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结构试验原理
建筑结构试验
第一章
一、结构试验的任务
结构试验是一门试验科学
土木工程结构试验是一项科学实践性很强的活动,是研究和发展结构新材料、新体系、新工艺以及探索结构设计新理论的重要手段。
同时,也可通过试验对具体结构作出正确的技术结论。
实践性:
结构设计过程中,工程技术人员必须掌握在各种作用下结构的实际工作状态,了解结构构件的承载力、刚度、受力性能以及实际所具有的安全储备。
1)传统的理论计算方法;
2)结构试验应力分析方法。
电子计算机技术的应用
1)数学模型方法计算分析技术;
2)计算机控制的结构试验技术。
结构试验主要内容
1)工程结构静力试验和动力试验的加载模拟技术;
2)工程结构变形参数的量测技术;
3)试验数据的采集、信号分析及处理技术;
4)对试验对象作出科学的技术评价或理论分析。
结构试验的任务
工程结构试验的任务就是在结构物或试验对象(实物或模型)上,利用设备仪器为工具,采用各种实验技术为手段,在荷载(重力、机械扰动力、地震作用、风力……)或其他因素(温度、变形)作用下,通过量测与结构工作性能有关的各种参数(变形、挠度、应变、振幅、频率……),从强度(稳定性)、刚度和抗裂性以及结构实际破坏形态来判断结构的实际工作性能,估计结构的承载能力,确定结构对使用要求的符合程度,并用以检验和发展结构的计算理论。
二、工程结构试验的目的
科学研究性试验
目的:
验证结构设计的某一理论,或验证各种科学的判断、推理、假设及概念的正确性,或者是为了创造某种新型结构体系及其计算理论。
对象:
对象即试件,具体结构或抽象模型。
研究问题:
1)验证结构计算理论的假定。
2)为制订设计规范提供依据。
3)为发展和推广新结构、新材料与新工艺提供实践经验。
生产鉴定性试验
目的:
检验结构构件是否符合结构设计规范及施工验收规范的要求,并对检验结果作出技术结论。
对象:
一般是真实的结构或构件。
应用:
1)检验结构的质量,说明工程的可靠性。
2)检验构件或部件的结构性能,判定构件的设计及制作质量。
3)判断旧结构的实际承载力,为改造、扩建工程提供数据。
4)检验和鉴定已建结构物的可靠性。
5)为处理工程事故提供依据。
三、工程结构试验分类
按试验对象分类
原型试验:
实际结构或是按实物结构足尺复制的结构或构件。
模型试验:
按原型结构缩小的模型,又分为相似模型试验和缩尺模型试验。
模型试验
模型是仿照原型并按照一定比例关系复制而成的试验代表物,它具有实际结构的全部或部分特征。
模型的设计制作及试验是根据相似理论、用适当的比例和相似材料制成与原型几何相似的试验对象,在模型上施加相似力系,使模型受力后重演原型结构的实际工作,最后按照相似理论由模型试验结果推算实际结构工作。
按荷载性质分类
静力试验和动力试验。
按试验时间分类
短期荷载试验和长期荷载试验。
按试验场合分类
试验室试验和现场试验。
四、工程结构试验设计
第二章结构试验荷载模拟技术
作用于工程结构上的荷载
荷载又称为作用,可分为直接作用和间接作用。
直接作用(结构自重,建筑物面的活荷载,机械设备的振动荷载,地震等荷载)
间接作用(温度变化,混凝土收缩,支座沉降等)
荷载模拟技术
通过一定的设备与仪器,以最接近真实的模拟荷载再现各种荷载结构的作用。
荷载模拟方法主要有重物直接加载法、液压加载法、机械加载法、惯性力加载和电磁激振加载方法等。
加载设备基本要求
1)试验荷载的作用,应符合实际荷载作用的传递方式,能使被试验结构、构件再现其实际工作状态的边界条件,使截面或部位产生的内力与设计计算等效。
2)产生的荷载值应当明确,满足试验的准确度,除模拟动力作用之外,荷载值应能保持相对稳定,不会随时间、环境条件的改变和结构的变形而变化。
3)加载设备本身应有足够的承载力和刚度,并有足够的储备,保证使用安全可靠。
4)加载设备不应参与结构工作,以致改变结构的受力状态或使结构产生次应力。
5)应能方便调节和分级加(卸)载,易于控制加(卸)载速率,分级值应能满足精度要求。
6)尽量采用先进技术,满足自动化的要求,减轻劳动强度,方便加载,提高试验效率和质量。
二、重力模拟荷载
重力加载
利用物体本身的重量施加于结构作为荷载,又分为直接重力加载和间接重力加载。
加载物体
1)实验室:
标准铸铁砝码、混凝土立方试块、水等;
2)现场:
砂、石、砖块等或钢锭、铸铁、废构件等。
直接重力加载法
1)直接放在结构表面上形成均布荷载;
2)重物置于荷载盘上,通过吊盘形成集中荷载;
3)借助钢索和滑轮导向,对结构施加水平荷载;
4)大面积平板结构,可采用水作试验荷载。
间接重力加载法
利用杠杆将荷重放大后作用在结构上。
重力加载系统优缺点:
优点:
设备简单、取材方便、荷载恒定及加载形式灵活。
缺点:
荷载量不能很大,操作笨重而费工。
三、液压模拟加载
组成
加荷千斤顶(加载器)、油泵控制台和荷载架等。
液压加载器
液压加载系统(试验机,千斤顶加载系统)
1、千斤顶液压加载系统
1)手动液压加载系统
2)同步(异荷)液压加载系统
2、试验机加载系统
1)材料万能试验机
2)结构长柱试验机
组成:
液压操纵台、大吨位液压加载器和试验机架。
3)卧式结构试验机
4)结构疲劳试验机
组成:
脉动发生系统控制系统和千斤顶工作系统。
脉动工作原理:
飞轮带动曲柄动作时,使脉动器上下移动而产生脉动油压。
电液伺服液压加载系统
1)系统工作原理
组成:
液压源、控制系统和执行系统。
系统可将荷载、应变和位移等物理量作为控制参数,实行自动控制。
液压加载器:
单缸双油腔结构,尾座内腔和活塞前端分别装有位移和荷载传感器,能自动记量和发出反馈信号。
2)电液伺服阀的工作原理
电液伺服阀直接安装于液压加载器上。
当电液伺服闭环回路中的电信号输入线圈时,衔铁发生偏转,带动一挡板偏移,两边喷嘴油流量失去平衡,压力改变,高压油进入加载器的油腔使活塞工作,滑阀的移动带动反馈杆偏转,使另一挡板反方向偏转,同时产生恢复力,当偏转力和恢复力相等时,滑阀停止移动。
3)优缺点
优点:
响应快、灵敏度高、量测与控制精度好,出力大、波形多、频带宽、可与计算机联机等。
缺点:
投资较大、维护费用高,使用受到一定限制。
4)应用
可以做静态、动态、低周疲劳和地震模拟振动台试验及利用造波机用于海洋结构试验等。
2.4其他加载技术
机械机具加载
机械加载机具:
绞车、卷扬机、倒链、花篮螺丝、螺旋千斤顶及弹簧等。
绞车、卷扬机和倒链葫芦:
通过绳索远距离对高耸结构等施加拉力。
花篮螺丝:
加载值较小时使用。
弹簧和螺旋千斤顶:
适用于施加长期荷载。
机械机具加载设备简单、索具加载时易改变方向。
但荷载值较小。
气压模拟加载
1)用空气压缩机对气包充气,给试件施加均匀荷载。
2)用真空泵抽出试件与台座围成的封闭空间的空气,形成大气压力差对试件施加均匀荷载。
优缺点
优点:
加、卸载方便,荷载稳定,安全构件破坏时能自动卸载,构件外表面便于观察与安装仪表。
缺点:
内表面无法直接观察。
2.5结构试验荷载支承装置
支座与支敦
1)支座:
按作用方式不同可分为滚动铰支座、固定铰支座球铰支座和刀口支座。
铰支座一般用钢材制作。
铰支座的基本要求:
1)必须保证结构在支座处能自由转动。
2)必须保证结构在支座处力的传递。
简支构件和连续梁支座:
一端为固定铰支座,其它为滚动铰支座。
安装时各支座轴线应彼此平行并垂直于试件构件的纵轴线,各支座间的距离取为构件的计算跨度。
2)支敦
材料:
钢材或钢筋混凝土,现场常用砖砌成。
反力装置
1)竖向反力装置
组成:
垂直加荷架、千斤顶连接件和试验台座等。
(1)加荷架:
包括立柱、横梁、大梁、地脚锚栓等。
移动式:
千斤顶可挂在横梁上,横梁可上下移动,架子底部设置有四个滚轮,可自由行走。
组合式:
(2)试验台座
基本要求:
①具有足够的强度和整体刚度。
②动力试验台座还应有质量和耐疲劳强度。
③静力台座和动力台座同时存在时,两者应分离设置。
按结构构造不同分类:
①槽式试验台座②地锚式试验台座
③箱形试验台座④槽、锚式试验台座
⑤抗弯式试验台座⑥空间桁架式试验台座
(3)加载器连接件
静力试验时,只要使千斤顶与试件给加荷架之间保持稳定即可。
抗震试验时,千斤顶与横梁之间需安装滚动辊轴。
2)水平反力装置
组成:
反力墙(架)与千斤顶水平连接件。
(1)反力墙(反力架)
固定式反力墙:
多采用钢筋混凝土或预应力混凝土结构,和试验台座刚性连接。
移动式反力墙:
一般采用钢结构,通过螺栓与试验台座的槽轨锚固。
(2)加载器与反力墙连接件
连接方式:
纵向滑轨式锚栓连接、螺孔式锚栓连接、纵横向滑轨式锚栓连接。
第三章结构试验测量技术
3.1概述
Ø对输入与输出数据的量测、采集和分析处理。
输入数据:
试件所受到的外部作用,如力、位移和温度等。
输出数据:
试件的反应,如应变、应力、裂缝、位移、速度、加速度等。
Ø数据的量测与采集方法
人工测量、人工记录;仪器测量、人工记录;仪器测量、仪器记录。
自动化采集系统测量、记录、处理
Ø仪器设备分类:
按功能和使用情况:
传感器、放大器、显示器、记录仪、分析仪器、数据采集仪和数据采集系统等。
按仪器用途:
应变计、位移传感器、测力传感器、倾角传感器、频率计和测振传感器等。
Ø量测仪表主要性能指标
量程:
仪表所能量测的最小至最大的量值范围。
最小分度值:
仪表的指示所能指出的最小测量值。
精确度:
仪表的指示值与被测值的符合程度。
灵敏度:
被测量的单位变化引起仪表示值的变化值。
滞后:
恒定环境条件下,起始值到最大值来回输出的最大偏差值。
3、电阻应变片粘贴技术
(1)粘贴要求:
1)测点基底平整、清洁、干燥;
2)粘结剂的电绝缘性、化学稳定性及工艺性能良好,蠕变小,粘贴强度高,温湿度影响小;
3)同一组应变计规格型号应相同;
4)应变片的粘贴应牢固,方位准确,不含气泡;
5)粘贴前后阻值不改变;
6)粘贴干燥后,敏感栅对地绝缘电阻一般不低于500MΩ;
7)应变线性好,保证应变能正确传递。
(2)应变电测法优点:
优点:
感受元件重量轻,体积小;信号传递迅速、灵敏度高;可遥测,便于与计算机联用及实现自动化。
缺点:
连续长时间测量会出现漂移;粘贴技术比较复杂,工作量大;不能重复使用,消耗量也较大。
3.3位移与变形测量
结构线性位移测量
结构位移:
指构件的挠度、侧移、转角、支座偏移等。
1、接触式位移计
组成:
测杆、齿轮、指针和弹簧等机械零件。
性能指标:
刻度值、量程和允许误差。
3.4力的测量
Ø结构静载试验所需测定的力,主要是荷载与支座反力,其次有预应力施力过程中钢绳(丝)的张力等。
Ø测量力的仪器分为机械式和电测式两种。
Ø电测仪器具有体积小、反应快、适应性强等优点。
1、荷载和反力测定
荷载传感器形式:
拉伸型、压缩型和通用型。
核心部件:
厚壁筒放大系数:
2、拉力与压力的测定
测力计基本原理:
钢制弹簧、环箍或簧片受力后产生弹性变形,变形通过机械放大后,用指针度盘或位移计来反应力的数值。
3.5裂缝测定
裂缝检测
裂缝检测方法:
1)放大镜或肉眼观测;2)读数显微镜;3)裂缝标准宽度板;4)裂缝塞尺
5)裂纹扩展片;6)脆漆涂层;7)声发射技术;8)光弹贴片。
电阻应变计型号规则
类别、基底材料种类、标准电阻、敏感栅长度、敏感栅结构形式、极限工作温度、自补偿代号(温度和蠕变补偿)及接线方式。
第四章工程结构静载试验
4.1概述
⏹结构静载试验是用物理力学方法,测定和研究结构在静荷载作用下的反应,分析、判定结构的工作状态与受力情况。
⏹静载试验方法不仅能为结构静力分析提供依据,同时也可为某些动力分析提供间接依据。
⏹结构静载试验中最常用的单调加载静力试验。
主要用于研究承受静载作用下构件的承载力、刚度、抗裂性等基本性能和破坏机制。
⏹《混凝土结构试验方法标准》既统一了量大面广的生产检验性试验方法,又对一般性科研试验方法提出了基本要求,对生产和科研有广泛的实用性。
4.2试验前的准备
试验前的准备包括试验规划和准备两个方面,主要内容:
1、调查研究、收集资料
(1)鉴定性试验中,主要向有关设计、施工和使用单位和人员收集资料。
(2)科研性试验中,主要向有关科研单位和情报检索部门及必要的设计、施工单位,收集与本试验有关的历史、现状和将来的发展要求。
2、试验大纲的制定
(1)概述:
试验的依据及试验的目的意义与要求等。
(2)试件的设计及制作要求:
设计的依据及理论分析和计算,试件的规格和数量,制作施工图等。
(3)试件的安装与就位:
包括就位的形式、支承装置、边界条件模拟、保证侧向稳定的措施和安装就位的方法和机具等。
(4)加载方法与设备:
包括荷载种类及数量、加载设备装置、荷载图式及加载制度等。
(5)量测方法和内容:
主要说明观测项目、测点布置和量测仪表的选择、标定、安装方法及编号图、量测顺序规定和补偿仪表的设置等。
(6)辅助试验。
(7)安全措施:
包括人身和设备、仪表等方面的安全防护措施。
(8)试验进度计划。
(9)试验组织管理:
包括技术档案资料、原始记录管理、人员组织和分工、任务落实、工作检查等。
(10)附录:
包括所需器材、仪表、设备及经费清单,观测记录表格,加载设备、量测仪表的率定结果报告和其他必要的文件规定等。
3、试件准备
试件准备包括试件的设计、制作、验收及有关测点的处理等。
4、材料物理力学性能测定
测定项目通常有强度、变形性能、弹性模量、泊松比、应力应变关系等。
测定方法有直接测定法和间接测定法。
直接测定法:
在制作结构和构件时留下小试件,按有关标准方法在材料试验机上测定。
间接测定法:
通常采用非破损试验法,即用专门仪器对结构和构件进行试验,测定与材料有关的物理量,进而推算材料性质参数,而不破坏结构、构件。
5、试验设备与试验场地的准备
加载设备和量测仪表,试验之前应进行检查、修整和必要的率定。
试件进场前,场地也应进行清理和安排。
6、试件安装就位
按试验大纲的规定和试件设计要求,将试件安装就位。
7、加载设备和量测仪表安装
加载设备根据其特点按照大纲设计要求进行安装。
仪表安装按观测设计确定。
8、试验控制特征值的计算
根据材性试验数据和设计计算图式,计算出各个荷载阶段的荷载值和各特征部位的内力、变形值等,作为试验时控制与比较的依据。
4.3加载与测量方案的设计
一、加载方案
⏹加载方案:
根据试件的结构形式、荷载的作用形式、加载设备的类型、加载制度的技术要求、场地的大小、以及试验经费等确定。
⏹加载程序:
试验期间荷载与时间的关系。
一般静载试验加载程序分为预载、标准荷载、破坏荷载三个阶段。
⏹分级加(卸)载目的:
1)控制加载速度
2)观察和分析结构变形
3)统一各点加载步调
1、预载
1)目的:
(1)使试件各部接触良好
(2)检验试验装置的可靠性
(3)检验观测仪表的工作是否正常
(4)检查现场组织工作及人员工作情况
2)解决问题:
(1)确定预载值:
标准荷载的60%
(2)确定分级数及其加(卸)载值:
加载分3级(每级加载值为标准荷载的20%);卸载分2~3级。
(3)确定级间停歇时间:
10min
2、正式加载
1)荷载分级
标准荷载之前,每级荷载值为标准荷载的20%。
标准荷载之后,每级不宜大于标准荷载的10%。
荷载加至计算破坏荷载的90%后,每级荷载不宜大于标准荷载的5%。
抗裂检测结构,荷载加至计算开裂荷载的90%后,每级荷载不宜大于标准荷载的5%。
级间停留时间:
钢结构≥10min;钢筋混凝土和木结构≥15min。
试验结构同时还须施加水平荷载时,按规定比例同步施加竖向和水平荷载。
2)满载时间
对需要进行变形和裂缝宽度试验的结构,在标准荷载作用下的持续时间:
钢结构和钢筋混凝土≥30min
木结构≥60min
拱或砌体结构≥180min
预应力混凝土结构:
满载30min后加致开裂,开裂荷载下再持续30min。
对于采用新材料、新工艺、新结构形式的结构构件,跨度较大(大于12m)的屋架、桁架等结构构件,要求在使用状态短期试验荷载作用下的持续时间≥12h。
3)空载时间
受载结构卸载后到下一次重新开始受载之间的间歇时间。
钢筋混凝土:
45min
钢结构:
30min
较重要的结构构件和跨度大于12m的结构:
18h
3、卸载
一般可按加载级距,也可放大1倍或分两次卸完。
二、量测方案
1、确定观测项目
1)整体变形
如梁的最大挠度及整体挠曲曲线;拱式结构和框架结构的最大垂直和水平位移及整体变形曲线;杆塔结构的整体水平位移及基础转角等。
2)局部变形量测
如局部纤维变形、裂缝及局部挤压变形等。
量测结果可直接说明结构(钢混)的抗裂性能、推断结构应力状态或验证设计与计算方法等。
2、测点的选择与布置原则
1)在满足试验目的的前提下,测点宜少不宜多;
2)测点位置必须具有代表性;
3)应布置一定的校核性测点;
4)对试验工作安全和方便。
3、仪器选择与测读原则
1)选择原则:
(1)必须满足试验所需的精度与量程要求;
(2)现场试验时,由于条件和环境复杂,选择仪表时应作具体分析和技术比较;
(3)测读方便、省时;
(4)型号、规格尽可能一致,种类愈少愈好。
2)测读原则
(1)按一定的时间间隔进行;
(2)测读时间选择在恒载间歇时间内;
(3)恒载时间较长时,应测取恒载下变形随时间的变化。
空载时,应测取变形随时间的恢复情况;
(4)记录仪表读数时,应该同时记下周围的气象资料如温度和湿度等。
(5)对重要数据,应将结果随时与预计理论值进行比较。
为设计提供依据的试验桩,应加载至破坏;当桩的承载力以桩身强度控制时,可按设计要求的加载量进行。
对工程桩抽样检测时,加载量不应小于设计要求的单桩承载力特征值的2.0倍。
试验加载宜采用油压千斤顶。
当采用两台及两台以上千斤顶加载时应并联同步工作,且应符合下列规定:
1采用的千斤顶型号、规格应相同。
2千斤顶的合力中心应与桩轴线重合。
加载反力装置可根据现场条件选择锚桩横梁反力装置、压重平台反力装置、锚桩压重联合反力装置、地锚反力装置。
为设计提供依据的竖向抗压静载试验应采用慢速维持荷载法。
慢速维持荷载法试验步骤应符合下列规定:
1、每级荷载施加后按第5、15、30、45、60min测读桩顶沉降量,以后每隔30min测读一次。
2、试桩沉降相对稳定标准:
每一小时内的桩顶沉降量不超过0.1mm,并连续出现两次(从分级荷载施加后第30min开始,按1.5h连续三次每30min的沉降观测值计算)。
3、当桩顶沉降速率达到相对稳定标准时,再施加下一级荷载。
4、卸载时,每级荷载维持1h,按第15、30、60min测读桩顶沉降量后,即可卸下一级荷载。
卸载至零后,应测读桩顶残余沉降量,维持时间为3h,测读时间为第15、30min,以后每隔30min测读一次。
确定单桩竖向抗压承载力时,应绘制竖向荷载-沉降(Q-s)、沉降-时间对数(s-lgt)曲线,需要时也可绘制其他辅助分析所需曲线。
4.4常见结构构件的静载试验
一、受弯构件的试验
⏹典型受弯构件:
单向板、梁。
1、试件的安装和加载方法
1)安装方法:
(1)简支,多采用正位试验,一端采用固定铰支承另一端采用滚动铰支承。
(2)支敦与钢板、钢板与构件之间应用砂浆找平。
(3)对于板一类宽度较大的试件,要防止支承面产生翘曲。
2)加载方法:
(1)重力加载:
杠杆重力加载或重力直接加载。
(2)液压加载器加载:
分配梁或多台加载器直接加载。
构件试验时的荷载图式应符合设计规定和实际受载情况,常采用等效加载图式。
受弯构件试验中常利用集中荷载来代替均布荷载。
2、试验项目和测点布置
生产鉴定性试验:
测定构件的承载力、抗裂度和各级荷载作用下的挠度和裂缝开展情况。
科学研究性试验:
除上述项目外,还需测量构件某些部位的应变。
1)挠度的测量
主要测定梁跨中fmax及弹性挠度曲线。
跨度较大梁(大于6000)测点应增加至5~7个。
宽度较大梁(大于600)必要时在截面的两侧布置测定。
宽度较大的板,均需在板宽的两侧布点。
预应力混凝土受弯构件,需考虑构件在预应力作用下的反拱值。
2)应变测量
测点布置:
正负弯矩最大截面、弯矩有突变的截面及截面突变处。
3、裂缝测量
测定钢筋混凝土梁的抗裂性能。
测量项目:
裂缝出现时间、裂缝宽度。
垂直裂缝测定:
一般产生在弯矩最大受拉区段,在该区段连续布置测点。
斜截面裂缝测定
斜截面上的主拉应力裂缝,经常出现在剪力较大的区域内,箱型截面或工字形截面,腹板的中和轴或腹板与翼缘相交接的腹板常是主拉应力较大的部位。
二、压杆和柱的试验
柱是工程结构中的基本承重构件,钢筋混凝土柱大多数属偏心受压构件。
1、试件的安装和加载方法
采用正位或卧位试验。
高大的柱子正位试验时安装和观测均较费力,该用卧位试验方案比较安全,但需考虑卧位试验时结构自重所产生的影响。
柱与压杆纵向弯曲系数试验时,构件两端均应采用比较灵活的可动铰支座形式(刀口铰支座或圆球形铰支座)。
中心受压柱安装时先对构件进行几何对中,加载达20%~40%时,在进行物理对中。
对于偏压试件,在物理对中后,沿加力线量出偏心距离,再把加载点移至偏心距位置上进行试验。
钢筋混凝土结构仅需保证几何对中即可。
2、试验项目和测点布置
试验项目:
破坏荷载、各级荷载下的侧向挠度值、控制截面或区域的应力变化规律以及裂缝开展情况。
4.4.3屋架试验
1)屋架特点是跨度大,只能在自身平面内承受荷载,而出平面刚度很小,在建筑物中要依靠侧向支撑体系形成整体刚度。
2)屋架主要受作用于节点的集中荷载,大部分杆件受轴力作用。
上弦有节间荷载作用时,上弦杆受压弯作用。
3)跨度较大的屋架,下弦一般采用预应力拉杆。
1、试件的安装和加载方法
1)一般采用正位试验,但需设置侧向支撑。
施工现场进行屋架试验时可以采用两榀屋架对顶卧位试验。
2)屋架试验的支承方式与梁试验相同。
3)屋架试验的加载方式可以采用重力加载,但采用液压同步加载是最理想的方案。
4)同步异荷液压系统可以实现加几组不同集中荷载的要求。
2、试件项目和测点布置
钢筋混凝土屋架试验,一般试验量测项目有:
1)屋架上下弦杆的挠度;
2)屋架主要构件的内
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