4.3 结构受迫振动反应 88 目 录 - VII - 4.5 带防屈曲支撑单层平面框架拟动力试验验证 . 90 4.6 足尺砖混结构模型拟动力试验模拟 . 94 4.7 本章小结 97 第 5 章 基于位移正反馈的力与位移切换控制方法 . 98 5.1 引言 . 98
24、5.2 常规切换控制存在的问题 99 5.3 基于位移正反馈的力与位移切换控制方法原理 . 101 5.4 切换控制持荷数值模拟 105 5.5 三种控制模式下单调加载数值模拟 . 106 5.6 足尺砖混结构模型的拟动力试验模拟 109 5.7 基于位移正反馈的切换控制初步试验验证 . 112 5.8 本章小结 114 结论与展望 . 115 参考文献 . 118 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果 136 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 . 137 致 谢 . 138 个人简历 . 139 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 - VIII - Contents Abstract
25、(In Chinese) Abstract (In English) Chapter 1 Introduction1 1.1 Background, objective and significance of the subject1 1.2 State-of-the-art of structural seismic testing methods.3 1.2.1 Quasi-static testing method3 1.2.2 Shaking table testing method.5 1.2.3 Pseudo-dynamic testing method8 1.2.4 Effect
26、ive force testing method.14 1.2.5 Real-time substructure testing method15 1.2.6 Remote collaborative pseudo-dynamic testing method.17 1.3 Challenges in pseudo-dynamic testing of specimens with large stiffness18 1.4 Financial support of this subject.20 1.5 Main research contents of this subject.20 Ch
27、apter 2 Pseudo-dynamic tests of a full-scale masonry structure.22 2.1 Introduction.22 2.2 Design and fabrication of the model23 2.3 Material property tests.26 2.3.1 Compressure strength test of fired clay bricks26 2.3.2 Compressure strength test of motar and concrete27 2.3.3 Tensile strength test of
28、 steel.28 2.3.4 Compressure strength test of masonry.28 2.3.5 Shear strength test of masonry29 2.4 Definition of specimens with large stiffness30 2.5 Testing scheme desgin.32 2.5.1 Test setup.32 2.5.2 Basic principle of the test33 2.5.3 Earthquake excitation.33 2.6 Pseudo-dynamic test under excitati
29、ons with large PGA35 2.6.1 PGA adjustment .35 2.6.2 Displacment control effect of the actutor35 2.6.3 Failure mode analysis of the model35 2.6.4 Response analysis of base shear force.38 2.6.5 Displacement response time history.39 Contents - IX - 2.6.6 Hysteresis curve40 2.6.7 Characteristics of stif
30、fness degradation41 2.6.8 Numerical simulation of structural displacement response42 2.6.9 Bearing capacity analysis45 2.7 Pseudo-dynamic test simulation under excitations with small PGA47 2.8 Brief summary.49 Chapter 3 Testing method with mixed displacement-force control.50 3.1 Introduction.50 3.2
31、Test research on control problems of small displacement commands.51 3.3 Principle of the method.54 3.4 Design of the displacement controller.56 3.5 Numerical simulation60 3.5.1 Single step response.60 3.5.2 Free-vibration response.61 3.5.3 Forced-vibration response62 3.6 Test verification65 3.6.1 Ps
32、eudo-dynamic test of buckling-restrained brace65 3.6.2 Pseudo-dynamic test of RC frame with buckling-restrained brace73 3.7 Pseudo-dynamic test simulation of the full-scale masonry model78 3.8 Brief summary.81 Chapter 4 Equivalent force control method based on force control loading82 4.1 Introductio
33、n82 4.2 Principle of the method83 4.3 Design of the equivalent force controller.85 4.4 Numerical simulation86 4.4.1 Single step response87 4.4.2 Free-vibration response.88 4.4.3 Forced-vibration response88 4.5 Pseudo-dynamic test of RC frame with buckling-restrained brace90 4.6 Pseudo-dynamic test s
34、imulation of the full-scale masonry model94 4.7 Brief summary.97 Chapter 5 Switching control method between force and displacement based on positive displacment feedback98 5.1 Introduction.98 5.2 Problems exsisting in conventional switching control method99 5.3 Principle of the switching method.101
35、5.4 Constant loading simulation for switching control.105 5.5 Monotonic loading simulation using three control methods.106 5.6 Pseudo-dynamic test simulation of the full-scale masonry model109 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 - X - 5.7 Preliminary test verification of the switching control method.112 5.8 Brief summa
36、ry.114 Conclusions and Proposals for Future Research115 References.118 Papers published in the period of Ph.D. education.136 Statement of copyright and letter of authorization.137 Acknowledgements.138 Resume139 第 1 章 绪 论 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景及研究的目的和意义 试验一直以来是人类进行科学研究活动一个不可或缺的手段。在土木工程 领域,无论是建筑材料力学
37、性能的确定,还是构件的计算方法及结构体系的计 算理论验证,或是新规范的制定、新设计方法与新工艺的发展和推广,试验手 段无疑起着重要的作用。传统的结构试验方法多面向静力试验,这些试验方法 难以满足生产实践和理论发展的需要,结构动力试验显得越来越重要。在土木 工程领域中,最典型、最具破坏性的动力荷载就是地震作用,因而作为评价结 构抗震性能和研究结构破坏机理的手段,结构抗震试验方法研究也就显得重要 和迫切。 众所周知,地震灾害在人类历史上造成了极其惨痛的损失1,地震作用是 导致工程结构破坏,进而造成人员伤亡和财产损失的一个主要原因。但是,地 震又是一个无法消除的自然现象,因此人类与地震灾害之间的斗争
38、将是一个长 期的过程。近年来,全世界地震活动越来越频繁、也越来越强烈。2008 年 5 月 12 日,我国四川省汶川县发生了 M8.0 级地震,导致了近 8 万人死亡和数千亿 元的经济损失;2009 年 9 月,印尼苏门答腊岛发生了 M7.9 级地震,死亡人数 超过了 5000; 2010 年 1 月海地首都太子港发生了 M7.3 级地震, 造成了 20 余万 人死亡,370 万人口受灾;2010 年 2 月智利第二大城市康塞普西翁发生了 M8.8 级地震,造成了 799 人死亡;2010 年 4 月我国青海省玉树县发生了 M7.1 级地 震,造成了 2000 多人死亡;2010 年 6 月印
39、度尼科巴群岛发生了 M7.7 级地震, 导致 20 多万人伤亡;2010 年 9 月和 2011 年 2 月新西兰第二大城市克莱斯特彻 奇分别发生了 M7.2 级和 6.3 级地震,超过 200 人死亡; 2011 年 3 月日本东北部 发生了 M9.0 级地震,并诱发了 10 m 高的海啸,造成了近万人死亡和严重的核 电站核泄漏事故;2012 年 3 月墨西哥南部格雷罗州发生 M7.8 级地震,超过 3 万栋房屋受损。在这些强震作用下,工程结构通常会表现出弹塑性、大变形等 各种非线性现象,进而导致结构由于承载力不足、整体失稳或地基失效等原因 而破坏甚至倒塌。由于现阶段人们对结构的各种非线性性
40、能的认识还存在局限 性,如结构的滞回特性、延性性能、能量耗散、破坏机理和破坏特征等,尚无 法从理论上准确描述在各种复杂受力情况下材料、 构件和结构层次的本构关系。 因此,对于非线性结构的运动方程求解,仅凭理论分析还无法给出解析解,需 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 - 2 - 要辅以试验手段来进行结构的非线性性能研究, 进而完成结构的地震反应分析。 结构抗震试验在抗震理论的发展中占有非常重要的地位,两者相辅相成、 共同发展2。结构抗震理论的发展大致经历了静力阶段、反应谱阶段、直接动 力法阶段和目前基于性态的抗震设计方法阶段,结构抗震试验逐渐发展了以拟 静力试验、地震模拟振动台试验和拟动力试验为
41、主的传统试验方法,其中在拟 动力试验方法基础上又发展了实时子结构和网络协同试验等新型混合试验方 法。这些试验方法从上世纪 80 年代开始得到迅猛的发展和广泛的应用,这主要 得益于现代电子计算机技术、液压伺服技术及各种控制理论的发展,从而使得 试验在概念、方法、技术和加载设备更新等方面得到快速发展。从过去仅能进 行单自由度体系的简单加载,到现在多自由度结构的复杂同步控制加载,从以 前的慢速加载到现在的快速乃至实时加载等,结构抗震试验方法研究得到了空 前的发展。 目前我国已有多所大学和科研机构先后购置了一批先进的试验设备, 如多维地震模拟振动台、大型电液伺服结构试验系统等,建成了一些大型的、 多功
42、能试验室3-7,这为我国的结构抗震研究提供了广阔的平台。 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。同时相似理论在模型试验中又是一项关键要素,模型试验要求 严格满足各项相似条件。由于试验模型的制造误差、所采用材料的力学性能和 模型在试验中的各种非线性反应等,相似条件往往难以得到满足,尤其是当前 非线性动力相似理论的发展还不完善,因而小尺度结构模型试验结果难以推算 到原型结构上,这就直接影响到试验结果的推广与应用。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,国内外研究者
43、开始重视对结 构整体性能的试验研究,小尺度结构模型试验难以满足这一需求,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。有鉴于此,一些国家建设了大 型振动台以进行大尺度或足尺结构模型试验,典型的如日本建立了世界上台面 尺寸最大的的 E-Defense 振动台,该振动台有效承载质量为 1200 t;美国加州大 学 San Diego 分校的野外振动台有效承载质量可达 2200 t; 我国的同济大学和台 湾地区的一些科研机构也都修建了大型振动台。但是这些
44、大型振动台的建设不 仅需要巨大的投资、而且还需要高水平的技术和试验硬件设施作为支撑,因此 仅仅依靠发展大型振动台试验技术显然不现实。 相比较而言,拟动力试验的投入要远少于大型振动台试验,并且在相同情 第 1 章 绪 论 - 3 - 况下,前者的结构模型可以远大于后者,因此拟动力试验是进行足尺或大尺度 结构模型试验一个非常合适的手段。对于足尺或大尺度结构模型而言,通常其 刚度比较大,位移反应可能会很小,这对试验加载设备的控制与测量精度要求 极高,否则试验将难以进行。但是单纯依靠不断地升级试验设备来换取试验要 求的高精度同样也显得不现实,如何在已有的条件下,完成大刚度试件拟动力 试验已成为抗震试验
45、研究新的挑战, 并且随着工程实际和抗震理论发展的需要, 针对大刚度试件提出新的试验方法,对于丰富和完善传统结构抗震试验方法具 有重要意义。 1.2 结构抗震试验方法的研究现状 1.2.1 拟静力试验 上世纪 50 年代起,随着非线性地震反应研究的开展,人们开始重视结构和 构件的恢复力特性研究,期望通过模拟地震作用的滞回特性试验来建立结构或 构件的恢复力计算模型,以此探索结构的抗震性能。这种滞回特性试验通常采 用低周反复静力加载的方式来近似模拟地震作用,使得试件从弹性阶段逐渐进 入弹塑性直至最终破坏的一种试验方法,人们称之为伪静力或拟静力试验。拟 静力试验常用的加载控制方法主要有:位移控制加载、
46、力控制加载和力与位移 混合控制加载。同时针对不同的试验目的可以制定相应的加载幅值变化规律, 如变幅值、等幅值和混合变幅值等。拟静力试验可以最大限度地获取结构或构 件的各种信息,如刚度、变形能力、延性系数、耗能能力、承载力及损坏特性 等8,这种方法的缺点在于无法模拟结构在真实地震作用下的反应,但是该方 法由于对试验设备的要求低、试验成本低,已经成为目前抗震研究应用最广泛 的试验方法2,9。 传统的拟静力试验对象多针对单自由度体系,但实际工程中经常需要对多 自由度结构进行试验,因此拟静力试验逐渐发展了针对多自由度结构的加载规 则和试验控制方法。Kabeyasawa10为了研究水平加载方式对多层结构
47、破坏的影 响,采用倒三角形式分布荷载和变幅值加载方式,分别对两个三层和一个两层 框架剪力墙结构进行拟静力试验;Morita11为了研究水平荷载不同加载方式对 结构层间变形和破坏模式的影响,采用了三个两层钢框架模型来进行多质点试 验加载;Takanashi12采用了三个作动器来完成了一个三层抗弯钢框架的加载试 验,该方法中设计顶层加载作动器为主作动器,采用为位移控制,其余作动器 为从作动器,采用为力移控制,各层控制加载的荷载比例为 3:2:1,以研究该结 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 - 4 - 构的倒塌模式。赵刚等13针对多自由度结构提出了力和位移混合控制的加载方 法,该方法中顶层主作动器也
48、是采用位移控制,其余从作动器采用力控制,通 过迭代计算使得从作动器的力命令始终能与主作动器的力响应保持预设的比例 关系。对多质点结构试验,由于各自由度之间的耦合,试验加载的真实状况可 能难以达到设计的期望力或位移分布,并且设计的荷载加载模式通常只能考虑 结构受低阶振型控制,而高阶振型的影响被忽略。此外,结构自由度越多,那 么需要的加载设备就越多。这些因素就限制了拟静力试验在多自由度结构中的 进一步发展和应用。 由于地震作用实际上是多方向的,而且多向的地震作用要比单向作用对结 构的破坏更大,这是因为在一个方向的损伤会直接影响结构另一方向的抗震能 力,那么仅对结构进行单方向的加载试验难以真实全面反
49、映结构在地震作用下 的反应,因此多向加载的拟静力试验逐步发展起来。结构的弹塑性特征通常与 试验加载的路径有关,Kobayosh14和 Low 等15设计了不同的加载规则对钢筋 混凝土柱进行双向加载试验, 以研究柱子在不同荷载模型作用下的弹塑性特征。 孙飞飞等16采用了直线型、矩形和菱形三种不同加载规则,对六根钢筋混凝土 柱进行水平双向加载试验以探索柱子在复杂受力情况下的滞回性能。李国强等 16也采用四种不同加载规则在水平双向和竖向分别对箱型和H型截面钢柱进行 加载试验。多向加载通常会导致相互耦合的作动器位移产生几何非线性,通常 需要独立的外置传感器来测量结构各方向的实际位移,这就增加试验的繁杂程 度。 拟静力试验的发展在试验加载设备和装置方面的表现为:加载设备从以前 的手动控制的机械或液压式千斤顶发展到现在自动化控制的电液伺服作动器; 各种新型高精度传感器的出现可以精确测量结构的反应,从而提高了试验的精 度和可靠度;大型反力墙的出现使得试验可以进行大型构件甚至足尺结构模型 试验;数据采集和分析处理系统大大减轻了试验的繁杂程度2,18。同时,用于 试验加载的控制软件也得到了开发与应用。邱法维等19在 MTS 公司的试验控 制软件平台 Flex-Test IIm 上开发了力与位移控制加载的软件
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