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1、 土木工程结构试验 20152015年年 2 2 月月 之之 静载静载试验 一、建筑结构上的作用分为直接作用与间接作 用。建筑结构主要是承受直接作用的。 直接作用分为：静荷载作用和动荷载作用。 第一章 结构静载试验 第一节 概述 二、静力试验与动力试验的比较： 静力试验也称为结构静力单调加载试验。 由于大部分建筑结构在工作中承受的是静力荷 载，所以静力试验是结构试验中数量最大、最 常见的基本试验。 结构抗震静力试验是以静力的方式模拟地震 作用的试验。它是用周期性的反复的静力荷载施 加于结构上，研究结构抗震强度的一种静力试验 ，称为低周期反复加载试验，也称为伪静力试 验。(还有拟动力试验) 静力
2、试验的最大优点是所有加载设备相对简单， 荷载逐级施加，可以停下来仔细观测结构变形， 给人一明晰的破坏概念。 动力试验包括振动试验和疲劳试验。对于承 受动力作用的结构或构件，为了了解结构的动力 特性及在动力荷载作用下的响应，一般要进行结 构动力试验。 三、短期荷载试验和长期荷载试验 短期试验只能反映出结构的短期性能。绝大 多数试验都是短期荷载试验，这种试验与结构实 际工作状况不完全相同，存在着荷载作用与变形 发展的时间效应问题。 长期荷载试验是研究结构的长期性能，如徐 变、结构的长期刚度和抗裂性能、混凝土的耐久 性等。 真型试验的试验对象是实际结构（或构件） 或者按实际结构（或构件）足尺寸复制的
3、结构（ 或构件）。真型试验适用于生产检验性试验；有 些研究结构整体性能的试验，如工业厂房结构的 刚度试验、高层结构风振测试及采用脉动法测量 结构的动力特性等试验；实际构件试验；足尺寸 复制结构的试验等。 真型试验的特点：通过试验可以对结构构造、 各构件的相互作用、结构的整体刚度以及结构破 坏阶段的实际工作进行全面观测了解； 四、真型试验与模型试验 模型试验的试验对象是仿照真实结构 并按一定比例复制而成的试验代表物，它 具有真实结构的全部或部分特征，是比真 型结构尺寸小得多的缩尺结构。 但是，真型结构试验的投资大、周期长、测量 精度受环境影响较大。 对模型试验的要求是：模型试验必须保证 模型与真
4、实结构几何相似、材料相似和力 学相似，完全满足相似理论。试验力学常 常用这种模型，在水利工程中也用此类模 型。 在“钢筋混凝土结构”及“砖石结构”课程 中讲到的试验研究绝大多数是用这种模型 做出来的。 一、重物荷载及设备 1 . 当使用砂、石等松散颗粒材料作为均布荷载时应 注意勿将荷载材料连续堆放，以免荷载材料本身 的起拱作用造成结构的卸载，应分成小堆堆放。 第二节 静载试验的加载设备 2 . 加集中荷载时，常用杠杆将荷载值放大。但杠杆 比一般不宜大于5。 3 . 水做均布荷载较为简易、经济，卸载可用虹吸管 ；水深10cm即相当于980N/M2，但不利于布置仪 表，不利于观测。 4 破坏试验时
5、，应加可调节的托架或垫块. 优点：1 重物荷载数值稳定，不因试验过程中结 构的变形或徐变而减小。 2 重物荷载不影响结构的自由变形， 适于做长期荷载及均布静载试验。 缺点：1 能产生的荷载值较小，即使用了杠杆放 大，最大荷载值也在200KN以下。 2 其整套设备占用的面积也较大， 有时会影响对试件的观测。 优点：加卸载方便 ，产生的荷载值大 ，便于往复循环加 载，带有脉动油泵 的脉动千斤顶还可 以对试件进行疲劳 试验。 缺点：当结构产生较 大的变形时，很难维 持要求的荷载值，千 斤顶往往还会限制结 构朝向千斤顶方向的 变形，在某些情况下 会影响试验结果。 二、液压加载 无专用台座时， 可以采用
6、图a 重物平衡支 承。 图b可以采用反弯梁支承 加载辅助设备： 图c 无专用台座时，可以采用构件成对自平衡 卧位。 对隧道模型 等，可以采 用加载框支 承。 当用一个加载器施加两点或两点以上荷载 时，常常通过分配梁实现。 目前最先进的加载设备 主要采用了电液伺服阀进行闭环控制，因而可获 得高精度的加载控制，且易于对试验实行不同力 学参数（如位移、荷载、应变）的控制和在试验 过程中进行控制参量的转换。 三 电液伺服加载 指令设定 调整放大伺服阀 执行元件 （加载器） 传感器 反 馈 比较 器 油 电液伺服加载闭环控制原理 优点：响应快、灵敏度高、出力大，只有采用电液 伺服加载系统，才有可能对结构
7、进行拟动力试 验。 1、 绞车绞车 一般用于 变位大的结 构、远距离 或高耸结构 施加拉力， 在拉索中接 入测力计量 测加载值。 四 机械机具加载 绞车或卷扬机加载 2 弹簧加载：常用于长期荷载试验，荷载值从几KN到 几千KN。用千分表量测弹簧长度的改变来算出所 加荷载值。 3 螺旋千斤顶：使用时需用测力计测定其加载值。它 适于对结构施加等变形荷载，设备简单，使用方 便。 以上各类加载设备都只能产生静载。 另一类机械式加载设备是机械式激振器，可产生正弦 波动荷载，用于测定结构动力特性的动力试验。 正压：利用压缩空气对结构施加荷载。 五 气压加载设备 负压：抽真空，形成大气压差对 试件加均匀荷载
8、。 支座：一般用钢制，构造形式见图。 六 支座和支墩 支墩：截面大小按有关结构设计标准确定 （抗压强度、稳定性） 垫板：宽度、厚度等要满足一定要求。 结构试验的目的不仅要得到有关结构性能的宏观 印象，更主要的是要取得确定结构性能的定量数 据，才能对结构性能作出定性的判断或为建立新 的理论提供依据。 精确可靠数据的取得依赖于量测。 量测技术的状态反映了一个国家经济发展和科学 技术的水平，已发展成一个学科，对各个领域的 科学研究都有重要的意义。 第三节 静载试验的量测仪器 量测技术包括：量测方法、量测工具、量 测误差分析三部分。 量测仪表系统组成： 感受部分 放大部分显示记录部分 量测仪表的主要性
9、能指标 1 量程：最大输入量与最小输入量之间的范围。 2 最小分度值：仪表能显示的最小测量值。 3 精度：一台精度为0.2级的仪表，意思是测定值的 误差不超过最大量程的0.2。 4 灵敏度：单位输入量所引起的仪表输出值的变 化。 5 滞后：仪表的输入量从起始量程增至最大量程的 测量过程称为正行程，反之为反行程；同一输入 量正反两个行程输出值间的偏差称为滞后。 一、 应变测量仪表 电阻应变仪 应力量测是结构试验中很主要的量测内 容，目前还没有较好的方法直接测定应力，常常 借助于测定应变后通过材料的应力应变曲线换 算为应力值。 1）电阻应变计 通过粘贴在试件测点的感受元件电阻应变计与试 件同步变形
10、，输出电信号进行量测。 电阻应变计的选用： 1.标距：根据应变场大小和被测材料的匀质性考 虑。 结构的应力梯度较大时，L应尽可能小；但对于 混凝土结构，要求L大于23倍最大骨料粒径;砖 石结构要求L大于6皮砖;木结构要求L不小于20cm ；对于钢材等匀质材料，L可取得小一些。 2.宽度：是敏感删的宽度 3.电阻值：一般120欧 4.灵敏系数 K：一般为2.0 2）电阻应变仪 测量电路一般均采用惠斯登电桥，把电阻变化转 换为电压或电流输出，并解决温度补偿等问题。 全桥 半桥 一、 应变片的粘贴技术 1 选片：同一组片的阻值相差不要超过0.2欧。 2 打磨：交叉打磨 3 涂胶：在测点处及应变片底面
11、均匀涂上薄薄的胶 水。 4 滚压：将应变片放在构件上，用大拇指均匀滚压， 挤出多余的胶水。 5 固化、烘干 6 用万用表检查断线和短路，兆欧表检查绝缘电阻。 7 接线：固线片 8 防潮处理：把接头全封住。 3）电阻应变量测技术 温度效应： 贴有应变片的构件总是放在某一温度 场中。当温度有变化时，会造成应变片敏感栅电 阻的变化；另外，当阻丝材料的线胀系数与构件 材料的不同时，阻丝受到附加的拉伸（压缩）， 从而造成电阻的变化。 二、温度补偿技术 1 设置温补块法 2 工作应变计温度互为补偿法 一、应变片在构件中的布置和在电桥中的接法 应变片感受的是构件表面某点的拉应变或压应 变。 全桥：四个桥臂均
12、外接应变计。 半桥：只有R1和R2为外接，R3、R4为无感电阻。 三、桥路连接技术 例1：图示受拉构件 ，欲测其拉伸应 变。 a专设温度补偿 试件的方案 b补偿片R2也参 与工作 例2：欲测图示构件 表面由弯矩造成 的应变，也有两 种方案。 a 专设温度补偿试件 的方案 b 补偿片R2也参与工 作，它贴在构件的 下表面且轴线与工 作片平行。 例3：构件受弯矩作用，但伴有拉伸，欲测弯矩造成 的应变而排除拉力造成的应变。 从材料力学知道，园轴受扭时，沿其表面 与母线成45度的方位上产生最大拉、压应 力 （相应的应变为 ），且其数值与园截面上最大剪应力 相等。 园轴扭矩的测量 例四：图示为一段园轴，除承受扭矩外，尚有轴向力P和 弯矩M的作用。如欲测扭矩而排除后两者的影响，可按图a 方法贴片，并取b图的全桥接法。 不需要的应变成分被排除，输出电压提高 到只有一片工作时的4倍，灵敏度提高4 倍。 小 结 1.结构试验的主要任务及研究内容是什么？ 2.根据结构试验的目的，可将结构试验分为哪两类 ？ 3.根据结构试验荷载性质不同，可分为哪几类？ 4.试验荷载产生的主要方法有哪几种？各自的优缺 点？ 5.量测仪器主要由哪几部分组成？框图？ 6.量测仪器的性能指标主要有那几项？每项的含义 ？ 7.结构静载试验对量测仪器的基本要求是什么？ 8.应变量测的基本原理是什么？
